桥梁碗扣式钢管支架整体稳定性分析研究

秦大燕，韩　玉，罗小斌

(广西路桥工程集团有限公司，广西　南宁　530011)



桥梁碗扣式钢管支架整体稳定性分析研究

秦大燕，韩玉，罗小斌

(广西路桥工程集团有限公司，广西南宁530011)

文章对桥梁工程使用的碗扣式满堂支架的结构体系、构造要求和承载力计算进行了分析研究，同时对我国现行规范和英国临时支架规范进行了分析比较，指出了现行规范计算承载力的不足之处，并提出了利用屈曲分析确定计算长度的方法来计算支架整体稳定承载力。

桥梁；碗扣式；支架；稳定性；承载力

0　引言

目前在我国的桥梁模板支撑体系中，大量应用了碗扣式脚手架作为模板支撑结构。在实际应用中，由于管理不善，模板支架垮塌的事故时有发生，造成严重的生命财产损失。发生垮塌的主要原因有产品自身质量、支架拼装质量等诸多问题，同时也存在支架设计上的一些问题，有必要对支架结构体系和整体稳定承载力计算进行研究，以提高支架的安全度。本文对我国现行规范和英国临时支架规范进行分析比较，通过算例进行验证，指出现行规范计算中存在的不足之处，并针对不足之处，提出了利用屈曲分析确定计算长度的方法，计算支架的整体稳定性，完善支架的承载能力计算方法，供同行参考。

1　有关碗扣式钢管模板支撑结构形式的规范要求

关于碗扣式模板支架的规范主要有两部，分别是《JGJ166-2008建筑施工碗

扣式脚手架安全技术规范》(以下简称规范一)和《JGJ300-2013建筑施工临时支撑结构技术规范》(以下简称规范二)。

规范二将模板支撑结构分为了三种类型：无剪刀撑的框架式支撑结构、有剪刀撑的框架式支撑结构、桁架式支撑结构。

根据规范一对模板支撑结构的构造要求，其结构形式基本也可分为两种，一是按6.2.2条第1款每行每列设置通高八字形斜杆或剪刀撑，类似于桁架式支撑结构；二是按6.2.2条第2、3款和6.2.3条要求设置剪刀撑，为有剪刀撑的框架式支撑结构。

英国临时支架规范BS5975-2008中，满堂支架主要有两种结构体系，如图1所示。要求每行每列均设置斜杆，使其支架满足几何不变结构体系，实为桁架结构体系。

(a)Continuous(preferred)

(b)Single bay braced

在桥梁满堂支架施工中，有剪刀撑的框架式支撑结构应用最多，而桁架式支撑结构很少应用，纯框架式支撑结构由于稳定性较差，几乎没有应用。

2　碗扣式钢管模板支撑结构承载力计算

模板支撑结构稳定承载力计算采用计算长度法，将支撑结构的整体稳定问题转化成立杆的稳定计算，这也是现行钢结构设计规范中的方法之一，即在计算立杆稳定系数时将计算长度乘上系数μ。

(1)

式中：N——立杆轴力设计值；

A——立杆截面面积；

φ(λ)——轴心受压稳定系数，λ为设计细比；

f——钢材抗压强度设计值。

规范一是基于将节点视为铰接的几何不变结构体系的分析模型，5.6.3条规定模板支撑结构的立杆计算长度分两种情况，分别取步距h和步距加两倍立杆顶部悬臂长度h+2a。参考英国临时支架规范，如图2所示，这样的规定仅适用于桁架结构体系。显然按规范一6.2.2条第2、3款和6.2.3条要求设置剪刀撑，为有剪刀撑的框架式支撑结构，并没有做到每行每列均设置有剪刀撑或斜杆，如果将节点视为铰接，满足不了几何不变结构体系的，存在结构整体失稳问题。规范一没有充分反映整体稳定性问题，并且将有剪刀撑的框架式支撑结构的承载力按桁架式支撑结构来计算，显然是不合理的。

图2　英国规范BS5975-2008中的立杆计算示意图

规范二将框架式支撑结构的节点按半刚性节点考虑，试验证明碗扣式钢管节点属于半刚性节点，其节点转动刚度规范建议取值为25 kN·m/rad，该值是在试验值的基础上取2倍安全系数得出的，而桁架式支撑结构的节点则按完全铰接考虑。立杆计算长度系数分别考虑了支撑结构整体失稳和立杆局部失稳，立杆局部失稳的计算跟规范一要求的立杆计算长度一致，即取其h+2a，承载力计算方法更为合理。

实际应用中往往是采用有剪刀撑的框架式支撑结构，按规范一计算的承载力往往较大，可达到40 kN左右，而实际使用荷载往往是按工程经验控制在25 kN左右。验证实例1：取实际常用的支架分别按规范一和规范二进行计算比较，立杆纵横间距90 cm，步距120 cm，立杆顶部伸出距离为40 cm；剪刀撑按规范一的要求设置，即竖向剪刀撑的间距≤4.5 m，即每5跨设置剪刀撑，水平剪刀撑的间距≤4.8 m，即每4步设置水平剪刀撑。按规范一计算的承载力为41.8 kN，按规范二查表计算的承载力为25.66 kN，规范二的水平剪刀撑是按间隔6步设置的，其间距较规范一的要求大，按规范二计算的结果偏小，这种影响的分析见后文。

在规范二没有发布之前，一直采用规范一来进行支架设计。如果按桁架式结构体系设计，支架承载力按规范一计算是合理的；如果按有剪刀撑框架式支撑结构体系设计，支架承载力按规范一计算是非常危险的。

3　利用屈曲分析确定计算长度的方法

按规范二进行支架承载力计算时，需要确定立杆计算长度系数μ，可以按规范进行查表选取，该系数是根据结构整体稳定屈曲临界荷载通过欧拉屈曲公式反算得出的。当设计参数超出了规范表格的范围时，或进行其他结构形式支架的设计时，可以采取同样的方法，利用有限元软件进行屈曲分析求解出临界荷载Pcr，根据下式来计算长度系数μ。

(2)

式中：Pcr——屈曲临界荷载；

E——立杆钢材弹性模量；

l——立杆截面惯性矩。

有限元分析模型的建立，立杆、水平杆为梁单元，剪刀撑为桁架单元。立杆与水平杆的节点为半刚性节点，通过水平杆梁单元杆端力矩释放来实现，释放水平杆梁单元绕截面y轴和z的转动自由度，其中绕y轴转动刚度为25 kN·m/rad，绕z轴转动刚度为0 kN·m/rad。约束立杆底部三个平动自由度和绕立杆轴的转动自由度，荷载为立杆顶部作用竖直向下的单位荷载P=1 kN。

屈曲分析求解，取立杆侧弯失稳低阶模态的临界荷载系数，乘上单位荷载P，即为临界荷载Pcr，如图3所示。有时会出现底阶失稳模态为支架整体扭转失稳，这是由于把水平剪刀撑简化为桁架单元及忽略水平杆梁单元绕截面z轴的转动刚度引起的。实际上剪刀撑与立杆连接节点处是连续的，对支架扭转有约束作用，水平杆梁单元绕截面z轴还是存在一定转动刚度的，同时，支架顶部还存在模板系统对支架扭转的约束作用，实际发生的失稳并不是整体扭转失稳，所以取侧弯失稳低阶模态。

图3　支架扭转和侧弯屈曲模态图

验证实例2：立杆纵横间距90 cm，步距120 cm，立杆顶部伸出距离为40 cm，剪刀撑按规范二的要求设置，单元框架的跨数nx分别取3、4、5、6。按规范二查表和屈曲分析确定立杆计算长度、支架承载力的计算结果如表1所示，两种方法的计算结果是一致的，说明了利用屈曲分析来计算支架整体稳定承载力是可行的。

表1　立杆计算长度和支架承载力的计算结果表

按此方法对实例2进行了计算，节点转动刚度取值为25 kN·m/rad，屈曲分析的侧弯底阶模态为2阶模态，其临界屈曲荷载为44.53 kN，立杆计算长度为2.359 m，承载力为31.182 kN，还是远小于规范一的计算结果40.5 kN。将节点转动刚度取值为试验值50 kN·m/rad，其值不取安全系数2.0，屈曲分析的侧弯底阶模态为3阶模态，其临界屈曲荷载为59.47 kN，立杆计算长度为2.041 m，承载力为40.12 kN，与规范一的计算结果相当。由此可见，按规范一进行支架承载力计算的安全度相对较低。

4　关于桁架式支撑结构的讨论

满堂式支架如果设置足够的斜杆成为桁架结构，在计算分析时可以将节点视为铰接，通常是立杆局部失稳先于支架整体失稳的，支架承载力是由立杆局部稳定控制的。而有剪刀撑的框架式支撑结构在分析时必须将节点视为半刚性，除非节点转动刚度很大，否则，通常呈现支架整体侧弯失稳，其稳定承载力是由整体稳定性控制的。从本文验证实例1分析可以看出，同样设计参数的支架，桁架式结构比有剪刀撑的框架式结构的承载力要大。

构造上，有剪刀撑的框架式结构每隔一定距离需要设置水平剪刀撑和平面剪刀撑。规范一要求，竖向剪刀撑间距≤4.5 m，水平剪刀撑间距≤4.8 m。规范二要求，每隔3至6跨设置竖向剪刀撑，每隔6步设置水平剪刀撑。英国临时支架规范要求，桁架式满堂支架每行每列设置斜杆，并推荐设置连续斜杆，提供足够的侧向约束，为防止竖向受力杆件扭曲，必须考虑设置横隔，横隔(水平方向)以菱形的形式布置。通常，高度<7 m的支架自身能提供足够的约束，不必进行横隔设置。当支架顶部未安装任何模板，例如钢结构安装用支架，必须进行横隔设置。规范二中也对桁架式支架做了规定，其斜杆和横隔的设置要求过高，主要是针对一些新型的装配式格构柱支架的。

实例1的支架，如果按规范一要求设置剪刀撑，其承载力为31 kN，按规范二要求设置剪刀撑，其承载力为25 kN，如果为桁架式结构，其承载力为40.5 kN。

从构造看，桁架式支架的斜杆数量相较框架式支架剪刀撑的数量增多，如果同样承载力的情况下，水平杆数量会减少，其杆件总数量差别不大，其斜杆的安装难度相较剪刀撑并未增加，反而更容易保证与立杆或水平杆的连接。桁架式支架整体稳定性较好，往往是立杆局部稳定起控制作用，并且在稳定性分析时不考虑节点半刚性，其承载力计算相较方便，安全性也远高于有剪刀撑的框架式结构。建议在实际应用中，应优先考虑桁架式满堂支架。

5　结语

本文对碗扣式满堂支架的结构体系和承载力计算进行了分析研究，提出了利用屈曲分析确定计算长度的方法来计算支架整体稳定承载力，并指出了现行规范一计算承载力的安全度相对较低，对节点转动刚度值要求较大，实际施工的质量难以保证，建议按照规范二进行计算。同时参考英国临时支架规范，经过分析，桁架式满堂支架的稳定性好，建议在实际应用中，应优先考虑桁架式满堂支架。

[1]JGJ166-2008，建筑施工碗扣式脚手架安全技术规范[S].

[2]JGJ300-2013，建筑施工临时支撑结构技术规范[S].

[3]曾凡奎.高大模板支架结构体系安全控制[M].北京：中国电力出版社，2015.

Overall Stability Analysis Study of Bridge Cuplock Steel-tube Stent

QIN Da-yan，HAN Yu，LUO Xiao-bin

(Guangxi Road and Bridge Engineering Group Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530011)

This article analyzed the structure system，construction requirements and carrying capacity calculation of cuplock full framing used in bridge engineering，analyzed and compared China’s current norms and UK’s temporary stent specification，then pointed out the carrying capacity calculation deficiencies in existing norms，and proposed the use of length calculation determination method by buckling analysis to calculate the overall stent stability carrying-capacity for reference.

Bridge；Cuplock；Stent；Stability；Carrying capacity

U445.46

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.07.013

1673-4874(2016)07-0050-04

2016-06-07

秦大燕(1980—)，高级工程师，研究方向：公路与桥梁施工技术；

韩玉(1972—)，教授级高工，研究方向：道路与桥梁工程；

罗小斌(1985—)，工程师，研究方向：道路与桥梁工程。