承插型盤扣式鋼管模板支架極限性能分析

摘 要：針對在公路現澆箱梁施工中，選用承插型盤扣式鋼管模板支架結構容易導致屈服破壞和屈曲失穩破壞現象產生的問題，對其進行極限承載力和穩定性研究。以具體公路建設項目為例，建立公路現澆箱梁承插型盤扣式鋼管模板支架模型，計算立桿承載力，研究穩定性，對支架力學性能進行建模與分析。在此基礎上，分析節點剛度對支架極限承載力、穩定性影響和支架桿件布置對極限承載力、穩定性影響。根據得到的分析結果，對承插型盤扣式鋼管模板支架結構進行優化可以有效提高支架和箱梁整體的穩定性，盡可能避免屈服破壞和屈服失穩問題。

關鍵詞：公路現澆箱梁；承插型；盤扣式；鋼管模板

中圖分類號：U 41 " " " " 文獻標志碼：A

承插式盤扣模板支架具有應用面大和適用范圍廣等特點，在不受場地、地貌影響的情況下，在坡地和梯地等地勢環境中，只要選取適當的臺階間距和底部支撐高度，就能使其與地形相適應。因此，在應用中，可以按照不同項目的施工要求，搭建各種形式和功能的臨時支承結構。與其他大型建筑結構的支架相比，現澆橋箱梁的支架承載力需求更高，施工高度也較高，因此，必須采用強度大、穩定性高的盤扣式系列進行支架設計[1]。

現澆箱梁施工的成敗，直接影響整體結構的承載力和穩定性。在深入工程相關領域的研究中發現，現澆箱梁大多具有大跨度和高凈空等特點，當現澆箱梁高度＜20m時，采用滿堂支架的施工方式經濟性更強，當現澆箱梁高度＞20m時，采用由支撐樁、貝雷梁和支座等組成的跨越式支架具有更好的經濟性[2]。在大型、復雜的施工項目中，盤扣式腳手架正在逐漸取代碗扣式支架，已成為目前市場上的主要支撐系統。在工程項目中，為發揮盤扣式支架更高的價值，本文將在研究中，以某公路項目為例，對支架結構在極限條件下的穩定性和承載力進行研究。

1 項目實例

以某個正在施工的公路項目為例，此公路為高速公路項目，公路所在地的整體地形環境較為復雜，其中橋隧比例相對較高，工程項目直線段的橋梁部分采用“T”形簡支梁進行架設[3]。在施工中，考慮工程匝道位置的主橋梁斷面呈現擴大趨勢且匝道斷面呈現曲線，因此，在工程現場，只能采用支架現澆的方式進行施工[4]。

根據本文研究需求，將公路橋梁中的匝道作為研究對象，對施工中支架結構的力學性能進行分析，在分析中，應明確橋梁匝道為多跨的現澆混凝土簡支結構，對研究段的基本情況進行分析，見表1。

匝道立面圖如圖1所示。

在此基礎上，考慮本文研究的公路現澆箱梁混凝土體積較大，因此，在施工后采用先澆筑腹板與底板、再澆筑頂板的方式進行施工。當澆筑時，當腹板與底板強度超過70%時，對頂板進行施工。過程如圖2所示。

2 支架力學性能建模分析

2.1 公路現澆箱梁承插型盤扣式鋼管模板支架模型

為更直觀地對支架力學性能進行分析，使用MIDAS/Civi1軟件，構建模板支架模型。在此過程中，應明確MIDAS/Civi1軟件是一種通用性較強、適用范圍較廣的有限元軟件。與ANSYS這類FED軟件相比，MIDAS/Civi1軟件的人機界面可以展示得更直觀，特別是軟件中的“激活”、“鈍化”和“消影”等指令，可以極大地提高空間多胞構件的幾何造型效率[5]。因此，本項目擬采用MIDAS/Civi1軟件，將一步距離內的兩根豎桿作為一個單元，將節點間的兩個節點作為一個節點，構建鋼管模板支架模型。

建模過程包括選擇單元→生成本構模型→設置邊界條件→設計荷載條件→操作界面生成有限元模型。其中本構模型的設計參數見表2。

參照上述方式，設置邊界條件和鉸接約束方式，對結構進行約束[6]。同時，根據支架施工中的技術規范與混凝土自重，對模型中相關參數條件進行設計，完成上述相關內容與參數設計后，點擊界面生成按鍵，即可生成支架模型。

2.2 立桿承載力與穩定性計算

根據有限元模型的設計參數，計算立桿軸力設計值，當忽略施工現場風荷載時，計算立桿結構的承載力如公式（1）所示。

N1=1.2∑NGK+1.4∑NQK " " "（1）

式中：N1為忽略施工現場風荷載條件下的立桿結構承載力；NGK為恒荷載作用下的軸向力總和值；NQK為活荷載作用下的軸向力總和值。

在此基礎上，計算考慮施工現場風荷載時的立桿結構承載力值，如公式（2）所示。

N2=1.2∑NGK+0.9×1.4∑NQK " " （2）

根據上述公式，計算忽略施工現場風荷載和考慮施工現場風荷載時的立桿結構穩定性，如公式（3）、公式（4）所示。

（3）

（4）

式中：f1為忽略施工現場風荷載時的立桿結構抗彎強度（用于描述立桿結構穩定性，f1越大，證明立桿結構穩定性越強，f1越小，證明立桿結構穩定性越弱）；N為立桿軸向力設計值，kN；A為立桿截面有效面積，cm2；φ為立桿中心件在受壓條件下的穩定性系數；f2為考慮施工現場風荷載時的立桿結構抗彎強度；M為風荷載產生的立桿彎矩；W為立桿結構長細比。

參照上述方式，可以計算立桿承載力與穩定性。

3 節點剛度對支架極限承載力和穩定性影響分析

以上述公路現澆箱梁承插型盤扣式鋼管模板支架為研究對象，向其施加的施工荷載取值設置為4.5kN/m2，將風荷載設置為1.20kN/m2[7]。混凝土濕重載荷為一跨箱梁的全質量，現澆箱梁在墩頂、腹板、空箱位置以及變截面處，在不同位置的混凝土荷載有所不同，箱梁荷載見表3。

結合公路現澆箱梁承插型盤扣式鋼管模板支架施工規范要求可知，盤扣節點位置上的抗彎剛度為40kN·m/rad和86kN·m/rad。對連接件在不同橫向拉力下的彎曲試驗與有限元進行仿真，計算當節點彎矩未超過200N·m時，節點剛度的取值可控制在200kN·m/rad～30kN·m/rad。計算當節點彎矩為200N·m～600N·m時，半剛性節點轉動剛度的取值可控制在9kN·m/rad～11kN·m/rad[8]。計算當節點彎矩gt;600N·m時，半剛性節點轉動剛度的取值可控制在2kN·m/rad～

6kN·m/rad。在實際應用中，當結點彎矩gt;600N·m時，盤扣、插銷、鎖頭和豎桿等都已到達屈服，因此要把節點彎矩控制在600N·m以下。表4中記錄了不同的節點剛度條件下支架的最大應力。

當對承插型盤扣式鋼管模板支架在節點取半剛性剛度進行靜力計算時，支架上的最大拉應力出現在橫桿上。隨著節點位置上剛度不斷減少，支架的最大拉應力逐漸增加。支架的最大壓應力出現在立桿位置上，隨著節點剛度的不斷減少，支架的最大拉應力也逐漸減少。結合上述分析得出，承插型盤扣式鋼管模板支架節點剛度對支架的承載力有極大影響。當立桿的軸力出現較大變形時，部分荷載能夠通過橫桿和節點將力傳遞到周圍的立桿上。節點能起到較好分配立桿荷載的作用。隨著節點剛度的變化，分配荷載的能力也會發生改變。通常情況下，節點剛度越小，分配荷載的能力越弱，支架立桿在軸向上產生的應力越大；反之，同理。

4 支架桿件布置對極限承載力和穩定性影響分析

為分析支架桿件布置對極限承載力和穩定性影響，結合MIDAS，建立橫向、縱向立桿間隔距離相同的承插型盤扣式鋼管模板支架，對架體進行壓載仿真模擬。支架架體有限元模型結構圖如圖3所示。

采用鉸接的方式對支架架體底部進行約束，在支架的立桿頂部，分別施加1kN的單位力。支架半剛性節點的剛度設置為20kN·m/rad。在遵循單一變量原則的條件下，研究支架桿件布置對極限承載力和穩定性的影響。當進行屈曲分析時，選取10階屈曲失穩模態的臨界荷載，并繪制不同立桿間隔距離條件下的架體失穩臨界荷載變化曲線圖，如圖4所示。

對圖4中的4條折線變化進行對比分析，結果表明，在不同的立桿間隔距離條件下，隨著屈曲模態數目增加，臨界失穩荷載呈現遞增的趨勢。隨著立桿間距增加，架體的失穩臨界荷載逐步減少。結果表明，當豎向拉桿與拉桿間的距離為0.9m時，拉桿的極限承載力最大，當拉桿與拉桿間的距離為1.8m時承載力最小。結果表明，在豎桿間距為1.2m、1.5m的情況下，在0m與1.8m的位置上，荷載處于臨界范圍內，會導致框架失穩。對最易發生破壞的一階振型，隨著豎桿間距增加，框架的極限荷載的變化幅度基本不變。每0.3m，框架的極限荷載減少2kN～3kN。綜合分析結果，立桿間隔距離對承插型盤扣式鋼管模板支架的穩定性影響很大，在大荷載作用下，可采用加拉筋的方法改善穩定性。按照上述分析邏輯也可以證明，頂托的伸長量、斜桿位置以及橫桿步距均會對承插型盤扣式鋼管模板支架穩定性產生影響。橫桿步距對盤扣滿堂支架的穩定性有很大影響，支架的臨界荷載會隨著立桿的間隔距離減少呈現非線性增加，減少橫桿步距可有效提高盤扣滿堂支架的穩定性。增加斜桿的數量，相應的承插型盤扣式鋼管模板支架的穩定性將會得到提高。支架臨界荷載會隨著頂托伸長量的減少呈現非線性增加，在承插型盤扣式鋼管模板支架施工的過程中，可以通過減少頂托伸長量的方式，提高承插型盤扣式鋼管模板支架整體穩定性。當公路現澆箱梁施工時，為保證承插型盤扣式鋼管模板支架穩定性，需要對上述各項結構參數進行合理設計。

5 結語

在現澆箱梁結構的施工中，支架作為一種臨時性支撐體系，成本約占現澆箱梁工程總成本的30%，其中安裝和拆除支架模板的工時約占總工時的50%。由于支架是一種臨時支撐結構，因此，在支架的建造過程中，經常會因工程師對其缺失關注度，導致支架部件的材質不符合標準，從而造成施工現場管理混亂。國內支架的計算理論與設計規范不完善，因此設計后的支架結構經常出現倒塌事故，支架倒塌的危害性極大，一旦出現，會導致大量的人員傷亡。經過多年的創新和發展，目前市場內已形成多種類型、多種用途的現澆支架。然而，在工程施工中，腳手架技術革新迅速，使不同類型支架在工程項目中潛在的缺陷也日益凸顯，為避免市場份額不斷縮小，發揮盤扣式支架的更高商業價值，本文進行了研究。希望通過研究，能真正為支架結構的應用與推廣提供技術層面的指導。

參考文獻

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