高大模板支撑体系稳定承载力数值分析——基于桥梁工程施工

陈 铖 雷宁秋 刘剑飞 周雨梅

(1.湖南省高铁运行安全保障工程技术研究中心 湖南铁路科技职业技术学院 湖南株洲 412006；2.湘潭大学土木工程与力学学院 湖南湘潭 411105)

0 引言

城市的发展离不开各方面需求的递增和进步。随着我国基础建设的蓬勃发展，各种大跨径、大截面的模板工程日益增多，在施工现场，高支模系统的应用越来越频繁。高大模板支撑体系，其中由扣件连接件、杆件及顶托等构件组成的承插型盘扣式钢管脚手架，是最为常见的一种高大模板搭设支撑形式。因为其构造形式简单、材料运输便捷、安装拆卸灵活、搭建成本低等原因，在城市桥梁工程施工中得到广泛应用[1]。但是，高大模板支撑体系的安全风险大，倘若项目设计阶段及施工阶段管理不完善、现场监测方案不合理，则将导致高大模板支撑体系荷载作用过大，发生大变形或过大位移，从而诱发其内部构件或构件之间联接件失效，体系发生局部坍塌或整体倾覆，引起极其不良的社会影响[1-6]。

目前，针对承插型盘扣式钢管脚手架支撑体系的稳定性研究，主要集中在支撑体系设计方案的制定以及搭设材料的属性等方面。因为设计理论、结构特性、工作特性等方面不同，国内学者季三荣[3]、曾志兴[4]等人，在分析了近些年承插型盘扣式钢管支撑体系坍塌事故发生的缘由后，又进一步总结了钢管脚手架高支撑体系稳定承载力的主要影响因素，推动了高大模板施工技术的发展。并且，在高大模板支撑体系的监测技术方面，也创新了许多先进的监测方法、监测技术和监测设备，全方位、全过程地监测施工过程中支撑体系的变形和稳定承载力[5]，对降低事故发生率，减少不良社会影响起到了非常关键的辅助作用。

湘潭市岳塘区河东滨江风光带(二期)项目龚家浸大桥主体结构采用现浇预应力混凝土连续箱梁，桥梁施工拟采用承插型盘扣式钢管脚手架高大模板支撑体系保障桥梁工程顺利实施。本文藉此建立了承插型盘扣式钢管脚手架高大模板支撑体系的三维数值模型，利用有限元软件ANSYS系统，分析了该桥梁施工过程承插型盘扣式钢管脚手架的水平杆搭设步距、立杆间距、剪刀撑布置方式、上部脚手架立杆高度等参数变化对整体承载力的影响规律，分析比对后，提供优化设计方案，提高了项目经济收益，为项目施工提供了有利的技术支撑。

1 工程概况

湘潭市河东滨江风光带(二期)项目龚家浸大桥，为上跨龚家浸的三跨双幅现浇预应力混凝土连续箱梁，桥跨组合为(30+45+30)m。全桥采用高大模板现浇预应力混凝土施工，承插型盘扣式钢管满堂脚手架搭设高大模板支模体系，如图1所示。该高大模板支撑体系承受箱梁自重q1=29.95kPa，模板自重q2=1.2kPa，施工人员、材料、机械q3=1.0kPa，振捣混凝土荷载q4=2.0kPa，架体自重q5=9.6kPa。

图1 承插型盘扣件式钢管脚手架高大模板支撑体系搭设

2 有限元分析

2.1 有限元模型建立

承插型盘扣式钢管脚手架支撑体系，是一种多层多跨的特殊空间框架体系，由立杆、横(纵)向水平杆、竖向(水平)剪刀撑、底座、顶托以及各种扣件组合而成，如图2所示。本文所建有限元模型，假定立杆支座底部与地面铰接；立杆顶部为自由端；水平杆与立杆连接处的扣件视为半刚性连接，且不考虑连接节点的偏心作用；钢材为理想弹塑性材料，且不考虑杆件截面翘曲及剪切效应，本构关系服从Von Mises 屈服准则；荷载施加在立杆顶端，方向为水平方向。各立杆所承受的轴力分布图如图3所示。假定各立杆轴力分配可类比框架柱进行计算，根据各杆受荷面积不同，可分为中间杆、边杆和角杆3种形式，各杆件上部所受的均布荷载转化为集中荷载进行计算。通过换算可得，角杆、边杆和中间杆所受荷载依次为：3.95kN、7.87kN和15.75kN。

图2 承插型盘扣件式钢管脚手架数值模型示意图

图3 立杆受荷分布示意图

2.2 单元选取

利用ANSYS软件中APDL语言编制了相应的源代码，实现了承插型盘扣式钢管脚手架高大模板支撑体系的可视化操作。模型为一个三维的有限元模型，把立杆和水平杆视作杆件单元，采用管单元Pipe16模拟；将剪刀撑视为连接单元，采用连接单元Link8模拟；将水平杆和立杆间连接扣件视为弹簧单元，选用接触单元Combin39模拟。模型长度取14.4m，宽度取12.0m，高度取10.8m。立杆横(纵)向间距初始值为0.6m，水平杆件初始步距取0.9 m。

2.3 直角扣件半刚性计算

对于承插型盘扣式钢管脚手架而言，在水平杆与立杆扣件连接处，其节点常被假定为铰接连接或者全刚性连接。但黄宝魁、徐崇宝[5-7]等人针对该直角扣件开展了一系列的试验研究，研究结果表明：连接处直角扣件具有半刚性，即直角扣件具有一部分转动刚度，能承受和传递弯矩，且该转动刚度大小与其本身质量及螺栓扭转力矩相关，基此提出了一个直角扣件弯矩M与角位移θ之间的表达式[5]：

(1)

其中n为形状参数，Rk1为直角扣件初始刚度，单位：kN·m/rad。

该试验考虑了5种不同的螺栓拧紧力矩T作用下(20kN·m、30kN·m、40kN·m、50kN·m和60kN·m)，直角扣件初始刚度和形状参数随螺栓扭转力矩的变化规律如图4所示， M-θ-T关系曲面如图5所示。

图4 直角扣件初始刚度和形状参数的变化规律

图5 M-θ-T关系曲线

2.4 有限元模型验证

建立有限元模型，运用特征值屈曲分析与非线性屈曲分析相结合的方法，可以计算出水平荷载作用下的钢管脚手架高大模板支撑体系特征值屈曲值、非线性屈曲值，以及最大侧向位移值，其荷载——位移曲线图如图6所示，本研究建立的承插型盘扣式钢管脚手架高大模板支撑体系的非线性屈曲值为17.8492kN，而该支撑体系处于最不利工况时其外加荷载只有15.75kN，小于17.8492kN，表明本研究所建模型的脚手架搭设方案满足龚家浸大桥施工安全性要求。

同时，由图6可知，随着荷载的不断增加，支撑体系的整体刚度逐渐降低，直至失稳，荷载达到极限值。此时支撑体系的有限元模型位移云图如图7所示。

图6 高大模板支撑体系荷载——位移曲线图

(a)整体位移云图

3 高大模板支撑体系稳定承载力分析

影响承插型盘扣式钢管脚手架高大模板支撑体系稳定承载力的主要因素，根据形成阶段的不同可分为两大类：一类为架体搭设的设计参数，另一类为架体搭设材料的初始缺陷。其中，架体搭设的设计参数主要包括：水平杆步距、立杆间距、竖向剪刀撑布置方式及上部脚手架立杆高度等；架体搭设材料初始缺陷包括：钢管的壁厚、直径及扣件的螺栓扭转力矩。本研究主要讨论架体搭设的设计参数对支撑体系稳定承载力的影响规律。

3.1 水平杆步距影响

为研究水平杆步距对承载力影响，分别考虑7种不同的水平杆步距，其值分别取为0.6m、0.75m、0.9m、1.0m、1.1m、1.2m和1.5m，保持其余搭设设计参数不变，高大模板支撑体系的稳定承载力计算结果如图8所示。

图8 水平杆步距-稳定承载力的关系曲线

从图8可知，当横纵立杆间距保持不变，随着水平杆步距的增大，该支撑体系的整体稳定承载力呈现明显下降趋势，且下降幅度基本稳定在15%～25%之间。研究结果表明：水平杆步距对支撑体系的整体稳定承载力影响较大。综合考虑安全性和经济性原则，建议水平杆步距宜小于0.9m。

3.2 横纵立杆间距的影响

本研究构建的承插型盘扣式钢管脚手架支撑体系，其立杆和水平杆步距初始搭设方式为0.6m×0.6m×0.9m，现保持水平杆步距不变(0.9m)，改变立杆在横向和纵向上的间距，分别考虑以下6种情况：0.6m×0.6m、0.75m×0.75m、0.9m×0.9m、1.0m×1.0m、1.2m×1.2m和1.5×1.5m，其稳定承载力计算结果如图9所示。

图9 横纵立杆间距-稳定承载力的关系曲线

计算结果表明：该支撑体系稳定承载力随着立杆间距增大而降低，变化规律基本上呈线性下降，对于实际工程而言，适当调整立杆间距，可提高施工效率。因此，该项目的承插型盘扣式钢管脚手架支撑体系中的立杆搭设间距可选用0.9m×0.9m。

3.3 竖向剪刀撑的影响

根据竖向剪刀撑布置跨度及布置位置的不同，本研究考虑以下7种布置情况，布置跨度有2种情况：一种为三步三跨，另一种为四步四跨。布置位置有3种情况：第一种是布置在整个支撑体系四周；第二种是在第一种布置的基础上，在支撑体系内部中心位置，分别在横向和纵向增设一道竖向剪刀撑，在体系中部形成一个十字形，即在横纵方向上分别设置3道竖向剪刀撑；第三种是在第二种布置基础上，在支撑体系内部再分别增设一道竖向剪刀撑，在体系内部形成一个井字形，即在横纵方向分别布置了4道竖向剪刀撑。竖向剪刀撑布置方式及支撑体系的整体稳定承载力计算结果如表1所示。

表1 竖向剪刀撑布置方式及支撑体系整体稳定承载力计算情况

由表1可知，随着竖向剪刀撑布置密度的增大，该项目所采用的高大模板支撑体系的整体稳定承载力逐渐增大，但三步三跨式比四步四跨式更加合理，其支撑体系的整体稳定承载力更高，增加幅度在37%～44%之间。

该支撑体系若未布置竖向剪刀撑，其承载力仅为11.8993kN，与四步四跨式情况相比，其承载力至少降低近50%。若保持竖向剪刀撑布置位置不变，只比较布置方式不同，发现采用三步三跨式(四周布)比采用四步四跨式(四周布)，支撑体系的稳定承载力提高37.10%。同样，采用三步三跨式(四周+十字形)比采用四步四跨(四周+十字形)，支撑体系的稳定承载力提高38.03%；采用三步三跨式(四周+井字形)比采用四步四跨式(四周+井字形)，支撑体系的稳定承载力提高43.73%。若保持竖向剪刀撑的布置跨度不变，采用三步三跨式(四周+井字形)比三步三跨式(四周+十字形)和三步三跨式(四周)，其稳定承载力分别提高9.36%和24.11%；采用四步四跨式(四周+井字形)比四步四跨式(四周+十字形)和四步四跨式(四周)，其稳定承载力分别提高5.03%和18.67%。由以上分析可知，在承插型盘扣式钢管脚手架高大模板支撑体系内部布置一道十字形的竖向剪刀撑，对于提高其整体稳定承载力非常有效。

3.4 上部脚手架立杆高度的影响

上部脚手架立杆高度对支撑体系的整体稳定承载力也存在一定影响，如图10所示。计算结果表明，随着上部脚手架立杆高度的增加，支撑体系稳定承载力呈现线性下降趋势，且变化幅度较大。当上部脚手架立杆高度超过450mm，支撑体系呈现失稳状态，其稳定承载力已经无法满足安全要求，与扣规中规定架体上部脚手架立杆高度不应超过500mm相吻合。

图10 上部脚手架立杆高度与稳定承载力关系

4 结论

本文运用理论分析结合数值模拟的方法，对龚家浸大桥施工中承插型盘扣式钢管脚手架高大模板支撑体系的稳定承载力问题进行研究，建立了三维承插型盘扣式钢管脚手架高大模板支撑体系的半刚性节点有限元模型，从脚手架搭设设计方面入手，分析了支撑体系整体稳定承载力的影响规律。研究结果表明：

(1)ANSYS有限元软件能很好地模拟桥梁工程施工中承插型盘扣式钢管脚手架高大模板支撑体系的承载力变化过程，采用半刚性节点模型模拟立杆与水平杆连接处扣件，是一种非常好的非线性屈曲分析计算方法，其结果符合规范要求，合理可信。

(2)由脚手架搭设设计参数与支撑体系稳定承载力的关系曲线中可以看出，脚手架水平杆件步距、横纵杆件间距和顶部悬伸高度等参数的增加，都会降低其稳定承载力，而适当增加竖向剪刀撑的布置密度能有效的提高支撑体系的稳定承载力，该规律为工程设计提供参考。

(3)本研究结果为高大模板支撑体系监测工程应用提供了一定的参考价值，协助现场施工人员及时发现高大模板支撑体系异常变化，保证高大模板支撑体系在上部桥梁工程施工时的安全性。