连续现浇箱梁承插型盘扣式满堂支架的数值分析与基础验算

连续现浇箱梁承插型盘扣式满堂支架的数值分析与基础验算

戴洲游

430529198*****2359  湖南省长沙市  410000

摘  要：针对某实际工程中三联连续现浇箱梁的承插型盘扣式钢管支架施工，采用有限元软件Midas/Civil建立模型，进行承插型盘扣式满堂高支架的数值分析、门洞设计、支架基础承载力验算，分析了该支架各构件的强度、刚度和稳定性，结果满足规范要求。结合现场沉降变形的监测数据，数值模拟可靠。最后给出承插型盘扣式支架施工工艺的控制要点，可为今后同类工程支架设计、验算及施工提供参考和借鉴。

关键词：盘扣式满堂支架；连续箱梁；数值分析；承载力验算

承插型盘扣式模板支架由于其使用成本相对较低、构造简单、安装方便、承载力大等优势，近几年来广泛用于建筑物、结构物、桥梁工程等的支撑结构体系[1-2]。目前，大量的理论和试验研究成果指出，承插型盘扣式模板支架具有较高的承载力，整体刚度好，能满足大跨度模板支架体系设计要求[3-6]。周继忠等[7]指出立杆是架体的主要受力杆件，最大应变都出现在立杆上.，应加强立杆的进场检测与现场监测。王凝等[8]指出Φ60型盘扣架连接节点合理楔紧度范围取最大插销下沉量的 75%-90%，节点初始抗扭刚度值取 80.9-100.6kN·m/rad。明晓丹[9]通过对对北京大兴国际机场航站楼现场模架进行实时无线数据监测，立杆、连杆的最大应力是水平杆的3-10倍且受力状态与混凝土浇筑情况直接相关。承插型盘扣式支架改变了传统支架的各横杆、立杆、斜杆等节点拼装搭接方式，其强度、刚度、稳定性仍有待进一步验证与分析，本文基于某高速公路三联共77m的车行天桥的承插型盘扣式模板支架施工与监测，可为盘扣式钢管承重支架的工程实践和有关规程的修订提供参考。

1 设计方案及参数选取

1.1支撑体系的选取与设计

某高速公路车行天桥为预应力混凝土变截面箱梁，桥跨布置为：(20+32+20)m，桥面宽5.5m=0.5m(防撞墙)+4.5m(行车道)+0.5m(防撞墙)，采用承插型盘扣式钢管支架A型，管型规格为φ60×3.2mm，材质为Q235A型钢，箱室下支架采用立杆横向间距×纵向间距×横杆步距为90cm×120cm×150cm的布置形式，横梁下加密间距采用60cm，脚手架外侧沿纵向连续布设剪刀撑，且纵向连续布置，倾斜角严格控制在45~60度之间，并应在架体内部区域每跨设置由底至顶竖向剪刀撑，沿高度每隔4个标准步距设置水平层剪刀撑，顶托上顺桥向铺设12#a工字钢，次分配梁采用12×10cm木方，中心间距采用30cm。门洞宽4.5m，高5m，采用0.6m×0.5m的C30条形基础，基础钢管位置预埋t=10mm，φ500×10mm螺旋钢管柱，横向柱顶40a工字钢，纵向40a工字钢，铺设1cm高强竹胶板。其满堂支架横向布置图如1所示。

图1  支架布置

1.2 支撑材料的参数选择

根据文献[10]以及其他相关文献数据，各计算分析所用材料的应力、弹性模量参数选择如表1所示。

表1 钢管、钢材等材料计算参数

2  基于数值模拟的满堂支架稳定性分析

2.1荷载参数的选取

为简化计算，分析时忽略各构件的初始缺陷，不考虑初始弯曲，模板支撑架的底端固结，不产生水平和竖向的位移，立杆、水平杆采用梁单元模拟，斜杆采用桁架单元模拟，立杆与其他杆件连接为半刚性连接，支架顶部与分配梁、分配梁与方木、方木与竹胶板之间采用弹性连接模拟，不考虑模板刚度及方木刚度的影响，计算模型中荷载的分项系数按规范取定。计算工况取混凝土一次性浇筑为最不利荷载。根据文献[10]，各荷载计算及组合系数如表2所示。

表2 盘扣式支架体系计算荷载作用组合

2.2 有限元分析数值模型的建立

采用Midas

/Civil建立有限元整体计算模型，竹胶板采用板单元建立，其余构件均采用梁单元计算，共计7065个节点，12649个梁单元，1464个板单元，构件之间均采用弹性连接进行连接，横杆、水平杆与立杆间采用释放梁端约束模拟连接作用，脚手架底部采用一般支撑，翼缘板荷载采用压力荷载分区加载，腹板以及顶底板荷载通过线荷载施加在纵向工字钢上。

图2 有限元计算模型

2.3 承插型盘扣式支架的强度验算

2.3.1立杆的强度验算

立杆是满堂支架重要的传力构件，根据文献研究[1,2]，支架的倾覆、局部失稳都与立杆的强度有关，按照文献[10]第5.3.2条的要求，立杆计算长度取下式中较大值：

                                    (1)

                               (2)

其中：为支架立杆计算长度(m)。为支架可调托座支撑点至顶层水平杆中心线的距离(m)。为整体步距，取最大值(m)。架体顶层步距(m)，宜比最大步距减小一个盘扣的距离。为支架立杆计算长度修正系数，水平步距为0.5m或1m时，可取1.5，水平杆步距为1.5m时，可取1.05。悬臂端计算长度折减系数，可取0.6。立杆长细比：，查文献[10]附录C得轴心受压构件的稳定系数φ=0.591。

2.3.2 门洞的强度验算

过车门洞除了承受上部的荷载影响，还会受地表沉降的影响，本设计门洞采用条形基础，沉降量取0.05mm，支架体系在施工过程中产生沉降表征为钢管立柱在轴力作用下产生竖向位移。 利用有限元模型分析在轴力作用下的钢管竖向位移变形以及作用力，承重梁与立柱的弯矩、轴力、变形均满足材料性能要求。

图3 组合作用下的应力云图(MPa)

图4 组合作用下的剪应力图(kN)

2.4 承插型盘扣式支架的稳定性验算

2.4.1 立杆的稳定性验算

满堂支架结构在施工过程中的安全性与当地风荷载大小情况有关，其最不利状态为模板安装完毕，钢筋安装前，此时支架自重小，整体稳定性最差，根据文献[10]第4.2.3第3条规定水平风荷载标准值按下式计算：

                                  (3)

其中，为风荷载标准值(kN/m2)，为风压高度变化系数，按附录A中B类地面粗糙度内插为1.00，为风荷载体型系数，竖直面取0.8。为基本风压，取0.45 kN/m2。

(a)

(b)

图5 立杆轴力的标准值(kN)：(a)恒载，(b)活载

其最不利风载时，轴力值如图4所示，按照文献[10]不组合风荷载时，轴力组合为：

                 (4)

根据文献[10]，支架按组合风荷载时，轴力组合为:

                     (5)

                           (6)

2.4.2 门洞的稳定性验算

门洞受上部荷载以及基础沉降的影响，其钢管桩为压弯构件，根据文献[10]，稳定性按式(7)计算。

                    (7)

其中，N为轴心压力，为轴心受压稳定性系数，A为截面面积，为等效弯矩系数，为计算构件范围内的最大弯矩，为截面塑性发展系数，取1.15。为截面模量，。

2.5 承插型盘扣式支架的整体刚度验算

标准组合下，支架整体的竖向变形最大值应小于L/400，该支架竖向挠度满足刚度要求。

图6 支架整体竖向变形图(mm)

2.6 承插型盘扣式支架的地基承载力计算

根据文献[10]，满堂式支架结构应对地基承载力进行计算，立杆基础底面地基的平均压应力应满足下式要求：

                                  (9)

其中，为立杆传至基础顶面的轴力标准值(kN)，为地基承载力特征值(MPa)，为立杆基础底面积(m2)，，。

图7 立杆标准组合反力图(kN)

3施工控制与监测

3.1施工控制要点

(1)支架范围内地基，其地基承载力不小于250kPa，不满足换填0.6m片石。检测合格后在已处理平整、压实的地基基础上浇筑一层20cm厚的C20混凝土垫层以方便支架的搭设及排水，桥梁投影外延50cm内均硬化，外侧设置一条30cm×30cm的排水沟。

(2)利用全站仪校核门洞钢立柱的垂直度，偏差超过1/500需在底部放置楔形钢板，在预埋的柱脚锚栓与钢立柱底部法兰进行连接完成后，将钢立柱底部法兰与预埋钢板的空隙采用灌浆料浇筑密实，保证钢立柱的底部平整。管柱的拉结杆应采用不低于16#槽钢并焊接为“井”字形拉结墩柱。

(3) 立杆位置布设底托，底托安放在砼表面上且布设完成后统一调整高度，可采用全站仪结合带线的方法。支架立杆为轴心受压构件，安装时垂直度不得超过 1‰，杆件不得存在弯曲、锈蚀、扣件脱落等瑕疵。每层搭设高度不宜大于3m；每搭完一步架体后，应校正水平杆步距、立杆间距、立杆垂直度和水平杆的水平度。

(4) 竖向剪刀撑两个方向的交叉斜向钢管宜分别采用旋转扣件设置在立杆的两侧，与地面的倾角应在

45°-60°之间，每步应与交叉处立杆或水平杆扣接，剪刀撑杆件接长应采用搭接，并应采用不少于2个旋转扣件扣紧，且扣件扭紧力矩应为40-65N·m。

3.2支架沉降监测

(1)支架验收完成后，应进行支架预压，可以在钢管支架上贴棱镜反射片的形式进行水平位移观测，每孔现浇支架分别在梁端、1/4跨径处、跨中分别设置5个水平位移观测点。支架的沉降观测则采用在底模上挂尺，地基沉降观测通过在现浇支架地基上设置水准观测点展开。利用水准仪测量每孔现浇支架的梁端、1/4跨径处、跨中的5个位移观测点的沉降值。

(2)一般在支架预压前读取初始读数，预压阶段第一天每2h观测一次，第二天之后每6h观测一次，一直观测3d；卸载按卸载程序进行观测；混凝土浇筑过程中每1h观测一次，直至混凝土浇筑完成。

图8 支架沉降实测值与模拟值对比

由图8可知，有限元分析结果和实测值相差较小，两者误差在 10%以内，且总体趋势接近，说明模拟合理准确。也验证了该现浇梁支架法施工的可行性。

4结语

本文基于跨高速行车天桥的承插型盘扣式满堂支架的设计与监测分析，得到如下结论：

(1)该设计中所采用的支架布置形式合理可行，支架中的立杆最大强度186.3MPa，门洞最大强度值125.29MPa，均小于容许应力值300MPa。

(2)该支架具有良好稳定性，整体抗倾覆稳定性系数为11.5，立杆的稳定性以及门洞的稳定均满足要求，说明承插型盘扣式支架在连续箱梁施工中的可行性。

(3)支架刚度在允许范围内，其最大变形值为6.25mm，符合规范要求，根据监测点数据，数值模拟与监测值相差不大于10%。地基承载力则宜大于150kPa。

(4) 数值分析对节点处采用的铰接连接进行简化，但实际应用中节点处的盘扣、插销、锁头和立杆之间发生了一定的塑性变形和相对滑移容易引起过大的节点弯矩，造成连接件的失效，要优先选用良好的构件。

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