渡槽扣件式鋼管支架有限元分析

楊金龍 晁永蓮

(1.中國水利水電第二工程局有限公司，北京 100120; 2.青海天馬建筑勞務工程有限公司，青海西寧 810000)

1 工程概況

引洮供水一期工程總干渠4號渡槽采用滿堂扣件式鋼管支架支撐，取3號渡槽中縱向長度15 m的單跨渡槽支架進行計算，支架高16.5 m，寬6 m，支架斷面布置見圖1。立柱和水平連接桿件均采用φ48×3.0 mm鋼管，支架立桿縱向和橫向間距均為85 cm，水平桿件豎向間距為120 cm。鋼管采用Q235A鋼材，材料力學參數:Q235鋼抗拉、抗壓和抗彎強度設計值:205 MPa，彈性模量:2.06×105MPa。

2 計算的主要荷載

本渡槽采用的是單跨長15.0 m的箱形薄壁結構，根據施工圖紙文件，每跨渡槽采用103.34 m3鋼筋混凝土，計算時混凝土的容重取25 kN/m3。計算的主要荷載包括恒載與活載兩部分，恒載部分包括渡槽自重和模板的重量。組合鋼模板自重是根據《建筑施工手冊》中的表5-85取值，模板線集度荷載為0.75 kN/m。計算的活荷載主要包括施工標準活載和振搗混凝土時產生的動力荷載，活荷載的計算方法參考根據《建筑施工手冊》中的有關要求，振搗混凝土荷載為2 kN/m2，施工荷載為1 kN/m2。

3 結構計算模型

3.1 有限元模型

本渡槽的空間有限元模型是采用MIDAS建立的，整體模型見圖2，渡槽槽身見圖3。渡槽結構共離散為21 900個三維實體單元，8 393個節點。模型中采用梁單元模擬支架立柱和支架橫向連接桿件。

3.2 邊界條件

為了得到較準確的計算結果，計算中考慮了支架立柱底部地基土的約束剛度。支架側面不進行約束，支架頂板和渡槽框架相應節點的豎向自由度是耦合在一起的，立柱和橫向桿件之間的連接是按剛性連接模擬的，考慮附加次應力影響。

4 靜力分析結果

有限元計算結果表明，立柱所受的荷載較大，而橫向連接桿件主要起連接作用，所受的荷載較小，限于篇幅，僅列出了最不利立柱構件的強度和穩定檢算的結果。

立柱應力計算結果見圖4。

受壓縱向彎曲系數為0.805，容許壓應力為－165 MPa。參照《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》，Q235鋼材強度設計值為205 MPa。

本渡槽采用了面積為424 mm2、慣性距為1.078×105mm4的鋼管立桿，根據計算該立柱的回轉半徑為15.9 mm，長細比為53，計算長度取L=85 cm。在荷載組合作用下，鋼管立柱的最大壓應力是小于容許應力－165 MPa，這說明了該立柱是滿足強度和穩定要求的。

5 屈曲分析

整體屈曲分析前需要進行模態分析，采用MIDAS軟件建立了屈曲分析模型，并進行了穩定分析。根據屈曲分析結果，支架的第一階失穩模態見圖5。

從圖5中可以看到，第一階臨界荷載系數是2.98，說明結構如果要出現失穩，所承受的荷載是計算荷載的2.98倍，這說明了結構的穩定性是滿足要求的。

6 結語

本文根據提供的施工圖文件，采用了MIDAS軟件進行了分析計算模型。有限元計算結果表明，本渡槽支架各構件的強度和穩定都是滿足要求的，而且安全儲備較大。屈曲分析結果表明，本渡槽支架的臨界荷載系數是2.98，說明了支架的整體穩定性也是滿足要求的。

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