盘扣式满堂支架构件结构分析验算

李宗霖

(安徽省路港工程有限责任公司，安徽 合肥 230022)

0 前 言

现浇箱梁作为公路桥梁中最为常用的结构形式，其施工过程中采用临时支撑上部结构的满堂支架是临时设施中危险性较高的重要分部工程[1]。满堂支架法施工具有快捷、灵活、经济、适应性强等优点，然而鉴于模板支架操作面上施工人员较多，安全性极为重要，支架的承载力及稳定性直接影响着施工安全及箱梁的质量[2-4]。如何较为准确进行支架受力分析是十分必要的。当前施工单位对现浇箱梁满堂支架施工专项方案验算主要有两种常用计算方法：①MIDAS CIVIL有限元计算；②理论解析计算。本文通过某项目满堂支架两种方法进行结构验算，对比两种方法的验算结果，总结一定经验，为类似工程施工方案设计验算提供一定参考。

1 工程概况

某桥跨布置为：3 m(桥台)+3×{4×25〕+2×50+3×{4×25}+3 m(桥台)。上部结构除第4联采用钢箱组合梁外，其余均采用预应力混凝土连续现浇箱梁。下部结构桥台采用肋板台，桥墩采用柱式墩，墩台均采用钻孔灌注桩基础。本次计算取箱梁搭设架体最高约12.2 m的24.95 m跨现浇箱梁跨施工方案进行架体验算。箱梁底宽9.25 m，梁高1.5 m，悬臂长2 m，端部板厚0.2 m，根部加厚至0.5 cm，腹板厚0.5 m，顶板厚度均为0.25 m，底板厚0.22 m。

2 支架布置

采用承插型盘扣式满堂支架施工，具体布置为：支架立杆采用Φ60.3×3.2 mm钢管，材质为Q355；水平杆采用Φ48.3×2.5 mm钢管，斜撑及水平斜杆均采用Φ48×3.5 mm钢管，材质均为Q235B；竖直斜杆采用Φ48×2.5 mm钢管，钢材材质均为Q195；附加斜撑采用Φ48×3.5 mm，材质为Q235B。水平杆步距为1.5 m/1.0 m/0.5 m，立杆纵桥向间距为0.6 m/0.9 m/1.2 m；横桥向间距为0.6 m/0.9 m/1.2 m；所有模板均为15 mm厚优质竹胶板，模板下方布置：纵桥向10 cm×10 cm的方木，方木下为横向(间距同立杆间距)普通10号工字钢；基础采用20 cm厚C20素混凝土，基底持力层为经地基处理后满足承载力及正常使用要求土层，支架布置见图1。

图1 支架布置示意图(单位：mm)

3 荷载选取

根据本工程概况及箱梁施工特点，支架验算主要考虑如下荷载：①体系自重q1；②新浇混凝土自重q2(钢筋混凝土容重取γ=26 kN/m3)；③施工荷载(施工人员、机具、材料等)q3=2.5 kN/m2；④振捣混凝土时对水平模板产生的竖向荷载q4=2.0 kN/m2；⑤振捣混凝土时对垂直模板产生的水平荷载q5=4.0 kN/m2；⑥倾倒混凝土作用于模板的产生的竖向荷载q6=2.0 kN/m2；⑦q7箱梁分两次浇筑，第一次浇筑至腹板倒角下方，最大浇筑高度1.5-0.5=1.0 m，本次计算考虑浇筑速度的不确定，取新浇筑混凝土有效压头高度即为最大浇筑高度1.5 m；⑧顺桥向风载计算取按照0.7 kN/m2；横桥向风载计算取1.0 kN/m2；⑨内模荷载q9=2.0 kN/m2。

荷载组合参照路桥施工计算手册执行，其中荷载分项系数取值执行《建筑施工承插型盘扣式钢管脚手架安全技术标准(JGJ T231—2021)》[5]。

4 有限元建模及边界条件设置

立杆、工字钢、方木等采用梁单元模拟，模板采用板单元模拟，立杆底部约束3个方向平动自由度，立杆顶部与横向10号工字钢、横向10号工字钢与纵向木方、纵向方木与模板均采用弹性连接方式，依据《建筑施工临时支撑结构技术规范》(JGJ 300—2013)[6-7]输入节点转动刚度k=20 kN·m/rad。采用MIDAS CIVIL 2021建立现浇梁支架整体模型，如图2所示。

图2 满堂支架有限元模型(单位：mm)

5 支架构件受力分析

根据荷载条件及材料特性取值，采用MIDAS CIVIL2021根据建立的整体支架模型并输入相应荷载工况分析验算。

5.1 竹胶板(t=15 mm)强度及刚度验算

有限元结算结果由图3可知主箱梁区域竹胶板最大组合应力σmax=1.32 MPa，由图4可知竹胶板最大竖向挠度ωmax=1.77 mm，取组合应力相对应最大值位置(即箱梁实腹混凝土区域)进行模板理论计算，该区域方木间距150 mm，混凝土高度1.5 m，采用15 mm厚模板，取1 000 mm宽度，跨度按照150 mm，按三跨连续梁进行计算。

图3 竹胶板组合应力云图

图4 竹胶板变形云图

模板面荷载标准值：qk=1.5×26+2+2.5+2=45.5 kN/m2，模板线荷载设计值：q=1.3×1.5×26+1.5×6.5=60.45 kN/m2，最大弯矩设计值Mmax=0.1ql2=0.14 kN·m，最大弯应力设计值σmax=Mmax/W=3.73 MPa，最大挠度ωmax=0.677qkl4/(100EI)=0.06 mm。

5.2 方木强度及刚度验算

有限元计算结果由图5可知方木最大组合应力σmax=0.5 MPa，由图6可知方木最大竖向挠度ωmax=3.31 mm。取组合应力相对应最大值位置进行理论计算，方木间距150 mm，跨度为1 200 mm，按三跨连续梁进行计算。

图5 方木组合应力云图

图6 方木变形云图

方木线荷载标准值：qk=45.5×0.15=6.83 kN/m，方木线荷载设计值：q=60.45×0.15=9.07 kN/m，最大弯矩设计值Mmax=0.1ql2=1.31 kN·m，最大弯应力设计值σmax=Mmax/W=7.83 MPa，最大挠度ωmax=0.677qkl4/(100EI)=1.54 mm。

5.3 10号工字钢分配梁强度及刚度验算

有限元计算结果由图7可知10号工字钢最大组合应力σmax=99.06 MPa，由图8可知10号工字钢最大竖向挠度ωmax=1.77 mm。取组合应力相对应最大值位置进行理论计算，工字钢间距600 mm，跨度为900 mm，按三跨连续梁进行计算。

图7 10号工字钢分配梁组合应力云图

图8 10号工字钢分配梁变形云图

方木线荷载标准值：qk=6.83 kN/m，方木线荷载设计值：q=9.07 kN/m，其中方木传递给工字钢的力为集中力，根据结构静力手册中简支梁上荷载的最不利布置，最大弯矩设计值Mmax=3.3 kN·m，最大弯应力设计值σmax=Mmax/W=74.1 MPa，最大挠度ωmax=0.274 mm。

5.4 立杆强度、刚度及稳定性验算

有限元计算结果由图9可知立杆最大压弯组合应力σmax=100.99 MPa，由图10可知立杆的最大轴向变形ωmax=1.58 mm，由图11可知立杆最大轴力设计值Nmax=45.5 kN。分析取立杆受力最大位置(实腹混凝土区域)进行理论计算，计算长度依据《建筑施工承插型盘扣式钢管脚手架安全技术标准(JGJ T231—2021)》取lo=2 m，λ=lo/i=2000/20.1=99.5，立杆稳定系数φ=0.479，稳定应力设计值σ=N/(φA)=166.4 MPa。

图9 立杆组合应力云图

图10 立杆变形云图

图11 立杆轴力图

6 结 论

1)通过有限元计算结果与理论解析法[8-9]计算结果进行对比，支架构件强度均满足规范要求，且有一定的富余量。有限元计算结果较理论解析结果存在偏差，存在偏差分析原因认为主要有两个方面：①由于MIDAS CIVIL计算过程中考虑架体整体性及构件相互连接计算边界条件简化所致；②依据模板施工安全技术规范的理论解析将构件分开并分别进行计算，忽略立杆节间竖向斜杆对支架架体构件产生的作用导致理论解析计算结果简化偏保守。

2)承插盘扣式满堂支架作为施工临时设施中常见的危大工程，安全性极为重要，为偏安全考虑，建议可采用其他有限元计算软件建模计算。

3)水平及竖向斜杆在满堂支架体系中的作用是不可替代的，对于增强及提高支架整体稳定性具有相当重要作用，必须严格按照规范及施工方案要求搭设。

4)本文所研究的内容为类似工程施工方案设计验算提供一定参考，后续针对存在计算误差原因将开展进一步研究。

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