支撐架頂部構(gòu)造對其承載力的影響分析

索小永，金華超

(1.安徽工程大學(xué) 建筑工程學(xué)院,安徽 蕪湖 241000；2.開封市天開市政園林工程有限公司 工程部，河南 開封 475000)

扣件式支撐架是工程中常用的臨時結(jié)構(gòu)，其中，《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》JGJ 162-2008，《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》JGJ 130-2011，《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》GB 50666-2011，《建筑施工臨時支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》JGJ 300-2013，《建筑施工腳手架安全技術(shù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB 51210-2016等多本規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對其搭設(shè)構(gòu)造、承載力計算有明確要求，但各本規(guī)范之間構(gòu)造搭設(shè)不統(tǒng)一、不協(xié)調(diào)。例如豎向剪刀撐設(shè)置間距，水平剪刀撐間距各本規(guī)范要求不一，另支撐架頂部水平桿步距加密構(gòu)造稱為加強層，有些規(guī)范并未要求設(shè)置。雖有學(xué)者進(jìn)行了支撐架的缺陷對其承載力影響的研究，但加強層設(shè)置對承載力影響的研究較少。亦有學(xué)者根據(jù)施工現(xiàn)場支撐架搭設(shè)情況，對其承載力進(jìn)行分析，但其研究的現(xiàn)場搭設(shè)的支撐架未設(shè)置加強層。加強層雖是構(gòu)造，但搭設(shè)過程中存在漏設(shè)或設(shè)置不合理情況，反映出工程技術(shù)人員對其作用認(rèn)識不充分。以加強層設(shè)置情況不同，對支撐架承載力的影響進(jìn)行研究，使其作用清楚地展示出來，引起工程技術(shù)人員重視。

1 模型建立

根據(jù)《危險性較大的分部分項工程安全管理規(guī)定》(建辦質(zhì)[2018]31號)文件要求，施工中支撐架搭設(shè)高度大于8 m，屬于存在重大危險源，需搭設(shè)“使用中”標(biāo)志引起足夠警示，其技術(shù)方案要進(jìn)行專家論證。本次建模以高度超8 m支撐架為例進(jìn)行分析，因?qū)嶋H工程結(jié)構(gòu)高度多變，導(dǎo)致支撐架搭設(shè)時，立桿頂部加強層難按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置，故本次建模高度為12.5 m、13 m兩種情況，以反映加強層設(shè)置以后發(fā)生的變化。支撐架平面布置圖如圖1所示。由圖1可知，立桿間距0.9 m×0.9 m，步距1.5 m，架體搭設(shè)寬度5.4 m×5.4 m，支撐架高寬比均小于2.5，不存在傾覆隱患，豎向剪刀撐沿四周設(shè)置，水平剪刀撐設(shè)置三道與豎向剪刀撐形成格構(gòu)柱。高12.5 m的支撐架立面布置情況如圖2所示。此高度中支撐架步距均為1.5 m，無加強層如圖2a所示，按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置加強層如圖2b所示。高13 m的支撐架立面布置情況如圖3所示。因高度變化，此處頂部加強層不能按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置。鋼材采用Q235，彈性模量

E

=2.06×10N/mm，鋼材強度采用標(biāo)準(zhǔn)值，屈服強度235 N/mm,屈服時應(yīng)變?yōu)?.001 14。為真實反映支撐架邊界條件，模型中立桿底部與地面只能傳壓力，不能傳遞拉力，受拉退出工作。

圖1 支撐架平面圖(單位：mm)

圖2 12.5 m高的立面布置圖(單位：mm)

圖3 13 m高的立面布置圖(單位：mm)

2 計算分析

所建立的3個模型均為空間整體模型，分兩步進(jìn)行計算，首先進(jìn)行屈曲承載力分析，提取第1階失穩(wěn)模態(tài)，引入100 mm缺陷，然后進(jìn)行幾何、材料雙重非線性分析，研究其穩(wěn)定極限承載能力。這兩步主要計算結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，支撐架一階屈曲分析，有加強層時，12.5 m和13 m支撐架承載力基本相同，頂部加強間距0.75 m和1.0 m對一階屈曲承載力影響不明顯，但兩者均高于無加強層支撐架承載力7.9%。由于一階屈曲分析對應(yīng)的是支撐架的理想狀態(tài)，不考慮缺陷及鋼材屈服情況，決定支撐架的承載力上限。為較真實反映支撐架承載力變化情況，應(yīng)考慮幾何、材料雙重非線性后的穩(wěn)定極限承載力，根據(jù)表1中計算參數(shù)12.5 m高支撐架設(shè)置加強層后極限承載力為30.09 kN，比不設(shè)加強層承載力25.76 kN提高12.4%，這一結(jié)果在工程中不可忽略。12.5 m高支撐架頂部加強層間距0.75 m和13 m高支撐架頂部加強層間距1.0 m，兩者極限承載力基本一樣，承載力差別4.6%，可認(rèn)為加強層間距變化對結(jié)果影響不大。支撐架失穩(wěn)破環(huán)時立桿頂部豎向沉降位移，基本相等22.5～24.1 mm，而失穩(wěn)形態(tài)中鼓曲側(cè)向位移變化范圍較大87.3～101.3 mm，相差15.7%，但無論豎向沉降，還是側(cè)向位移，均超出工程允許偏差范圍。

表1 支撐架極限承載力計算結(jié)果

表1中有加強層的12.5 m高支撐架和13 m高支撐架最終承載力和變形性能相近，承載力均大于無加強層的12.5 m高支撐架。3個模型支撐架失穩(wěn)最終形態(tài)相近，無加強層12.5 m支撐架失穩(wěn)形態(tài)、有加強層12.5 m支撐架失穩(wěn)形態(tài)、有加強層13 m支撐架失穩(wěn)形態(tài)分別如圖4所示。從圖4中可以看出，三者均為中部鼓曲而引起的整體失穩(wěn)，最大鼓曲位置隨著頂部加強層設(shè)置情況不同而有變化，無加強層最大鼓曲位置靠近上部，加強層設(shè)置后使最大鼓曲位置下移，圖4a中12.5 m高無加強層支撐架最大鼓曲位置最靠上，圖4c中13 m高有加強層(其間距1.0 m)最大鼓曲位置已經(jīng)下移，圖4b中12.5 m高有加強層(其間距0.75 m)最大鼓曲位置最靠下。這是由于頂部設(shè)置加強層，加強層所在位置剛度增加，此處抵抗變形能力增強，故使得最大鼓曲位置下移，同樣由于加強層的設(shè)置使得抗側(cè)移剛度增加后，最終支撐架達(dá)到穩(wěn)定極限承載力時其側(cè)向位移隨剛度增加而減小，如表1所示，12.5 m高支撐架無加強層鼓曲最大側(cè)移101.3 mm，設(shè)置加強層后，12.5 m高有加強層(其間距0.75 m)最大鼓曲位移87.3 mm，側(cè)向位移減少13.8%，13 m高有加強層(其間距1.0 m)最大鼓曲位移89.2 mm，側(cè)向位移減少11.9%，表明加強層的設(shè)置在一定程度改變了支撐架失穩(wěn)時的力學(xué)行為。

進(jìn)一步研究支撐架隨荷載增加其力學(xué)行為的變化，為工程監(jiān)測評判提供依據(jù)，提取荷載-變形時間歷程如圖5所示。由圖5a中可以看出，有加強層的12.5 m高支撐架(加強層間距0.75m)和13 m高支撐架(加強層間距1.0 m)，兩者的側(cè)向鼓曲位移與承載力性能高度接近，加載初期其抗側(cè)剛度明顯優(yōu)于12.5 m高無加強層支撐架。宏觀上無論有無加強層，支撐架荷載-側(cè)向位移曲線的力學(xué)行為均表現(xiàn)出非線性關(guān)系，無加強層的支撐架達(dá)到極限承載力時側(cè)向變形大于有加強層支撐架；由圖5b中可以看出，有加強層的12.5 m高支撐架(加強層間距0.75 m)和13 m高支撐架(加強層間距1.0 m)，兩者的豎向沉降位移與承載力性能基本接近。加載初期三者豎向剛度基本接近，隨著荷載增加，有加強層支撐架豎向剛度明顯大于無加強層支撐架，但三者達(dá)到極限承載力最終破環(huán)時豎向沉降位移基本接近。

支撐架加載的過程中，宏觀表現(xiàn)為立桿位移增加，微觀伴隨著立桿應(yīng)變增加，引入缺陷進(jìn)行全過程分析時，荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線、位移-應(yīng)變關(guān)系曲線也是分析過程中應(yīng)該考慮的重要因素。荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線、位移-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖6所示?？奂戒摴苤渭芩娩摬臑镼235，此鋼材屈服強度標(biāo)準(zhǔn)值為235 N/mm，屈服時應(yīng)變?yōu)?.001 14，從圖6a中可以看出，在立桿應(yīng)變達(dá)到屈服應(yīng)變以前，無論有無加強層，荷載-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)彈性特征，有加強層支撐架彈性階段承載力略高于無加強層支撐架；在立桿屈服以后，支撐架隨著荷載增加，應(yīng)變快速增加。從圖6b中可以看出，在立桿應(yīng)變達(dá)到屈服應(yīng)變以前，無論有無加強層，側(cè)向位移-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)彈性特征；立桿進(jìn)入屈服以后，支撐架隨著荷載增加，側(cè)向位移-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)明顯非線性特征，表現(xiàn)出應(yīng)變增加速度明顯快于側(cè)向位移增加速度，有加強層的12.5 m高支撐架(加強層間距0.75 m)和13 m高支撐架(加強層間距1.0 m),兩者側(cè)向位移-應(yīng)變關(guān)系全過程基本一致。從圖6c中可以看出，在立桿應(yīng)變達(dá)到屈服應(yīng)變以前，無論有無加強層，豎向位移-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)彈性特征，立桿進(jìn)入屈服以后，支撐架隨著荷載增加，豎向位移-應(yīng)變關(guān)系亦呈現(xiàn)明顯非線性特征，應(yīng)變增加速度明顯快于豎向位移增加速度，有加強層的12.5 m高支撐架(加強層間距0.75 m)和13 m高支撐架(加強層間距1.0 m),兩者豎向位移-應(yīng)變關(guān)系全過程較為接近。

圖4 3個模型支撐架失穩(wěn)形態(tài)

圖5 荷載-變形時間歷程

圖6 荷載、位移-應(yīng)變關(guān)系

結(jié)合上述分析，提取出支撐架剛進(jìn)入屈服應(yīng)變時對應(yīng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 支撐架屈服時計算結(jié)果

將表1和表2中數(shù)據(jù)對比分析，進(jìn)入屈服階段和達(dá)到極限荷載破環(huán)階段，承載力位移變化如表3所示。從表3中可以看出，屈服時對應(yīng)承載力基本上是極限承載力的70%～75%，變化范圍不大，加強層設(shè)置對其影響不明顯；屈服時支撐架豎向位移基本上是達(dá)到極限承載力階段豎向位移的50%～60%，變化范圍亦基本穩(wěn)定，加強層設(shè)置使支撐架屈服階段豎向位移占極限承載力階段豎向位移的比例提高；屈服時支撐架上部最大鼓曲位移基本上達(dá)到極限承載力階段的55%～66%，變化范圍亦基本穩(wěn)定，加強層設(shè)置使支撐架屈服階段上部最大鼓曲位移占極限承載力階段比例提高。根據(jù)各階段對比分析，工程監(jiān)測應(yīng)以立桿屈服以前作為控制荷載，通過觀測頂部立桿沉降變形進(jìn)行監(jiān)測，對于高度在10 m以上支撐架，不論是否設(shè)置加強層，其立桿頂部豎向沉降變形控制值均為極限承載力階段的50%～60%。為方便工程應(yīng)用，對于10～15 m范圍支撐架，建議可以偏安全地取立桿屈服時對應(yīng)豎向沉降位移的70%進(jìn)行監(jiān)測控制。

表3 支撐架屈服階段和極限階段結(jié)果對比

3 小結(jié)

扣件式鋼管支撐架加強層的設(shè)置對改變支撐架整體失穩(wěn)形態(tài)影響不大，但對提高支撐架穩(wěn)定承載力不容忽視，可以提高支撐架整體穩(wěn)定承載力10%以上；扣件式鋼管支撐架加強層的設(shè)置提高了支撐架屈服階段，豎向沉降位移占支撐架整體極限承載力階段豎向沉降位移的比例，對支撐架屈服階段承載力占支撐架整體失穩(wěn)極限承載力比例影響不明顯；扣件式鋼管支撐架加強層的設(shè)置與否，均建議工程監(jiān)測應(yīng)以支撐架立桿進(jìn)入屈服時的支撐架頂部沉降位移的70%作為控制值。