盤扣式滿堂支架構件結構分析驗算

李宗霖

(安徽省路港工程有限責任公司，安徽 合肥 230022)

0 前 言

現澆箱梁作為公路橋梁中最為常用的結構形式，其施工過程中采用臨時支撐上部結構的滿堂支架是臨時設施中危險性較高的重要分部工程[1]。滿堂支架法施工具有快捷、靈活、經濟、適應性強等優點，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，支架的承載力及穩定性直接影響著施工安全及箱梁的質量[2-4]。如何較為準確進行支架受力分析是十分必要的。當前施工單位對現澆箱梁滿堂支架施工專項方案驗算主要有兩種常用計算方法：①MIDAS CIVIL有限元計算；②理論解析計算。本文通過某項目滿堂支架兩種方法進行結構驗算，對比兩種方法的驗算結果，總結一定經驗，為類似工程施工方案設計驗算提供一定參考。

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)。上部結構除第4聯采用鋼箱組合梁外，其余均采用預應力混凝土連續現澆箱梁。下部結構橋臺采用肋板臺，橋墩采用柱式墩，墩臺均采用鉆孔灌注樁基礎。本次計算取箱梁搭設架體最高約12.2 m的24.95 m跨現澆箱梁跨施工方案進行架體驗算。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，材質均為Q235B；豎直斜桿采用Φ48×2.5 mm鋼管，鋼材材質均為Q195；附加斜撐采用Φ48×3.5 mm，材質為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厚優質竹膠板，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；基礎采用20 cm厚C20素混凝土，基底持力層為經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

根據本工程概況及箱梁施工特點，支架驗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、機具、材料等)q3=2.5 kN/m2；④振搗混凝土時對水平模板產生的豎向荷載q4=2.0 kN/m2；⑤振搗混凝土時對垂直模板產生的水平荷載q5=4.0 kN/m2；⑥傾倒混凝土作用于模板的產生的豎向荷載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順橋向風載計算取按照0.7 kN/m2；橫橋向風載計算取1.0 kN/m2；⑨內模荷載q9=2.0 kN/m2。

荷載組合參照路橋施工計算手冊執行，其中荷載分項系數取值執行《建筑施工承插型盤扣式鋼管腳手架安全技術標準(JGJ T231—2021)》[5]。

4 有限元建模及邊界條件設置

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《建筑施工臨時支撐結構技術規范》(JGJ 300—2013)[6-7]輸入節點轉動剛度k=20 kN·m/rad。采用MIDAS CIVIL 2021建立現澆梁支架整體模型，如圖2所示。

圖2 滿堂支架有限元模型(單位：mm)

5 支架構件受力分析

根據荷載條件及材料特性取值，采用MIDAS CIVIL2021根據建立的整體支架模型并輸入相應荷載工況分析驗算。

5.1 竹膠板(t=15 mm)強度及剛度驗算

有限元結算結果由圖3可知主箱梁區域竹膠板最大組合應力σmax=1.32 MPa，由圖4可知竹膠板最大豎向撓度ωmax=1.77 mm，取組合應力相對應最大值位置(即箱梁實腹混凝土區域)進行模板理論計算，該區域方木間距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，按三跨連續梁進行計算。

圖3 竹膠板組合應力云圖

圖4 竹膠板變形云圖

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

5.2 方木強度及剛度驗算

有限元計算結果由圖5可知方木最大組合應力σmax=0.5 MPa，由圖6可知方木最大豎向撓度ωmax=3.31 mm。取組合應力相對應最大值位置進行理論計算，方木間距150 mm，跨度為1 200 mm，按三跨連續梁進行計算。

圖5 方木組合應力云圖

圖6 方木變形云圖

方木線荷載標準值：qk=45.5×0.15=6.83 kN/m，方木線荷載設計值：q=60.45×0.15=9.07 kN/m，最大彎矩設計值Mmax=0.1ql2=1.31 kN·m，最大彎應力設計值σmax=Mmax/W=7.83 MPa，最大撓度ωmax=0.677qkl4/(100EI)=1.54 mm。

5.3 10號工字鋼分配梁強度及剛度驗算

有限元計算結果由圖7可知10號工字鋼最大組合應力σmax=99.06 MPa，由圖8可知10號工字鋼最大豎向撓度ωmax=1.77 mm。取組合應力相對應最大值位置進行理論計算，工字鋼間距600 mm，跨度為900 mm，按三跨連續梁進行計算。

圖7 10號工字鋼分配梁組合應力云圖

圖8 10號工字鋼分配梁變形云圖

方木線荷載標準值：qk=6.83 kN/m，方木線荷載設計值：q=9.07 kN/m，其中方木傳遞給工字鋼的力為集中力，根據結構靜力手冊中簡支梁上荷載的最不利布置，最大彎矩設計值Mmax=3.3 kN·m，最大彎應力設計值σmax=Mmax/W=74.1 MPa，最大撓度ωmax=0.274 mm。

5.4 立桿強度、剛度及穩定性驗算

有限元計算結果由圖9可知立桿最大壓彎組合應力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計值Nmax=45.5 kN。分析取立桿受力最大位置(實腹混凝土區域)進行理論計算，計算長度依據《建筑施工承插型盤扣式鋼管腳手架安全技術標準(JGJ T231—2021)》取lo=2 m，λ=lo/i=2000/20.1=99.5，立桿穩定系數φ=0.479，穩定應力設計值σ=N/(φA)=166.4 MPa。

圖9 立桿組合應力云圖

圖10 立桿變形云圖

圖11 立桿軸力圖

6 結 論

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

2)承插盤扣式滿堂支架作為施工臨時設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算軟件建模計算。

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，對于增強及提高支架整體穩定性具有相當重要作用，必須嚴格按照規范及施工方案要求搭設。

4)本文所研究的內容為類似工程施工方案設計驗算提供一定參考，后續針對存在計算誤差原因將開展進一步研究。

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