一种新型斜撑杆式滑模施工桁架平台脚手架计算研究

许亚东

（镇江市建设工程施工图审查中心，江苏镇江 212000）

0 引言

随着国内经济飞速发展，当今社会能源的需求也是日益增大。就煤矿业、工业烟囱以及粮食储存等诸多方面而言，筒仓建筑是不可或缺的重要组成部分，然而滑模施工工艺又是筒仓建筑的主要工法，并且滑模施工具备施工工期短、机械化程度高、经济性较好等特点[1-4]。随着现代技术的发展，滑模施工平台现存在多种形式如：钢桁架、钢网架、悬索结构式等[5-7]。针对该种施工平台已有许多学者进行不同程度的研究，而钢桁架式滑模施工平台又最具代表性。

段红杰等[8]通过有限元软件对大直径筒仓分8 种工况进行强度和刚度分析，依据分析结果提出相应的优化方案；李勤山等[9]运用ANSYS 有限元软件对钢管桁架以及辐射梁在不同荷载作用下的位移变化进行分析，判定其承载能力；夏军武[10]等通过分析4 种不同截面钢桁架梁在同等荷载下的刚度以及用钢量，并且给出最优选择；张夫[11]对某大直径筒仓工程滑模施工平台结构设计进行优化，通过合理的设计和更便捷的安装方式，解决许多实际工程中的问题；黄道元等[12]对240m 高层烟囱进行ANSYS 有限元受力动态模拟，有效解决了平台扭晃现象。肖树豪等[13]运用ANSYS 有限元软件对锥壳式结构的筒仓进行研究，该筒仓的支撑体系为悬吊钢管桁架，通过分析内力及挠度变化规律，从而提出提高设计承载力的方法。郭艳[14]等人运用SAP2000 有限元软件对筒仓结构仓顶支撑架施工平台进行分析，分为三步对支撑架的承载过程推演。目前，国内针对斜撑杆式的滑模施工平台研究较少不够全面。国外滑模施工技术出现时间较早，1943 年AB Bygging 提出了中央控制液压滑升模板系统，这一发明彻底解决了手动千斤顶的弊端，并快速推动了滑模施工的快速发展；Tie Cheng Wang 等[16]以直径和荷载为参考变量，研究该因素对筒仓钢管桁架支撑体系位移的影响。D Dooms[17]提出运用有限元软件对筒仓进行风荷载模拟，针对风荷载下的筒仓侧移现象提出改进方法。

本文以江苏镇江某储粮混凝土筒仓工程为研究对象，运用SAP2000 有限元软件对该筒仓仓顶板斜撑杆式施工平台桁架结构进行计算，分析桁架平台各杆件应力、桁架整体变形及屈曲稳定性能等，该计算方法以及模拟结果可为类似工程提供参考。

1 计算模型

1.1 几何模型

本工程计算模型以镇江某混凝土筒仓建筑为参考依据，该混凝土筒仓施工采用了滑模施工工艺，在筒仓仓顶浇筑阶段采用了斜撑杆式滑模脚手架[18]。斜撑杆式桁架平台整体为圆形，该桁架直径为10m，平面分为18 榀桁架组成，分为上下两层，层间相距为900mm。吊筋为直径16mm 的HRB400 级钢筋，桁架杆件与钢管为空心圆截面杆（48mm×2.7mm），详细几何模型见图1。

图1 斜撑杆支承桁架几何模型

1.2 有限元模型

1.2.1 有限元建模

本次计算运用了SAP2000 有限元软件建模，将桁架平台模型均假设为均质、弹性模型，且不考虑材料的非线性特性，详细有限元模型见图2。

图2 施工桁架平台有限元模型整体

1.2.2 材料参数

斜撑杆支承形式桁架平台由桁架杆、支撑杆、吊筋组成。桁架杆与支撑杆为空心圆截面圆管杆件，材料为Q235 钢材。吊筋为HRB400 级钢筋，本次模拟计算不考虑温度影响，各材料的力学性能[19]见表 1。

表1 桁架材料力学性能

2 边界条件及荷载分布

2.1 边界条件

每榀桁架由吊筋从下弦桁架固定在筒仓壁上，且有斜撑杆从上弦桁架固定在筒仓壁上每榀桁架上弦由支撑杆连接，连接形式采用固结，共计40 个结点。

2.2 荷载分布

荷载由桁架自重、模板自重、施工荷载以及混凝土自重构成。桁架平台的重量由SAP2000 软件自动计算，另加上桁架平台自重荷载20%的附加荷载。经计算，桁架平台重量为2134kg，取自重荷载加速度12.0m/s2。平台自重与模板自重为恒荷载，施工荷载为活荷载[20]。

表2 桁架平台集中荷载计算结果

在软件计算中桁架平台上的均布面荷载简化为集中荷载施加在桁架节点上，受力结点共计77 个。桁架平台各节点受集中荷载为11.7kN。

3 静力计算结果

3.1 强度分析

经SAP2000 计算后，斜撑杆支承形式桁架平台最大应力绝对值为132.5MPa，位置出现在中间桁架中心井字形杆件位置处，吊筋最大应力绝对值为100.36MPa，位置出现在个别吊筋上。图3为斜撑杆式桁架平台静力计算整体应力图。

图3 斜撑杆式施工桁架平台静力计算整体应力图（单位：MPa）

参考钢结构设计标准[19]对上述计算结果进行校核。桁架杆（空心圆截面杆Q235）计算应力为132.5MPa 不超过强度设计值（215MPa）。拉索钢筋（HRB400）计算应力 100.36MPa 不超过设计强度值（360MPa）[19]。斜撑杆支承形式桁架平台上下弦之间的斜杆在桁架平台中具有支撑作用，计算显示斜杆轴力最大为29.2KN，位置出现在桁架平台中心部位，在安全范围之内。

3.2 挠度分析

斜撑杆支承形式桁架平台在施加荷载之后整体出现下沉式变形，桁架平台四周有吊筋以及支撑杆连接，所以中间部分挠度最大，故选出最长一榀桁架，计算挠度是否在规范要求之内[19]。图4 为桁架平台的整体变形图。

图4 斜撑杆式施工桁架平台静力计算整体变形图（单位：mm）

通过计算，得到该结构中最长一榀桁架的最大位移绝对值为11.82mm，且超过9.0mm 的变形主要集中在桁架中间的杆件上。两种工况下上一节点竖向位移和下一节点竖向位移分别为-8.34mm和-4.72mm，计算挠度为1.81mm，小于允许挠度6.67mm[19]。

3.3 应力比分析（见图5）

SAP2000 软件自动对桁架平台校核输出应力比图详见图5。计算得到，桁架平台构件应力比均小于1.0，满足规范设计要求[19]。斜撑杆支承形式桁架计算出应力比最大的位置位于桁架下弦边缘四周，即靠近筒仓仓壁处，最大值为1.584，由于应力集中导致部分超限。

图5 斜撑杆式施工桁架平台的整体应力比

3.4 屈曲稳定分析

在SAP2000 中，对斜撑杆支承形式桁架平台进行屈曲稳定性模拟。

图6 斜撑杆式施工桁架平台的整体屈曲模态

从工程经验角度，桁架平台最小载荷因子为7.6，在模态51处。最小载荷因子大于3.0 倍实际荷载，故可认为结构构件在受荷状态下很难屈曲失稳。但在计算中发现斜撑杆支承形式桁架平台下弦边缘存在多根杆件出现应力集中的问题，强度部分超限，但不影响桁架结构整体承载性能，桁架平台仍然稳定。

4 结论

本文通过对斜撑杆式桁架平台脚手架进行有限元仿真模拟，通过对各杆件应力强度、平台挠度的校核以及桁架平台应力比与屈曲稳定的分析，证明SAP2000 软件对于桁架平台计算有效，并发现以下结论：

（1）斜撑杆式滑模施工桁架应力、挠度、屈曲稳定性都满足工程规范要求，且该新型桁架平台结构合理、经济性好。

（2）斜撑杆式桁架结构在应力比分析中，桁架下弦边缘四周虽有多根杆件出现应力集中，强度发生破坏，但不影响整体承载性能。