一種新型斜撐桿式滑模施工桁架平臺腳手架計算研究

許亞東

（鎮江市建設工程施工圖審查中心，江蘇鎮江 212000）

0 引言

隨著國內經濟飛速發展，當今社會能源的需求也是日益增大。就煤礦業、工業煙囪以及糧食儲存等諸多方面而言，筒倉建筑是不可或缺的重要組成部分，然而滑模施工工藝又是筒倉建筑的主要工法，并且滑模施工具備施工工期短、機械化程度高、經濟性較好等特點[1-4]。隨著現代技術的發展，滑模施工平臺現存在多種形式如：鋼桁架、鋼網架、懸索結構式等[5-7]。針對該種施工平臺已有許多學者進行不同程度的研究，而鋼桁架式滑模施工平臺又最具代表性。

段紅杰等[8]通過有限元軟件對大直徑筒倉分8 種工況進行強度和剛度分析，依據分析結果提出相應的優化方案；李勤山等[9]運用ANSYS 有限元軟件對鋼管桁架以及輻射梁在不同荷載作用下的位移變化進行分析，判定其承載能力；夏軍武[10]等通過分析4 種不同截面鋼桁架梁在同等荷載下的剛度以及用鋼量，并且給出最優選擇；張夫[11]對某大直徑筒倉工程滑模施工平臺結構設計進行優化，通過合理的設計和更便捷的安裝方式，解決許多實際工程中的問題；黃道元等[12]對240m 高層煙囪進行ANSYS 有限元受力動態模擬，有效解決了平臺扭晃現象。肖樹豪等[13]運用ANSYS 有限元軟件對錐殼式結構的筒倉進行研究，該筒倉的支撐體系為懸吊鋼管桁架，通過分析內力及撓度變化規律，從而提出提高設計承載力的方法。郭艷[14]等人運用SAP2000 有限元軟件對筒倉結構倉頂支撐架施工平臺進行分析，分為三步對支撐架的承載過程推演。目前，國內針對斜撐桿式的滑模施工平臺研究較少不夠全面。國外滑模施工技術出現時間較早，1943 年AB Bygging 提出了中央控制液壓滑升模板系統，這一發明徹底解決了手動千斤頂的弊端，并快速推動了滑模施工的快速發展；Tie Cheng Wang 等[16]以直徑和荷載為參考變量，研究該因素對筒倉鋼管桁架支撐體系位移的影響。D Dooms[17]提出運用有限元軟件對筒倉進行風荷載模擬，針對風荷載下的筒倉側移現象提出改進方法。

本文以江蘇鎮江某儲糧混凝土筒倉工程為研究對象，運用SAP2000 有限元軟件對該筒倉倉頂板斜撐桿式施工平臺桁架結構進行計算，分析桁架平臺各桿件應力、桁架整體變形及屈曲穩定性能等，該計算方法以及模擬結果可為類似工程提供參考。

1 計算模型

1.1 幾何模型

本工程計算模型以鎮江某混凝土筒倉建筑為參考依據，該混凝土筒倉施工采用了滑模施工工藝，在筒倉倉頂澆筑階段采用了斜撐桿式滑模腳手架[18]。斜撐桿式桁架平臺整體為圓形，該桁架直徑為10m，平面分為18 榀桁架組成，分為上下兩層，層間相距為900mm。吊筋為直徑16mm 的HRB400 級鋼筋，桁架桿件與鋼管為空心圓截面桿（48mm×2.7mm），詳細幾何模型見圖1。

圖1 斜撐桿支承桁架幾何模型

1.2 有限元模型

1.2.1 有限元建模

本次計算運用了SAP2000 有限元軟件建模，將桁架平臺模型均假設為均質、彈性模型，且不考慮材料的非線性特性，詳細有限元模型見圖2。

圖2 施工桁架平臺有限元模型整體

1.2.2 材料參數

斜撐桿支承形式桁架平臺由桁架桿、支撐桿、吊筋組成。桁架桿與支撐桿為空心圓截面圓管桿件，材料為Q235 鋼材。吊筋為HRB400 級鋼筋，本次模擬計算不考慮溫度影響，各材料的力學性能[19]見表 1。

表1 桁架材料力學性能

2 邊界條件及荷載分布

2.1 邊界條件

每榀桁架由吊筋從下弦桁架固定在筒倉壁上，且有斜撐桿從上弦桁架固定在筒倉壁上每榀桁架上弦由支撐桿連接，連接形式采用固結，共計40 個結點。

2.2 荷載分布

荷載由桁架自重、模板自重、施工荷載以及混凝土自重構成。桁架平臺的重量由SAP2000 軟件自動計算，另加上桁架平臺自重荷載20%的附加荷載。經計算，桁架平臺重量為2134kg，取自重荷載加速度12.0m/s2。平臺自重與模板自重為恒荷載，施工荷載為活荷載[20]。

表2 桁架平臺集中荷載計算結果

在軟件計算中桁架平臺上的均布面荷載簡化為集中荷載施加在桁架節點上，受力結點共計77 個。桁架平臺各節點受集中荷載為11.7kN。

3 靜力計算結果

3.1 強度分析

經SAP2000 計算后，斜撐桿支承形式桁架平臺最大應力絕對值為132.5MPa，位置出現在中間桁架中心井字形桿件位置處，吊筋最大應力絕對值為100.36MPa，位置出現在個別吊筋上。圖3為斜撐桿式桁架平臺靜力計算整體應力圖。

圖3 斜撐桿式施工桁架平臺靜力計算整體應力圖（單位：MPa）

參考鋼結構設計標準[19]對上述計算結果進行校核。桁架桿（空心圓截面桿Q235）計算應力為132.5MPa 不超過強度設計值（215MPa）。拉索鋼筋（HRB400）計算應力 100.36MPa 不超過設計強度值（360MPa）[19]。斜撐桿支承形式桁架平臺上下弦之間的斜桿在桁架平臺中具有支撐作用，計算顯示斜桿軸力最大為29.2KN，位置出現在桁架平臺中心部位，在安全范圍之內。

3.2 撓度分析

斜撐桿支承形式桁架平臺在施加荷載之后整體出現下沉式變形，桁架平臺四周有吊筋以及支撐桿連接，所以中間部分撓度最大，故選出最長一榀桁架，計算撓度是否在規范要求之內[19]。圖4 為桁架平臺的整體變形圖。

圖4 斜撐桿式施工桁架平臺靜力計算整體變形圖（單位：mm）

通過計算，得到該結構中最長一榀桁架的最大位移絕對值為11.82mm，且超過9.0mm 的變形主要集中在桁架中間的桿件上。兩種工況下上一節點豎向位移和下一節點豎向位移分別為-8.34mm和-4.72mm，計算撓度為1.81mm，小于允許撓度6.67mm[19]。

3.3 應力比分析（見圖5）

SAP2000 軟件自動對桁架平臺校核輸出應力比圖詳見圖5。計算得到，桁架平臺構件應力比均小于1.0，滿足規范設計要求[19]。斜撐桿支承形式桁架計算出應力比最大的位置位于桁架下弦邊緣四周，即靠近筒倉倉壁處，最大值為1.584，由于應力集中導致部分超限。

圖5 斜撐桿式施工桁架平臺的整體應力比

3.4 屈曲穩定分析

在SAP2000 中，對斜撐桿支承形式桁架平臺進行屈曲穩定性模擬。

圖6 斜撐桿式施工桁架平臺的整體屈曲模態

從工程經驗角度，桁架平臺最小載荷因子為7.6，在模態51處。最小載荷因子大于3.0 倍實際荷載，故可認為結構構件在受荷狀態下很難屈曲失穩。但在計算中發現斜撐桿支承形式桁架平臺下弦邊緣存在多根桿件出現應力集中的問題，強度部分超限，但不影響桁架結構整體承載性能，桁架平臺仍然穩定。

4 結論

本文通過對斜撐桿式桁架平臺腳手架進行有限元仿真模擬，通過對各桿件應力強度、平臺撓度的校核以及桁架平臺應力比與屈曲穩定的分析，證明SAP2000 軟件對于桁架平臺計算有效，并發現以下結論：

（1）斜撐桿式滑模施工桁架應力、撓度、屈曲穩定性都滿足工程規范要求，且該新型桁架平臺結構合理、經濟性好。

（2）斜撐桿式桁架結構在應力比分析中，桁架下弦邊緣四周雖有多根桿件出現應力集中，強度發生破壞，但不影響整體承載性能。