盤(pán)扣式鋼管獨(dú)立支撐塔架承載力研究

馮巍貽 梁昊慶

(上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080)

0 引言

實(shí)際工程中，經(jīng)常會(huì)遇到人貨梯需安裝在地下室頂板上的情況。此時(shí)，需要對(duì)地下室頂板結(jié)構(gòu)進(jìn)行臨時(shí)加固。如采用φ609鋼管、H型鋼等材料進(jìn)行加固，加固材料不便于運(yùn)輸起吊和安裝就位，因此可采用鋼管支架。

盤(pán)扣件式鋼管支架相比，盤(pán)扣式鋼管獨(dú)立支撐塔架具有整體穩(wěn)定、施工工效、受力性能、安全可靠等方面的優(yōu)勢(shì)，適合作為地下室頂板結(jié)構(gòu)的臨時(shí)加固措施。但《建筑施工承插型盤(pán)扣式鋼管支架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ231-2010)[1]條規(guī)定：“對(duì)長(zhǎng)條狀的獨(dú)立高支模架，架體總高度與架體的寬度之比H/B不宜大于3?！比欢?，實(shí)際應(yīng)用中，獨(dú)立支撐塔架的高寬比往往超過(guò)限值。若采用一般模板支撐架進(jìn)行計(jì)算，未考慮高寬比增大的影響，則會(huì)出現(xiàn)偏于不安全的情況。雖規(guī)范規(guī)定“當(dāng)模板支架搭設(shè)成雙向均有豎向斜桿的獨(dú)立方塔架形式時(shí)，可按帶有斜腹桿的格構(gòu)柱形式進(jìn)行計(jì)算”，但此條例在實(shí)際工程應(yīng)用中，不便于計(jì)算應(yīng)用。

本文通過(guò)對(duì)盤(pán)扣式鋼管獨(dú)立支撐塔架承載力和穩(wěn)定性的計(jì) 算,分析不同水平桿步距、立桿間距、架體高度等的影響,研究高寬比超限情況下立桿計(jì)算長(zhǎng)度的實(shí)用設(shè)計(jì)方法,促進(jìn)盤(pán)扣式鋼管獨(dú)立支撐塔架在工程中推廣應(yīng)用。

1 計(jì)算模型建立

以某實(shí)際工程為例，通過(guò)采用Midas結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有限元分析軟件，建立模型進(jìn)行分析。立桿、橫桿、斜桿計(jì)算模型均采用桿單元，各桿節(jié)點(diǎn)采用半剛性節(jié)點(diǎn)建模。根據(jù)(JGJ231-2010)規(guī)范條文說(shuō)明，盤(pán)扣式鋼管支架水平桿與立桿連接節(jié)點(diǎn)具有一定的抗扭轉(zhuǎn)能力，其抗扭轉(zhuǎn)剛度可取8.6×107 N·mm/rad。

計(jì)算荷載方面：施工升降機(jī)安裝高度約96 m、基礎(chǔ)尺寸6.2 m×3.8 m×0.3 m。不考慮地下室頂板結(jié)構(gòu)自身承載力，施工升降機(jī)自重設(shè)計(jì)值494.928 kN、基礎(chǔ)荷載設(shè)計(jì)值212.040 kN，兩者合計(jì)706.968 kN。盤(pán)扣式鋼管水平桿步距以500 mm為模數(shù)構(gòu)成，立桿間距以300 mm為模數(shù)構(gòu)成。盤(pán)扣式鋼管獨(dú)立支撐架鋼管外徑48 mm、鋼管壁厚3.2 mm，立桿間距600 mm、水平桿步距1000 mm，獨(dú)立支撐塔架平面尺寸1.8 m×1.8 m、架體高度8.9 m，獨(dú)立支撐塔架架體高寬比4.944，超過(guò)規(guī)范限值，將臨時(shí)加固獨(dú)立支撐塔架頂部荷載等效均布至每根立桿，集中荷載14.428 kN。

2 計(jì)算分析結(jié)果

2.1 水平桿步距不同的影響

水平桿步距不同時(shí)，結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài)和立桿承載力的計(jì)算結(jié)果如表1～表2所示。由表1可見(jiàn)，隨著水平桿步距的增大，一階屈曲特征值逐漸減小，但當(dāng)步距減小時(shí)，結(jié)構(gòu)的低階屈曲模態(tài)分布更加密集。由表2可見(jiàn)，隨步距減小立桿承載力提高，當(dāng)步距由1500減小到500時(shí),立桿承載力由53.37 kN增大至85.75 kN,增大了61%。

表1 不同步距支撐架的屈曲模態(tài)與屈曲特征值

表2 不同步距支撐架的立桿承載力與計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)

2.2 立桿間距(跨數(shù))不同的影響

當(dāng)架體平面尺寸為1800 mm×1800 mm，架體高寬比不變，立桿間距不同時(shí)，架體的屈曲模態(tài)如表3所示。結(jié)構(gòu)屈曲特征值與立桿承載力如表4所示，立桿承載力隨立桿間距增大呈減小趨勢(shì)。由此說(shuō)明在高寬比不變的情況下，立桿間距增大而跨數(shù)減小時(shí)，結(jié)構(gòu)整體剛度下降，立桿承載力減小，且承載力隨立桿跨數(shù)的線(xiàn)性減小呈更大的減小趨勢(shì)。立桿跨數(shù)由6減小3再至2時(shí),立桿承載力由72.01 kN減小至66.91 kN,進(jìn)而至62.42 kN,分別降低了7.1%和8.2%;立桿跨數(shù)影響雖不及水平桿步距的影響,但應(yīng)保證至少3跨的立桿跨數(shù),不至立桿承載力降低過(guò)多。

表3 不同立桿間距支撐架的屈曲模態(tài)與屈曲特征值

表4 不同立桿間距支撐架的立桿承載力與計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)

2.3 架體高度(高寬比)不同的影響

當(dāng)架體尺寸為1800 mm×1800 mm，架體高度增大，架體高寬增大時(shí)，架體的屈曲模態(tài)如表5所示。隨著架體高度的增大，結(jié)構(gòu)一階屈曲特征值減小，屈曲變形最大位置均處于架體中部偏下位置。立桿承載力變化如表6所示，隨著架體高度和高寬比的線(xiàn)性增大，立桿承載力呈更大的減小趨勢(shì)。高寬比由3.278增大至6.611時(shí),立桿承載力由72.8 kN降低至62.4 kN,減小16.7%。

表5 不同高度支撐架的屈曲模態(tài)與屈曲特征值

表6 不同高度支撐架的立桿承載力與計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)

2.4 架體平面尺寸不同的影響

不同平面尺寸架體的一階屈曲模態(tài)與屈曲特征值如表7所示。在保證架體高度不變的條件下，隨著平面尺寸增大，高寬比減小，一階屈曲特征值不斷增大。當(dāng)架體平面尺寸增大，立桿的變形整體性逐步降低，中部立桿的變形大于外圍立桿。不同平面尺寸架體在立桿承載力如表8所示，隨著架體立桿跨數(shù)的增多，高寬比減小，架體整體剛度增大，立桿承載力增大幅度隨架體平面尺寸增大而增大。架體高寬比由7.4減小至3.7時(shí),單桿承載力由48.8 kN提高到91.6 kN,提高了87.7%。

表7 不同立桿跨數(shù)支撐架的屈曲模態(tài)與屈曲特征值

表8 不同立桿跨數(shù)支撐架的立桿承載力與計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)

2.5 水平斜桿不同的影響

架體水平斜桿不同布置情況下的屈曲模態(tài)與立桿承載力，如表9所示～表10所示。可見(jiàn)，水平斜桿的設(shè)置情況不同，會(huì)影響架體的屈曲變形形態(tài)，兩步設(shè)一道和滿(mǎn)步設(shè)置對(duì)屈曲特征值變化很小。不同水平斜桿設(shè)置情況下，立桿承載力變化較大，滿(mǎn)布水平斜桿時(shí)的立桿承載力，比不布置水平撐時(shí)提升24.5%。

表9 不同水平撐設(shè)置支撐架的屈曲模態(tài)與屈曲特征值

表10 不同水平撐設(shè)置支撐架的立桿承載力與計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)

2.6 豎向斜桿不同的影響

架體豎向斜桿不同布置時(shí)，立桿承載力如表11所示。可見(jiàn)，隨著豎向斜桿的設(shè)置和布置形式調(diào)整、加密，架體的屈曲特征值與立桿承載力呈增大趨勢(shì)。各跨布置斜桿與不布置斜桿兩種情況的立桿承載力，分別為64.34 kN和39.2 kN,相差約64%。各跨布置斜桿的架體立桿承載力64.34 kN,大于隔步布置架體的立桿承載力53.92 kN,原因在于隔步布置斜桿時(shí)，架體出現(xiàn)了相對(duì)薄弱層。而滿(mǎn)布斜桿時(shí),立桿承載力較各跨布置斜桿僅提高約4%,故豎向斜桿宜各跨布置。

表11 不同斜桿設(shè)置支撐架的立桿承載力與計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)

3 立桿計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)取值[3-6]

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)水平桿步距、架體高寬比和豎向斜桿的設(shè)置，是影響立桿承載力的主要因素。參考《建筑施工承插型盤(pán)扣式鋼管支架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ231-2010)第5.3.2條規(guī)定，建議盤(pán)扣式高寬比超限支撐架的立桿計(jì)算長(zhǎng)度公式取式(1)：

l0=kηh

(1)

式中：η——立桿計(jì)算長(zhǎng)度修正系數(shù)；

k——立桿計(jì)算長(zhǎng)度附加系數(shù)，考慮架體初始缺陷的影響，參考JGJ130-2011[2]的規(guī)定，按表12取用；

h——支架立桿中間層水平桿最大豎向步距(m)；

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，通過(guò)多項(xiàng)式回歸得到擬合公式如式(2)～式(4)所示，式中x為架體高寬比。

0.5m步距：η=-0.0048x2+0.1241x+1.9216

(2)

1.0m步距：η=-0.0031x2+0.0793x+1.2272

(3)

1.5m步距：η=-0.0022x2+0.0578x+0.8955

(4)

參考《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ130-2011)關(guān)于附加長(zhǎng)度系數(shù)的規(guī)定：將式(2)～(4)所得計(jì)算結(jié)果乘以表12所示的立桿附加長(zhǎng)度系數(shù)后，得到盤(pán)扣式獨(dú)立塔架立桿計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，如表13所示。

表12 立桿計(jì)算長(zhǎng)度附加系數(shù)[2]

表13 承插盤(pán)扣式重載支撐架體系立桿計(jì)算長(zhǎng)度

續(xù)表

4 結(jié)論

(1)根據(jù)承插盤(pán)扣式塔架高支撐架體的架體形式、節(jié)點(diǎn)特性和受力工況建立有限元模型，對(duì)比分析不同架體布設(shè)形式情況下，結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài)與立桿承載力，給出了盤(pán)扣式獨(dú)立支撐架立桿計(jì)算長(zhǎng)度的建議取值。

(2)隨著水平桿步距的減小、立桿跨數(shù)的增加或架體高寬比的減小，架體立桿承載力提高；滿(mǎn)布水平斜桿的立桿承載力可比無(wú)斜桿高約25%。設(shè)置豎向斜桿，能顯著提高立桿承載力，而斜桿布設(shè)形式對(duì)承載力影響不大。

(3)盤(pán)扣式獨(dú)立塔架建議構(gòu)造措施為：架體高寬比應(yīng)盡可能減小，立桿跨數(shù)不應(yīng)小于3跨，且架體兩向布置宜對(duì)稱(chēng)為正方形；必須設(shè)置豎向斜桿，且宜各跨布置，宜滿(mǎn)布設(shè)置水平斜桿；在工作面允許的情況下宜設(shè)置側(cè)向斜拋撐，斜拋撐宜設(shè)置在架體中部位置。