渡槽扣件式钢管支架有限元分析

杨金龙 晁永莲

(1.中国水利水电第二工程局有限公司，北京 100120; 2.青海天马建筑劳务工程有限公司，青海西宁 810000)

1 工程概况

引洮供水一期工程总干渠4号渡槽采用满堂扣件式钢管支架支撑，取3号渡槽中纵向长度15 m的单跨渡槽支架进行计算，支架高16.5 m，宽6 m，支架断面布置见图1。立柱和水平连接杆件均采用φ48×3.0 mm钢管，支架立杆纵向和横向间距均为85 cm，水平杆件竖向间距为120 cm。钢管采用Q235A钢材，材料力学参数:Q235钢抗拉、抗压和抗弯强度设计值:205 MPa，弹性模量:2.06×105MPa。

2 计算的主要荷载

本渡槽采用的是单跨长15.0 m的箱形薄壁结构，根据施工图纸文件，每跨渡槽采用103.34 m3钢筋混凝土，计算时混凝土的容重取25 kN/m3。计算的主要荷载包括恒载与活载两部分，恒载部分包括渡槽自重和模板的重量。组合钢模板自重是根据《建筑施工手册》中的表5-85取值，模板线集度荷载为0.75 kN/m。计算的活荷载主要包括施工标准活载和振捣混凝土时产生的动力荷载，活荷载的计算方法参考根据《建筑施工手册》中的有关要求，振捣混凝土荷载为2 kN/m2，施工荷载为1 kN/m2。

3 结构计算模型

3.1 有限元模型

本渡槽的空间有限元模型是采用MIDAS建立的，整体模型见图2，渡槽槽身见图3。渡槽结构共离散为21 900个三维实体单元，8 393个节点。模型中采用梁单元模拟支架立柱和支架横向连接杆件。

3.2 边界条件

为了得到较准确的计算结果，计算中考虑了支架立柱底部地基土的约束刚度。支架侧面不进行约束，支架顶板和渡槽框架相应节点的竖向自由度是耦合在一起的，立柱和横向杆件之间的连接是按刚性连接模拟的，考虑附加次应力影响。

4 静力分析结果

有限元计算结果表明，立柱所受的荷载较大，而横向连接杆件主要起连接作用，所受的荷载较小，限于篇幅，仅列出了最不利立柱构件的强度和稳定检算的结果。

立柱应力计算结果见图4。

受压纵向弯曲系数为0.805，容许压应力为－165 MPa。参照《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》，Q235钢材强度设计值为205 MPa。

本渡槽采用了面积为424 mm2、惯性距为1.078×105mm4的钢管立杆，根据计算该立柱的回转半径为15.9 mm，长细比为53，计算长度取L=85 cm。在荷载组合作用下，钢管立柱的最大压应力是小于容许应力－165 MPa，这说明了该立柱是满足强度和稳定要求的。

5 屈曲分析

整体屈曲分析前需要进行模态分析，采用MIDAS软件建立了屈曲分析模型，并进行了稳定分析。根据屈曲分析结果，支架的第一阶失稳模态见图5。

从图5中可以看到，第一阶临界荷载系数是2.98，说明结构如果要出现失稳，所承受的荷载是计算荷载的2.98倍，这说明了结构的稳定性是满足要求的。

6 结语

本文根据提供的施工图文件，采用了MIDAS软件进行了分析计算模型。有限元计算结果表明，本渡槽支架各构件的强度和稳定都是满足要求的，而且安全储备较大。屈曲分析结果表明，本渡槽支架的临界荷载系数是2.98，说明了支架的整体稳定性也是满足要求的。

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