斜坡面可调满堂支架受力稳定性分析

摘 要：当满堂支架搭设基础面倾斜角度较大时，杆件立杆难度随之增加，满堂支架整体稳定性也会受到影响。由于本工程在现浇箱梁满堂支架搭设过程中，须将满堂支架搭设于5%坡度的基础面上，因此，本工程研发了一种可调式满堂支架立杆底座，可满足满堂支架在不同倾斜角度基础面上进行搭设施工的需求。并利用Midas Civil分析软件对斜坡面满堂支架进行稳定性分析，在1.5倍安全系数下，满堂支架各杆件结构安全储备系数均满足稳定性要求，结构失稳破坏临界荷载远大于施工工况荷载。

关键词：桥梁工程；斜坡面满堂支架；可调式支架底座；稳定性分析；有限元分析

中图分类号：TU 74" " 文献标志码：A

随着社会的发展，立体式交通组织建设日渐普遍，大型市政项目在结构设计上往往存在空间重叠的情况，在施工过程中常常会遇到需要在斜坡面上搭设满堂支架的问题，为提高架体结构稳定性，达到施工过程中降本增效的目的。本文对盘扣式满堂支架进行稳定性理论分析，以西咸新区空港新城某高架现浇箱梁满堂支架施工为背景，对搭设于斜坡面的盘扣式满堂支架体系进行结构稳定性验算，利用有限元数值模拟软件建立盘扣式满堂支架有限元模型，将实际工程与有限元模拟相结合，分析搭设于斜坡面上的满堂支架体系的稳定性。

1 结构失稳破坏形式分析

钢管满堂支架通常按照载能力极限状态和正常使用极限状态两种状态进行设计，承载能力极限状态是一种因构件强度破坏、疲劳破坏或大变形造成结构失稳，发生倾覆的状态；正常使用极限状态是一种结构或构件发生正常使用情况下的变形，产生影响正常使用的振动，发生影响耐久性能局部损坏的状态[1]。钢管受荷载作用影响是否失稳会直接决定满堂支架是否会发生失稳破坏。因此研究稳定破坏问题的核心是研究结构超过正常使用极限，变形急剧增长的临界状态。

1.1 分叉点失稳

当钢管杆件轴向荷载P增至Pcr时，如图1（a）所示，钢管会完全变形，且无法再恢复至直线平衡状态，即屈曲[1]。随着轴向荷载P增加，尤其当荷载值达到A点时，杆件的平衡状态有两条路径，如图1（b）所示，向上的虚直线段AC，以及水平线段AB（AB'），很明显A点是两种平衡状态的分支点。分支点失稳包括稳定分支点失稳和不稳定失稳两种组成形式。在屈曲后，当荷载值达到A点时，如果杆件的平衡路径是水平线段AB或AB'，那么这是稳定的平衡状态，称为稳定分支点失稳。在发生分支点失稳后，若想维持结构或杆件的平衡状态，则荷载值要远小于临界荷载，这种失稳为不稳定分支失稳[2]。

1.2 极值点失稳

当钢管杆件发生如图1（c）所示的偏距为e的偏心受压情况时，杆件开始受压至失稳的压力-挠度曲线（P-∆曲线）如图1（d）所示。压力-挠度曲线分为上升段OA和下降段AB两端曲线，其中A为分界点。当轴向荷载不断增加，曲线呈上升趋势，且由于偏心挠度不断变大，曲线段上升接近直线形式，此时构件处于稳定平衡状态。A为曲线分界点，过A点后曲线由上升变为下降，此时杆件内力开始小于外荷载，为维持构件受力平衡，须降低构件承受荷载P值。在曲线OB中，A点表示力的大小，即为构件极限承载力，构件从A点开始丧失稳定性，在偏心受压结构的荷载-位移曲线中，仅存在极值点，不存在初始线性平衡状态到弯曲平衡状态的过渡，在此过程中，构件弯曲变形特性保持不变，将具有这种特性的失稳现象称为极值点失稳[3]。

2 支架底座受力稳定性分析

2.1 斜坡面可调满堂支架设计

本工程满堂支架主要采用盘扣式满堂支架体系，由硬化基础、立杆可调底托、ø60mm×3.2mm调节立杆、ø60mm×3.2mm盘扣立杆、ø48mm×2.75mm横杆、ø42mm×2.75mm斜拉杆及ø48mm×2.5mm扣件钢管水平剪刀撑、立杆可调顶托、I12工字钢横向分配梁、8cm×8cm木方纵向分配梁、15mm竹胶板面板等构成。同时，由于支架是用于斜坡面上的，因此为提高钢管支架的适用性，同时降低支架搭设难度，要对支架底部承托进行创新研发，形成一种可调底座，其结构如图2所示。将调节底座固定在钢管满堂支架下端，根据立杆布置形式将调节支座设置为若干个，分别与满堂架底部连接，可通过调整调节柱与托架底部的夹角角度来调整每个调节支座贴合斜面的倾角及高度，使调节柱与水平面垂直，带动满堂架底部形成满足斜坡面的倾斜支撑面。

2.2 有限元仿真模拟

利用Midas Civil对斜坡面满堂支架体系进行有限元建模分析，有限元模型工况荷载主要考虑竖向荷载影响，包括支架体系自重、箱梁梁体自重（均布荷载根据箱梁形式分布）、各种施工荷载。通过分析钢管杆件的变形情况，支架整体的变形及应力分布情况、屈曲模态来确定斜坡面满堂支架的稳定状态[4]。本工程采用盘扣式满堂支架进行高架桥梁现浇箱梁施工，支架整体长度27m，宽度20.1m，最大高度8.8m，且支架搭设于顺桥向5%的斜坡上，施工安全系数取值为1.5。由于混凝土浇筑完成时是支架受荷载最大工况，因此为真实模拟施工工况下荷载分布，根据箱梁截面形式，模拟箱梁荷载分布，占比按照0.06∶0.06∶0.88（翼缘板∶腹板∶底板）施加。

2.2.1 斜坡面支架稳定性分析

在组合荷载作用下，盘扣式满堂支架结构发生弹性变形，如图3所示。由于满堂支架搭设于斜坡面上，因此支架底部利用可调底座调节搭设坡度，使现浇满堂支架大小里程位移变形量不一致，呈现坡上段沉降位移量大，坡下段沉降变形量小的分布趋势，且通过分析结果得知，满堂支架纵横向位移变形量较小，对稳定性影响可忽略不计，支架整体竖向位移变形最严重位置均分布在箱梁底板位置，其中，坡上段最大位移约为18.41mm，坡下段最大位移约为15.06mm。参考规范中对模板支架的最大变形值规定，支架各部分变形值均满足要求，稳定性达标。

图4为斜坡面满堂支架的应力分析。由图4可知，当模拟受组合荷载作用时，盘扣式满堂支架结构立杆主要承担压应力，水平杆承受拉应力作用。满堂支架结构立杆所受最大压应力位置在坡上段立杆底部，最大压应力约为188.43MPa，立杆安全储备系数约为1.83。水平杆所受最大压应力为97.08MPa，位于坡上段箱梁底板荷载向下辐射区域的底层水平杆件交叉节点处，水平杆件的安全储备系数约为2.42。由此可知，在考虑1.5倍加载系数的工况下，满堂支架结构杆件最不利荷载处的稳定性安全储备系数均能满足施工要求。

2.2.2 极限承载稳定性分析

利用Midas Civil软件进行线性屈曲分析，对每个施加的外部荷载P，都会求解出一个临界荷载系数λ。当荷载增至某一特定值时，结构体系等效几何刚度[Keq]=0，支架体系处于濒临失稳的状态，此时的临界荷载系数与外部荷载乘积即为支架体系的失稳临界荷载[5]。在本项目施工工况下，对满堂支架体系进行屈曲分析，得到斜坡面满堂支架失稳形态（1阶模态下），如图5所示。斜坡面满堂支架在1阶模态下，立杆主要在X-Y方向发生位移及扭转，顺桥向布置的水平杆主要在Y方向发生位移及扭转，横桥向布置的水平杆主要发生Z向位移。由于剪刀撑是用来加固水平杆及立杆，受水平杆及立杆失稳变形影响，在剪刀撑连接节点处，发生较大Y向变形，最终使连接节点松动脱落，发生整体屈曲失稳。

斜坡面满堂支架屈曲分析的目的是为了分析整体结构在自重Z及外部荷载P作用下的整体稳定性，结构失稳分析的结果不是惟一的单值解，而是无穷解，使屈曲分析可能得到多种失稳模态，从表1中可以看出在一阶模态中，各荷载下的荷载临界系数为2.3686420，是最小的。在一阶模态下，结构最容易被激发造成失稳破坏。因此主要分析斜坡面满堂支架结构的一阶模态失稳形态及临界系数变化，以确定支架的失稳临界荷载Ncr，由分析可知：此设计形式下的斜坡面满堂支架结构的失稳承载极限为现模拟施工工况荷载的2.37倍左右，结构满足抵抗屈曲失稳的要求。

3 结论

本文针对现浇箱梁于斜坡面上搭设钢管满堂支架进行研发设计，成功研发了一种可适应搭设基础面倾斜坡度的杆件底座，以满足满堂支架不同搭设倾斜坡度的工况要求。并利用Midas Civil对斜坡面满堂支架进行稳定性分析：支架立杆安全储备系数可达到1.83，水平杆安全储备系数可达到2.42。在施工工况荷载下，斜坡面满堂支架失稳破坏荷载临界系数为2.37，均高于正常施工荷载工况下满堂支架搭设施工要求的1.5倍稳定性安全系数。由此可知，斜坡面满堂支架在应用可调式底座搭设支架后，整体稳定性满足施工要求。

参考文献

[1]潘文辉.浅析钢结构设计的简单步骤[J].广东建材，2010（6）：183-185.

[2]郭萌.初始缺陷对扣件式钢管脚手架稳定性影响分析[D].西安：西安工业大学，2021.

[3]肖洪秀.盘扣式钢管支架节点刚度及支架稳定性研究[D].昆明：昆明理工大学，2022.

[4]李世鑫，杨开放，孙春辉，等.现浇连续梁特大桥支架体系稳定性评价及预拱度设置分析[J].工业建筑，2023，53（增刊1）：186-192.

[5]熊咸玉，戴俊.大跨度现浇连续箱梁满堂支架结构稳定性分析及评价[J].西安科技大学学报，2020，40（2）：268-274.