盤扣式滿堂支架構(gòu)件結(jié)構(gòu)分析驗(yàn)算

李宗霖

(安徽省路港工程有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230022)

0 前 言

現(xiàn)澆箱梁作為公路橋梁中最為常用的結(jié)構(gòu)形式，其施工過程中采用臨時(shí)支撐上部結(jié)構(gòu)的滿堂支架是臨時(shí)設(shè)施中危險(xiǎn)性較高的重要分部工程[1]。滿堂支架法施工具有快捷、靈活、經(jīng)濟(jì)、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，然而鑒于模板支架操作面上施工人員較多，安全性極為重要，支架的承載力及穩(wěn)定性直接影響著施工安全及箱梁的質(zhì)量[2-4]。如何較為準(zhǔn)確進(jìn)行支架受力分析是十分必要的。當(dāng)前施工單位對現(xiàn)澆箱梁滿堂支架施工專項(xiàng)方案驗(yàn)算主要有兩種常用計(jì)算方法：①M(fèi)IDAS CIVIL有限元計(jì)算；②理論解析計(jì)算。本文通過某項(xiàng)目滿堂支架兩種方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，對比兩種方法的驗(yàn)算結(jié)果，總結(jié)一定經(jīng)驗(yàn)，為類似工程施工方案設(shè)計(jì)驗(yàn)算提供一定參考。

1 工程概況

某橋跨布置為：3 m(橋臺)+3×{4×25〕+2×50+3×{4×25}+3 m(橋臺)。上部結(jié)構(gòu)除第4聯(lián)采用鋼箱組合梁外，其余均采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)現(xiàn)澆箱梁。下部結(jié)構(gòu)橋臺采用肋板臺，橋墩采用柱式墩，墩臺均采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。本次計(jì)算取箱梁搭設(shè)架體最高約12.2 m的24.95 m跨現(xiàn)澆箱梁跨施工方案進(jìn)行架體驗(yàn)算。箱梁底寬9.25 m，梁高1.5 m，懸臂長2 m，端部板厚0.2 m，根部加厚至0.5 cm，腹板厚0.5 m，頂板厚度均為0.25 m，底板厚0.22 m。

2 支架布置

采用承插型盤扣式滿堂支架施工，具體布置為：支架立桿采用Φ60.3×3.2 mm鋼管，材質(zhì)為Q355；水平桿采用Φ48.3×2.5 mm鋼管，斜撐及水平斜桿均采用Φ48×3.5 mm鋼管，材質(zhì)均為Q235B；豎直斜桿采用Φ48×2.5 mm鋼管，鋼材材質(zhì)均為Q195；附加斜撐采用Φ48×3.5 mm，材質(zhì)為Q235B。水平桿步距為1.5 m/1.0 m/0.5 m，立桿縱橋向間距為0.6 m/0.9 m/1.2 m；橫橋向間距為0.6 m/0.9 m/1.2 m；所有模板均為15 mm厚優(yōu)質(zhì)竹膠板，模板下方布置：縱橋向10 cm×10 cm的方木，方木下為橫向(間距同立桿間距)普通10號工字鋼；基礎(chǔ)采用20 cm厚C20素混凝土，基底持力層為經(jīng)地基處理后滿足承載力及正常使用要求土層，支架布置見圖1。

圖1 支架布置示意圖(單位：mm)

3 荷載選取

根據(jù)本工程概況及箱梁施工特點(diǎn)，支架驗(yàn)算主要考慮如下荷載：①體系自重q1；②新澆混凝土自重q2(鋼筋混凝土容重取γ=26 kN/m3)；③施工荷載(施工人員、機(jī)具、材料等)q3=2.5 kN/m2；④振搗混凝土?xí)r對水平模板產(chǎn)生的豎向荷載q4=2.0 kN/m2；⑤振搗混凝土?xí)r對垂直模板產(chǎn)生的水平荷載q5=4.0 kN/m2；⑥傾倒混凝土作用于模板的產(chǎn)生的豎向荷載q6=2.0 kN/m2；⑦q7箱梁分兩次澆筑，第一次澆筑至腹板倒角下方，最大澆筑高度1.5-0.5=1.0 m，本次計(jì)算考慮澆筑速度的不確定，取新澆筑混凝土有效壓頭高度即為最大澆筑高度1.5 m；⑧順橋向風(fēng)載計(jì)算取按照0.7 kN/m2；橫橋向風(fēng)載計(jì)算取1.0 kN/m2；⑨內(nèi)模荷載q9=2.0 kN/m2。

荷載組合參照路橋施工計(jì)算手冊執(zhí)行，其中荷載分項(xiàng)系數(shù)取值執(zhí)行《建筑施工承插型盤扣式鋼管腳手架安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(JGJ T231—2021)》[5]。

4 有限元建模及邊界條件設(shè)置

立桿、工字鋼、方木等采用梁單元模擬，模板采用板單元模擬，立桿底部約束3個(gè)方向平動自由度，立桿頂部與橫向10號工字鋼、橫向10號工字鋼與縱向木方、縱向方木與模板均采用彈性連接方式，依據(jù)《建筑施工臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 300—2013)[6-7]輸入節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動剛度k=20 kN·m/rad。采用MIDAS CIVIL 2021建立現(xiàn)澆梁支架整體模型，如圖2所示。

圖2 滿堂支架有限元模型(單位：mm)

5 支架構(gòu)件受力分析

根據(jù)荷載條件及材料特性取值，采用MIDAS CIVIL2021根據(jù)建立的整體支架模型并輸入相應(yīng)荷載工況分析驗(yàn)算。

5.1 竹膠板(t=15 mm)強(qiáng)度及剛度驗(yàn)算

有限元結(jié)算結(jié)果由圖3可知主箱梁區(qū)域竹膠板最大組合應(yīng)力σmax=1.32 MPa，由圖4可知竹膠板最大豎向撓度ωmax=1.77 mm，取組合應(yīng)力相對應(yīng)最大值位置(即箱梁實(shí)腹混凝土區(qū)域)進(jìn)行模板理論計(jì)算，該區(qū)域方木間距150 mm，混凝土高度1.5 m，采用15 mm厚模板，取1 000 mm寬度，跨度按照150 mm，按三跨連續(xù)梁進(jìn)行計(jì)算。

圖3 竹膠板組合應(yīng)力云圖

圖4 竹膠板變形云圖

模板面荷載標(biāo)準(zhǔn)值：qk=1.5×26+2+2.5+2=45.5 kN/m2，模板線荷載設(shè)計(jì)值：q=1.3×1.5×26+1.5×6.5=60.45 kN/m2，最大彎矩設(shè)計(jì)值Mmax=0.1ql2=0.14 kN·m，最大彎應(yīng)力設(shè)計(jì)值σmax=Mmax/W=3.73 MPa，最大撓度ωmax=0.677qkl4/(100EI)=0.06 mm。

5.2 方木強(qiáng)度及剛度驗(yàn)算

有限元計(jì)算結(jié)果由圖5可知方木最大組合應(yīng)力σmax=0.5 MPa，由圖6可知方木最大豎向撓度ωmax=3.31 mm。取組合應(yīng)力相對應(yīng)最大值位置進(jìn)行理論計(jì)算，方木間距150 mm，跨度為1 200 mm，按三跨連續(xù)梁進(jìn)行計(jì)算。

圖5 方木組合應(yīng)力云圖

圖6 方木變形云圖

方木線荷載標(biāo)準(zhǔn)值：qk=45.5×0.15=6.83 kN/m，方木線荷載設(shè)計(jì)值：q=60.45×0.15=9.07 kN/m，最大彎矩設(shè)計(jì)值Mmax=0.1ql2=1.31 kN·m，最大彎應(yīng)力設(shè)計(jì)值σmax=Mmax/W=7.83 MPa，最大撓度ωmax=0.677qkl4/(100EI)=1.54 mm。

5.3 10號工字鋼分配梁強(qiáng)度及剛度驗(yàn)算

有限元計(jì)算結(jié)果由圖7可知10號工字鋼最大組合應(yīng)力σmax=99.06 MPa，由圖8可知10號工字鋼最大豎向撓度ωmax=1.77 mm。取組合應(yīng)力相對應(yīng)最大值位置進(jìn)行理論計(jì)算，工字鋼間距600 mm，跨度為900 mm，按三跨連續(xù)梁進(jìn)行計(jì)算。

圖7 10號工字鋼分配梁組合應(yīng)力云圖

圖8 10號工字鋼分配梁變形云圖

方木線荷載標(biāo)準(zhǔn)值：qk=6.83 kN/m，方木線荷載設(shè)計(jì)值：q=9.07 kN/m，其中方木傳遞給工字鋼的力為集中力，根據(jù)結(jié)構(gòu)靜力手冊中簡支梁上荷載的最不利布置，最大彎矩設(shè)計(jì)值Mmax=3.3 kN·m，最大彎應(yīng)力設(shè)計(jì)值σmax=Mmax/W=74.1 MPa，最大撓度ωmax=0.274 mm。

5.4 立桿強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性驗(yàn)算

有限元計(jì)算結(jié)果由圖9可知立桿最大壓彎組合應(yīng)力σmax=100.99 MPa，由圖10可知立桿的最大軸向變形ωmax=1.58 mm，由圖11可知立桿最大軸力設(shè)計(jì)值Nmax=45.5 kN。分析取立桿受力最大位置(實(shí)腹混凝土區(qū)域)進(jìn)行理論計(jì)算，計(jì)算長度依據(jù)《建筑施工承插型盤扣式鋼管腳手架安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(JGJ T231—2021)》取lo=2 m，λ=lo/i=2000/20.1=99.5，立桿穩(wěn)定系數(shù)φ=0.479，穩(wěn)定應(yīng)力設(shè)計(jì)值σ=N/(φA)=166.4 MPa。

圖9 立桿組合應(yīng)力云圖

圖10 立桿變形云圖

圖11 立桿軸力圖

6 結(jié) 論

1)通過有限元計(jì)算結(jié)果與理論解析法[8-9]計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，支架構(gòu)件強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求，且有一定的富余量。有限元計(jì)算結(jié)果較理論解析結(jié)果存在偏差，存在偏差分析原因認(rèn)為主要有兩個(gè)方面：①由于MIDAS CIVIL計(jì)算過程中考慮架體整體性及構(gòu)件相互連接計(jì)算邊界條件簡化所致；②依據(jù)模板施工安全技術(shù)規(guī)范的理論解析將構(gòu)件分開并分別進(jìn)行計(jì)算，忽略立桿節(jié)間豎向斜桿對支架架體構(gòu)件產(chǎn)生的作用導(dǎo)致理論解析計(jì)算結(jié)果簡化偏保守。

2)承插盤扣式滿堂支架作為施工臨時(shí)設(shè)施中常見的危大工程，安全性極為重要，為偏安全考慮，建議可采用其他有限元計(jì)算軟件建模計(jì)算。

3)水平及豎向斜桿在滿堂支架體系中的作用是不可替代的，對于增強(qiáng)及提高支架整體穩(wěn)定性具有相當(dāng)重要作用，必須嚴(yán)格按照規(guī)范及施工方案要求搭設(shè)。

4)本文所研究的內(nèi)容為類似工程施工方案設(shè)計(jì)驗(yàn)算提供一定參考，后續(xù)針對存在計(jì)算誤差原因?qū)㈤_展進(jìn)一步研究。

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