超厚底板圆管截面临时支撑标准体系设计

2021-01-25李天娇王化杰钱宏亮

四川建筑 2020年6期

李天娇，尹飞，张晗，王化杰，钱宏亮

(哈尔滨工业大学(威海)土木工程系，山东威海 264209)

随着城市化进程的加快和土地资源的紧缺，超高层建筑成为建设的重点。超厚底板既是超高层建筑基础的主要部分，也是其结构构造的重点部位，这对超厚底板临时支撑结构的安全性和稳定性提出了更高的要求[1]。

圆管截面临时支撑结构形式与传统的扣件式脚手架相同，工程应用较多，技术相对成熟[2]，但其所用圆管一般取自施工现场，多为重复使用过的杆件，初始弯曲不可忽视。此外几何尺寸、支撑布置形式等也会对临时支撑的力学性能和稳定性产生影响，需要对该类临时支撑体系进行分析和优化设计。

本文以圆管截面超厚底板临时支撑结构为研究对象，对取自施工现场的圆钢管初始弯曲进行测量与统计，利用有限元软件分析初始弯曲对杆件轴压稳定性的影响；结合数值模拟结果，给出了圆管截面临时支撑标准体系的设计方案和两种双榀斜撑布置方案，并通过有限元分析验证两种斜撑布置方案的稳定性，为其进一步研究提供了参考。

1 圆管截面临时支撑体系模拟分析

1.1 圆管初始弯曲测量与统计

在圆管截面临时支撑体系中，所用圆钢管杆件的初弯曲缺陷是影响整体结构承载力的重要因素，需要对其初始弯曲值进行调研。圆管试件的初弯曲测量装置如图1所示，所需设备为钢化玻璃平板和高精度激光位移计。

图1 试验现场圆钢管初弯曲测量装置

测量时将试件两端平稳安放于支座上，试件纵轴与标准平台纵轴平行，使激光测距仪在目标测线下方缓慢匀速移动，直到测完图2所示4条测线上的所有测点，根据各测点与激光测距仪零点的距离，由式(1)可以计算得到试件各测点初始弯曲的理论值(图3)。

Δi=[hi-h0-(hm-h0)i/m]

(1)

图2 圆钢管初始弯曲测量示意

图3 圆钢管初始弯曲计算示意

为了获得钢管临时支撑杆件初弯曲的实际分布情况，在示范工程施工现场随机选取20根圆钢管进行测量，剔除杆件自重挠度的影响，由AC和BD方向的初弯曲值计算得到最大初弯曲，无量纲化处理得到初弯曲率。统计全部试件数据，最终得到图4所示圆管初弯曲最大值的概率模型。

图4 圆钢管试件初始弯曲统计

由图4可以看出，圆钢管最大初弯曲幅值为6.3 ‰，90 %圆钢管初弯曲幅值超过结构设计中1 ‰的初弯曲考虑值，初弯曲幅值95 %保证率的取值为6.2 ‰，与设计规范的1 ‰假定差别较大，因此在此类型临时支撑的模拟分析及设计中有必要考虑实际初始弯曲的影响。

1.2 圆管支撑轴压稳定性分析

为了确定圆钢管杆件初弯曲对其轴压稳定承载力的影响，采用实际工程超厚底板临时支撑常用杆件规格，圆钢管长度为3.3m，截面尺寸为φ84×3mm。分别对该种杆件添加0.2 ‰初弯曲(理想杆件)、1 ‰初弯曲(规范取值)和实测初弯曲，利用ANSYS进行有限元分析，两端铰接圆管杆件的Mises应力云图如图5所示，弱轴方向初弯曲荷载位移曲线和稳定承载力分别如图6、图7所示。

(a) 理想支撑应力云图

(b) 1‰初弯曲应力云图

图6 铰接圆管荷载位移曲线

图7 圆管杆件稳定承载力

2 临时支撑标准体系优化设计

由图5可以看出，支撑失稳破坏时杆件截面边缘均达到屈服应力。由图6、图7可以看出，采用规范计算方法得到的承载力为94.8kN，略小于ANSYS计算结果97.8kN，误差在3 %以内；相比于理想杆件承载力110.2kN，添加规范规定1 ‰杆件初弯曲承载力下降11.3 %，添加现场实测6.2 ‰杆件初弯曲承载力下降43.2 %。因此对圆管截面支撑的稳定承载力计算时应考虑实际杆件初弯曲的影响，建议构件轴压稳定系数φ乘以0.568的折减系数。

2.1 标准体系的优化设计

为了更好地为不同高度超厚底板临时支撑提供技术参考，根据斜撑布设形式的不同，设计了十字型和井字型两种不同临时支撑布设方案(图8、图9)。并根据有限元分析结果，考虑实际初弯曲影响后，采用规范方法对不同高度的超厚底板圆管截面支撑体系构件进行了设计，给出不同高度时十字型和井字型两种斜撑布置体系构件截面信息，如表1所示。

2.2 临时支撑体系方案整体稳定性验算分析

水平荷载往往是影响临时支撑体系稳定性的重要因素，为了考察所设计的临时支撑体系在水平荷载下的整体稳定性能，建立了可以考虑构件实际初弯曲的两种体系方案有限元模型，并对其进行整体稳定性验算分析。图10为两种方案在水平荷载作用下的变形云图，可以看出，十字型和井字型双榀斜撑模型在水平施工荷载作用下最大节点位移分别为7.7mm和5.6mm，模型整体稳定性较好，不会发生扭转破坏。

图11为两种方案模型的荷载位移曲线，可以看出，井字型布置斜撑的框架和十字型布置斜撑的框架承受最大水平力分别为350.2kN和221.2kN，两种模型均在顶部横梁偏移20mm左右发生水平抗侧移刚度下滑。井字型斜撑框架水平抗侧移刚度明显优于十字型斜撑框架水平抗侧移刚度，但二者均可满足安全要求，均可作为高层结构超厚底板施工临时支撑的备选方案。