斜坡面可調(diào)滿堂支架受力穩(wěn)定性分析

摘 要：當(dāng)滿堂支架搭設(shè)基礎(chǔ)面傾斜角度較大時，桿件立桿難度隨之增加，滿堂支架整體穩(wěn)定性也會受到影響。由于本工程在現(xiàn)澆箱梁滿堂支架搭設(shè)過程中，須將滿堂支架搭設(shè)于5%坡度的基礎(chǔ)面上，因此，本工程研發(fā)了一種可調(diào)式滿堂支架立桿底座，可滿足滿堂支架在不同傾斜角度基礎(chǔ)面上進行搭設(shè)施工的需求。并利用Midas Civil分析軟件對斜坡面滿堂支架進行穩(wěn)定性分析，在1.5倍安全系數(shù)下，滿堂支架各桿件結(jié)構(gòu)安全儲備系數(shù)均滿足穩(wěn)定性要求，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞臨界荷載遠大于施工工況荷載。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；斜坡面滿堂支架；可調(diào)式支架底座；穩(wěn)定性分析；有限元分析

中圖分類號：TU 74" " 文獻標志碼：A

隨著社會的發(fā)展，立體式交通組織建設(shè)日漸普遍，大型市政項目在結(jié)構(gòu)設(shè)計上往往存在空間重疊的情況，在施工過程中常常會遇到需要在斜坡面上搭設(shè)滿堂支架的問題，為提高架體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，達到施工過程中降本增效的目的。本文對盤扣式滿堂支架進行穩(wěn)定性理論分析，以西咸新區(qū)空港新城某高架現(xiàn)澆箱梁滿堂支架施工為背景，對搭設(shè)于斜坡面的盤扣式滿堂支架體系進行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗算，利用有限元數(shù)值模擬軟件建立盤扣式滿堂支架有限元模型，將實際工程與有限元模擬相結(jié)合，分析搭設(shè)于斜坡面上的滿堂支架體系的穩(wěn)定性。

1 結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞形式分析

鋼管滿堂支架通常按照載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)兩種狀態(tài)進行設(shè)計，承載能力極限狀態(tài)是一種因構(gòu)件強度破壞、疲勞破壞或大變形造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，發(fā)生傾覆的狀態(tài)；正常使用極限狀態(tài)是一種結(jié)構(gòu)或構(gòu)件發(fā)生正常使用情況下的變形，產(chǎn)生影響正常使用的振動，發(fā)生影響耐久性能局部損壞的狀態(tài)[1]。鋼管受荷載作用影響是否失穩(wěn)會直接決定滿堂支架是否會發(fā)生失穩(wěn)破壞。因此研究穩(wěn)定破壞問題的核心是研究結(jié)構(gòu)超過正常使用極限，變形急劇增長的臨界狀態(tài)。

1.1 分叉點失穩(wěn)

當(dāng)鋼管桿件軸向荷載P增至Pcr時，如圖1（a）所示，鋼管會完全變形，且無法再恢復(fù)至直線平衡狀態(tài)，即屈曲[1]。隨著軸向荷載P增加，尤其當(dāng)荷載值達到A點時，桿件的平衡狀態(tài)有兩條路徑，如圖1（b）所示，向上的虛直線段AC，以及水平線段AB（AB'），很明顯A點是兩種平衡狀態(tài)的分支點。分支點失穩(wěn)包括穩(wěn)定分支點失穩(wěn)和不穩(wěn)定失穩(wěn)兩種組成形式。在屈曲后，當(dāng)荷載值達到A點時，如果桿件的平衡路徑是水平線段AB或AB'，那么這是穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，稱為穩(wěn)定分支點失穩(wěn)。在發(fā)生分支點失穩(wěn)后，若想維持結(jié)構(gòu)或桿件的平衡狀態(tài)，則荷載值要遠小于臨界荷載，這種失穩(wěn)為不穩(wěn)定分支失穩(wěn)[2]。

1.2 極值點失穩(wěn)

當(dāng)鋼管桿件發(fā)生如圖1（c）所示的偏距為e的偏心受壓情況時，桿件開始受壓至失穩(wěn)的壓力-撓度曲線（P-?曲線）如圖1（d）所示。壓力-撓度曲線分為上升段OA和下降段AB兩端曲線，其中A為分界點。當(dāng)軸向荷載不斷增加，曲線呈上升趨勢，且由于偏心撓度不斷變大，曲線段上升接近直線形式，此時構(gòu)件處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。A為曲線分界點，過A點后曲線由上升變?yōu)橄陆?，此時桿件內(nèi)力開始小于外荷載，為維持構(gòu)件受力平衡，須降低構(gòu)件承受荷載P值。在曲線OB中，A點表示力的大小，即為構(gòu)件極限承載力，構(gòu)件從A點開始喪失穩(wěn)定性，在偏心受壓結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線中，僅存在極值點，不存在初始線性平衡狀態(tài)到彎曲平衡狀態(tài)的過渡，在此過程中，構(gòu)件彎曲變形特性保持不變，將具有這種特性的失穩(wěn)現(xiàn)象稱為極值點失穩(wěn)[3]。

2 支架底座受力穩(wěn)定性分析

2.1 斜坡面可調(diào)滿堂支架設(shè)計

本工程滿堂支架主要采用盤扣式滿堂支架體系，由硬化基礎(chǔ)、立桿可調(diào)底托、?60mm×3.2mm調(diào)節(jié)立桿、?60mm×3.2mm盤扣立桿、?48mm×2.75mm橫桿、?42mm×2.75mm斜拉桿及?48mm×2.5mm扣件鋼管水平剪刀撐、立桿可調(diào)頂托、I12工字鋼橫向分配梁、8cm×8cm木方縱向分配梁、15mm竹膠板面板等構(gòu)成。同時，由于支架是用于斜坡面上的，因此為提高鋼管支架的適用性，同時降低支架搭設(shè)難度，要對支架底部承托進行創(chuàng)新研發(fā)，形成一種可調(diào)底座，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。將調(diào)節(jié)底座固定在鋼管滿堂支架下端，根據(jù)立桿布置形式將調(diào)節(jié)支座設(shè)置為若干個，分別與滿堂架底部連接，可通過調(diào)整調(diào)節(jié)柱與托架底部的夾角角度來調(diào)整每個調(diào)節(jié)支座貼合斜面的傾角及高度，使調(diào)節(jié)柱與水平面垂直，帶動滿堂架底部形成滿足斜坡面的傾斜支撐面。

2.2 有限元仿真模擬

利用Midas Civil對斜坡面滿堂支架體系進行有限元建模分析，有限元模型工況荷載主要考慮豎向荷載影響，包括支架體系自重、箱梁梁體自重（均布荷載根據(jù)箱梁形式分布）、各種施工荷載。通過分析鋼管桿件的變形情況，支架整體的變形及應(yīng)力分布情況、屈曲模態(tài)來確定斜坡面滿堂支架的穩(wěn)定狀態(tài)[4]。本工程采用盤扣式滿堂支架進行高架橋梁現(xiàn)澆箱梁施工，支架整體長度27m，寬度20.1m，最大高度8.8m，且支架搭設(shè)于順橋向5%的斜坡上，施工安全系數(shù)取值為1.5。由于混凝土澆筑完成時是支架受荷載最大工況，因此為真實模擬施工工況下荷載分布，根據(jù)箱梁截面形式，模擬箱梁荷載分布，占比按照0.06∶0.06∶0.88（翼緣板∶腹板∶底板）施加。

2.2.1 斜坡面支架穩(wěn)定性分析

在組合荷載作用下，盤扣式滿堂支架結(jié)構(gòu)發(fā)生彈性變形，如圖3所示。由于滿堂支架搭設(shè)于斜坡面上，因此支架底部利用可調(diào)底座調(diào)節(jié)搭設(shè)坡度，使現(xiàn)澆滿堂支架大小里程位移變形量不一致，呈現(xiàn)坡上段沉降位移量大，坡下段沉降變形量小的分布趨勢，且通過分析結(jié)果得知，滿堂支架縱橫向位移變形量較小，對穩(wěn)定性影響可忽略不計，支架整體豎向位移變形最嚴重位置均分布在箱梁底板位置，其中，坡上段最大位移約為18.41mm，坡下段最大位移約為15.06mm。參考規(guī)范中對模板支架的最大變形值規(guī)定，支架各部分變形值均滿足要求，穩(wěn)定性達標。

圖4為斜坡面滿堂支架的應(yīng)力分析。由圖4可知，當(dāng)模擬受組合荷載作用時，盤扣式滿堂支架結(jié)構(gòu)立桿主要承擔(dān)壓應(yīng)力，水平桿承受拉應(yīng)力作用。滿堂支架結(jié)構(gòu)立桿所受最大壓應(yīng)力位置在坡上段立桿底部，最大壓應(yīng)力約為188.43MPa，立桿安全儲備系數(shù)約為1.83。水平桿所受最大壓應(yīng)力為97.08MPa，位于坡上段箱梁底板荷載向下輻射區(qū)域的底層水平桿件交叉節(jié)點處，水平桿件的安全儲備系數(shù)約為2.42。由此可知，在考慮1.5倍加載系數(shù)的工況下，滿堂支架結(jié)構(gòu)桿件最不利荷載處的穩(wěn)定性安全儲備系數(shù)均能滿足施工要求。

2.2.2 極限承載穩(wěn)定性分析

利用Midas Civil軟件進行線性屈曲分析，對每個施加的外部荷載P，都會求解出一個臨界荷載系數(shù)λ。當(dāng)荷載增至某一特定值時，結(jié)構(gòu)體系等效幾何剛度[Keq]=0，支架體系處于瀕臨失穩(wěn)的狀態(tài)，此時的臨界荷載系數(shù)與外部荷載乘積即為支架體系的失穩(wěn)臨界荷載[5]。在本項目施工工況下，對滿堂支架體系進行屈曲分析，得到斜坡面滿堂支架失穩(wěn)形態(tài)（1階模態(tài)下），如圖5所示。斜坡面滿堂支架在1階模態(tài)下，立桿主要在X-Y方向發(fā)生位移及扭轉(zhuǎn)，順橋向布置的水平桿主要在Y方向發(fā)生位移及扭轉(zhuǎn)，橫橋向布置的水平桿主要發(fā)生Z向位移。由于剪刀撐是用來加固水平桿及立桿，受水平桿及立桿失穩(wěn)變形影響，在剪刀撐連接節(jié)點處，發(fā)生較大Y向變形，最終使連接節(jié)點松動脫落，發(fā)生整體屈曲失穩(wěn)。

斜坡面滿堂支架屈曲分析的目的是為了分析整體結(jié)構(gòu)在自重Z及外部荷載P作用下的整體穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)分析的結(jié)果不是惟一的單值解，而是無窮解，使屈曲分析可能得到多種失穩(wěn)模態(tài)，從表1中可以看出在一階模態(tài)中，各荷載下的荷載臨界系數(shù)為2.3686420，是最小的。在一階模態(tài)下，結(jié)構(gòu)最容易被激發(fā)造成失穩(wěn)破壞。因此主要分析斜坡面滿堂支架結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)失穩(wěn)形態(tài)及臨界系數(shù)變化，以確定支架的失穩(wěn)臨界荷載Ncr，由分析可知：此設(shè)計形式下的斜坡面滿堂支架結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)承載極限為現(xiàn)模擬施工工況荷載的2.37倍左右，結(jié)構(gòu)滿足抵抗屈曲失穩(wěn)的要求。

3 結(jié)論

本文針對現(xiàn)澆箱梁于斜坡面上搭設(shè)鋼管滿堂支架進行研發(fā)設(shè)計，成功研發(fā)了一種可適應(yīng)搭設(shè)基礎(chǔ)面傾斜坡度的桿件底座，以滿足滿堂支架不同搭設(shè)傾斜坡度的工況要求。并利用Midas Civil對斜坡面滿堂支架進行穩(wěn)定性分析：支架立桿安全儲備系數(shù)可達到1.83，水平桿安全儲備系數(shù)可達到2.42。在施工工況荷載下，斜坡面滿堂支架失穩(wěn)破壞荷載臨界系數(shù)為2.37，均高于正常施工荷載工況下滿堂支架搭設(shè)施工要求的1.5倍穩(wěn)定性安全系數(shù)。由此可知，斜坡面滿堂支架在應(yīng)用可調(diào)式底座搭設(shè)支架后，整體穩(wěn)定性滿足施工要求。

參考文獻

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