索小永

（安徽工程大學(xué) 建筑工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

0 引 言

建筑工程中大量應(yīng)用鋼管支撐架，我國(guó)規(guī)定搭設(shè)高度超過(guò)8m屬于高支模，搭設(shè)方案需進(jìn)行專(zhuān)家論證［1］。但仍然會(huì)不斷發(fā)生高支模失穩(wěn)坍塌破壞，造成群死、群傷，給國(guó)民生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響，有些企業(yè)因?yàn)橐淮问鹿识归]或元?dú)獯髠Ｎ闹袑?duì)某10m深沉井頂板高支模多維建模，研究不同模型的巨大差異，探討其合適的分析模型。

1 工程概況

安徽省某泵站工程，地下采用10m深沉井，施工結(jié)束后，搭設(shè)模板支架澆筑沉井頂板，搭設(shè)高度9.8m，屬于高支模。我國(guó)規(guī)范要求支架在離地0.2m處，設(shè)縱、橫掃地桿拉通，并在此位置設(shè)水平剪刀撐，而此工程由于板底標(biāo)高變化，只能在離地0.4m處設(shè)縱、橫掃地桿拉通，在此位置設(shè)水平剪刀撐。

2 模型建立與分析

此工程高支模步距1.5m，立桿間距0.8m，立桿頂端外伸長(zhǎng)度0.4m，水平桿與四周井壁頂緊，采用φ48×36鋼管，計(jì)算分析時(shí)考慮鋼管銹蝕按φ48×3。

2.1 模型1

鋼管支架水平桿四周與井壁頂緊，假定立桿屈曲是在與水平桿連接處不發(fā)生側(cè)移，此時(shí)建模簡(jiǎn)單，空間問(wèn)題可以簡(jiǎn)化成平面問(wèn)題分析，建模如圖1所示。

圖1 無(wú)側(cè)移模型

圖中虛線(xiàn)為屈曲失穩(wěn)形態(tài)，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論［2］，有解析解，公式表達(dá)如下：

其中

式中：a——懸伸長(zhǎng)度；

l——兩鉸接點(diǎn)距離。

根據(jù)分析計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)u，可以用如下公式簡(jiǎn)化計(jì)算：

屈曲承載力

鋼管φ48×3，截面特性：

材料特性：

調(diào)整懸伸長(zhǎng)度a，按公式求其屈曲承載力并與有限元模擬結(jié)果對(duì)比，見(jiàn)表1。

表1 無(wú)側(cè)移模型公式計(jì)算與有限元模擬結(jié)果對(duì)比

從表1中可以看出：

1）鋼管支架承載力主要由穩(wěn)定決定的，鋼材強(qiáng)度高，穩(wěn)定設(shè)計(jì)是計(jì)算的關(guān)鍵。

2）有限元模擬結(jié)果與穩(wěn)定理論公式所求承載力十分接近，誤差不超過(guò)5%，通過(guò)經(jīng)典公式與有限元模擬對(duì)比，可以說(shuō)明有限元分析中建模過(guò)程及求解過(guò)程是正確的［3］。

3）公式計(jì)算和有限元分析都表明，隨著懸伸長(zhǎng)度增加屈曲承載力迅速降低，對(duì)其分析見(jiàn)表2。

表2 不考慮側(cè)移懸挑長(zhǎng)度變化對(duì)支架承載力影響

從表2可以看出，懸伸長(zhǎng)度從0.2m增加到0.4m，承載力降低約25%，工程中應(yīng)要嚴(yán)格控制支撐架懸伸長(zhǎng)度。

此模型分析，假定水平桿對(duì)立桿能夠提供不動(dòng)鉸支座的約束，在分析鋼管支撐架時(shí)，架體整體不發(fā)生側(cè)移。實(shí)際立桿與水平桿線(xiàn)剛度差別不大，立桿屈曲失穩(wěn)時(shí)，水平桿會(huì)跟著發(fā)生位移，并且水平桿與立桿間通過(guò)扣件連接，不是鉸接，節(jié)點(diǎn)能夠傳遞一定彎矩?？梢钥闯?，模型1是有局限性的，需要進(jìn)一步分析，考慮立桿與水平桿構(gòu)成空間整體情況。

2.2 模型2

空間建模［4］，鋼管采用BEAM188單元，材料特性：fy＝235N／mm2，E＝206×103N／mm2，水平桿與立桿連接處按半剛性連接，根據(jù)文獻(xiàn)［5］，取扣件擰緊力矩40N·m，水平桿與立桿連接處轉(zhuǎn)動(dòng)剛度19kN／rad。建模過(guò)程中做適當(dāng)簡(jiǎn)化處理，考慮對(duì)稱(chēng)性，在水平桿中部0.4m（立桿間距0.8m）施加相應(yīng)方向水平位移約束；立桿在中部0.75m（步高1.5m）施加約束，由于二分之一步高處有側(cè)移，故在這個(gè)位置約束住立桿豎向位移及水平轉(zhuǎn)動(dòng)，可以發(fā)生水平位移，所建模型及失穩(wěn)情況如圖2所示。

可以看出，考慮整體情況，水平桿參與建模時(shí)，立桿失穩(wěn)形態(tài)與模型1有很大差異，水平桿與立桿連接處，非不動(dòng)鉸支座發(fā)生了側(cè)移，水平桿對(duì)立桿轉(zhuǎn)動(dòng)有所約束（見(jiàn)圖2）。

分別對(duì)不同懸伸長(zhǎng)度進(jìn)行屈曲承載力分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3中可以看出：

1）考慮空間整體，有側(cè)移鋼管支架承載力遠(yuǎn)低于無(wú)側(cè)移鋼管支架，約為無(wú)側(cè)移鋼管支架承載力的30%，承載力大幅降低，采用模型1分析是不合適的。

2）模型2懸伸長(zhǎng)度從0.2m增加到0.4m，承載力降低約12.17%，模型1懸伸長(zhǎng)度從0.2m增加到0.4m，承載力降低約22.26%，有側(cè)移鋼管支架，隨懸伸長(zhǎng)度增加承載力降低速度低于無(wú)側(cè)移鋼管支架，但懸伸長(zhǎng)度增加對(duì)側(cè)移鋼管支架承載力影響不可忽視。

圖2 有側(cè)移簡(jiǎn)化模型2屈曲變形及受力情況

表3 考慮側(cè)移懸挑長(zhǎng)度變化對(duì)支架承載力影響

2.3 模型3

前面兩種模型分析看出，鋼管支架按有側(cè)移模型2分析結(jié)果合理，進(jìn)一步分析，根據(jù)實(shí)際情況取兩道水平剪刀撐之間距離建模，模型高度5.1m，步高1.5m，立桿上懸伸長(zhǎng)度0.4m，所建模型及立桿與水平桿彎矩圖如圖3所示。

從圖中可以看出，模型2與模型3在失穩(wěn)形態(tài)出入不大，模型2取模型3的一半進(jìn)行分析，假定底部不轉(zhuǎn)動(dòng)只可以平移，在模型2底部施加約束限制底端轉(zhuǎn)動(dòng)，此種假設(shè)從模型3失穩(wěn)形態(tài)及彎矩圖中看出是有出入的，模型3顯示出模型2的底部發(fā)生水平位移，按模型2假設(shè)，模型3在模型2所對(duì)應(yīng)位置應(yīng)是彎矩最大，呈現(xiàn)出簡(jiǎn)支梁受均布荷載跨中彎矩圖形態(tài)，即此位置不轉(zhuǎn)動(dòng)，而模型3在此點(diǎn)彎矩并非最大，可見(jiàn)有一定轉(zhuǎn)動(dòng)，說(shuō)明模型2的建立過(guò)程中在約束上加大了鋼管支架的剛度，承載力會(huì)高于模型3，數(shù)據(jù)顯示模型2懸伸長(zhǎng)度0.4m，立桿屈曲承載力18 107N，模型3懸伸長(zhǎng)度0.4m，立桿屈曲承載力13 853N，與模型2比較，承載力降低23.5%。

圖3 有側(cè)移簡(jiǎn)化模型3屈曲變形及受力情況

另按文獻(xiàn)［6］估算模型3懸伸長(zhǎng)度0.4m，在設(shè)計(jì)時(shí)的承載力：

設(shè)計(jì)承載力與按模型3模擬出來(lái)的結(jié)果比，降低5.3%，偏于安全。模型3建模方式是合適的，但鋼管支架在構(gòu)造上有豎向連續(xù)剪刀撐、水平剪刀撐、加強(qiáng)層等要求，在建模過(guò)程中均未反映出來(lái)，模型3還是存在大量簡(jiǎn)化及一定假設(shè)。另外，實(shí)際工程中桿件存在一定初始缺陷，應(yīng)進(jìn)行彈塑性穩(wěn)定分析，求其極限承載力，極限承載力在分析中會(huì)比彈性屈曲承載力略有降低。下一步對(duì)鋼管支架研究，應(yīng)從構(gòu)架措施考慮及彈塑性穩(wěn)定極限承載力方面入手，了解鋼管支架的力學(xué)行為［7－8］。

3 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)鋼管支架在建模方面進(jìn)行探討，經(jīng)過(guò)不同模型對(duì)比，以及與理論計(jì)算結(jié)果比較，得到如下結(jié)論：

1）鋼管支架按無(wú)側(cè)移建模分析是不合適的，過(guò)度高估了鋼管支架的承載力。

2）懸伸長(zhǎng)度對(duì)鋼管支架承載力有重要影響，雖與無(wú)側(cè)移比其承載力降低要慢一些，但不可忽視，搭設(shè)中要控制鋼管支架懸伸長(zhǎng)度。

3）鋼管支架應(yīng)整體建模進(jìn)行分析，傳統(tǒng)的簡(jiǎn)化固定端、鉸支座或滑動(dòng)支座等架設(shè)會(huì)人為的增加結(jié)構(gòu)剛度，且其影響不可忽視。

4）鋼管支架受力模型不同于我們傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)，施工中屬于臨時(shí)支護(hù)，對(duì)其研究要結(jié)合實(shí)際，思路要改變。

［1］佚名.JGJ 130－2011.建筑施工扣件式鋼管腳手架安全規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1991.

［2］陳驥.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論［M］.2版.北京：科學(xué)出版社，2003：37－40.

［3］佚名.GB 50017－2003.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

［4］王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［5］陳志華，陸征然.鋼管腳手架直角扣件剛度的數(shù)值模擬分析及試驗(yàn)研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2011，43（9）：101－108.

［6］佚名.GJ 130－2011.建筑施工扣件式鋼管腳手架安全規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1993.

［7］索小永.大型卸料平臺(tái)傳統(tǒng)算法與有限元模擬［J］.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，34（1）：81－85.

［8］施剛，劉釗，張勇，等.軸心受壓等邊角鋼構(gòu)件局部穩(wěn)定受力性能隨鋼材強(qiáng)度變化規(guī)律的研究［J］.工程力學(xué)，2012，29（8）：129－135.