摘要：为保证高支模满堂支架的安全，有必要全面掌握高支模满堂支架的力学及变形行为，有限元法是对这种大规模复杂结构进行数值计算分析的首选。文中首先建立了某跨现浇箱梁高支模满堂支架的有限元模型，计算分析了支架系统的轴力、拉压应力及位移，结果表明：支架最大应力值与位移值均未超过钢管的强度值，支架系统的刚度和稳定性满足施工要求，Midas有限元程序适用于高支模满堂支架系统的数值模拟。
关键词：桥梁工程；高支模满堂支架；有限元法
大跨度桥箱梁现场浇注施工通常采用高支模满堂支架系统，其中碗扣式钢管支架构造简单、安装方便、运输便利，应用最普遍，尤其适于局部低洼、水塘及软弱地段，特别用在具备条件的连续箱梁施工中。但施工现场支架系统的地基没有做有效的处理。文中针对现浇连续箱梁高支模结构建立有限元模型，分析支架系统的应力、应变与位移变化，为安全施工提供技术依据。
1 支架系统的有限元模型
根据支架搭设方案，文中采用Midas建模。该支架系统为对称结构，考虑支架系统杆件繁冗，取其最不利的桥跨支架结构进行计算分析。因箱梁翼缘部分结构简单，自重较小，对支架影响不大，故不考虑翼缘部分。以支架为分析对象，上边界为箱梁底模板，外部荷载主要来自箱梁及其模板、施工作业等，下边界为桥跨问地基。支架系统模型的荷载如下：
（1）箱梁自重荷载在横隔梁和腹板处为46.8kPa，在其他部位为28.6kPa，箱梁自重荷载以均布荷载方式施加于底模板上，为恒荷载。
（2）底模板、方木、槽钢自重参考JGJ13O-2001《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》，其荷载值为0.94kPa。
（3）支架自重参考JGJ130-2O01《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》，施加于每根立杆顶部，经计算后均布到每根立杆上的集中荷载为1.18kPa。
（4）参考JTJ041-2000《公路桥涵施工技术规范》附录D“普通模板计算施工人员、机具运输堆放荷载”，其值为2.5kPa，以均布荷载方式施加于底模板上。
（5）参考JTJ041-2000《公路桥涵施工技术规范》，振捣混凝土时产生的荷载作用于底模板，其值为2.0kPa（作用范围在有效压头高度内）。
（6）该工程处于海滨，大跨径桥梁结构变形会出现明显的非线性特征，需考虑风荷载的影响。根据GB50009-2001《建筑结构荷载规范》的规定，风荷载计算后折算为梁单元荷载，施加于桥梁纵边的横杆和立杆上，其值为0.26kN／m。
根据实际情况，横桥向取半幅箱梁计算，计算模型的横桥向宽度为7.2m，纵桥向长度为15.0m。支架Midas模型共有12512个节点、17477个单元，底模板采用板单元模拟，方木、槽钢、水平杆和立杆采用梁单元模拟，碗扣件采用共节点连接方式模拟。考虑到各节点变形的协调性，板单元与梁单元的连接采用共节点连接方式。
2 支架受力分析
2.1 支架系统的轴力分析
根据Midas有限元计算结果，在自重荷载、施工荷载、风荷载的组合作用下，水平杆主要承受拉力，轴向拉力均不超过12.7kN，支架系统中最大轴向拉力为24.6kN，作用于迎风向跨中底端横向剪力撑处，由于此处是跨中最不利的荷载位置，垂直荷载和水平荷载的组合作用使此处的剪力撑承受最大的拉力。
根据文献[1]，钢管支架的容许荷载为30.0kN，此拉力均未超出容许值，因此不会发生受拉破坏。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆支架系统的立杆主要承受压应力，立杆的最大轴向压力为25.5kN，作用于跨中最不利荷载边腹板处的第二层立杆，可能因安装的支架不稳定而造成了此处的轴向压力比较大；最底层立杆的最大轴向压力为22.2kN，作用于底层支架的正中央位置；整个支架系统的最大轴向压力为41.0kN，受力杆件为背风荷载一侧的横桥向剪力撑，处于最不利荷载的跨中位置。钢管支架的容许荷载为30.0kN，横桥向剪力撑的压力值超过钢管的容许荷载值，因此需要采取适当措施加固横桥向剪力撑或增设横向剪力撑。
2.2 支架系统的应力分析
在组合荷载作用下，支架系统的组合最大拉应力为78.8MPa（发生在风荷载作用一侧跨中位置横向剪力撑的底端），组合最大压应力为105.3MPa（发生在背风荷载作用一侧横隔梁下端横向剪力撑的底端）；水平杆和立杆之间的最大拉应力为46.4MPa（发生在跨中位置边腹板下第二层横杆处），最大压应力为98.1
MPa（发生在跨中边腹板下顶层立杆处）；底层立杆的最大轴向压应力为45.4MPa，组合最大压应力为67.2MPa。根据文献[2]，Q235A钢的强度标准值为235.0MPa，有限元支架模拟结构的强度计算值均没有超过规范值。
3 支架系统的位移
3.1 支架系统的位移值
在组合荷载作用下，支架系统发生弹性和非弹性变形，其横桥向最大位移为1.180cm，发生在横隔梁底下顶层立杆处，支架上层立杆的横向位移明显大于支架下层立杆的横向位移，这是由于支架受到组合荷载作用时，上部的横向位移要大于其下部的横向位移，以保持支架整体的稳定性；纵桥向最大位移只有0.087cm，远小于横桥向最大位移；水平方向的最大位移为1.180cm，发生在横隔梁下的顶层立杆处；组合最大位移为8.040cm，发生在横隔梁与跨中腹板交接处底下的立杆处；支架顶层立杆的最大竖向位移为7.960cm，钢管支架的压缩变形在1.000cm左右，竖向位移比较均匀。
3.2 支架变形的容许值
参考GB50204-2004《混凝土结构工程施工质量及验收规范》中有关验算模板及支架的刚度，结构表面外露的模板的最大变形值为模板构件计算跨度的1／400，支架的压缩变形值或弹性挠度为相应结构计算跨度的1／1000。对于结构表面外露的模板，模板及支架的最大变形值为模板构件计算跨度的1／400，即3cm。本模型取计算跨径为12m，计算所得的水平方向最大位移为1.180cm，小于3cm，因此水平方向变形满足规范要求。支架立杆的压缩变形值约为1.000cm，规范允许值为12m／1000=0.012m=1.200cm，所以支架压缩变形值满足规范设计的要求。
4 结论
通过Midas有限元模型计算分析，结合预加荷载实测验证，得出如下结论：
（1）从数值计算可知，支架系统立杆的竖向位移最大值为7.960cm，而预压荷载试验中支架系统立杆的所有单个测点的变形总和不超过0.700cm；支架系统顶端的沉降变形不超过1.000cm。实测位移远小于竖向位移值，故高支模满堂支架有限元模拟的位移计算值偏安全，施工证实支架系统是稳定的。
（2）横向剪力撑背风荷载一侧受压超过其允许值，而在预压实测中个别剪力撑应力甚至达到428.0MPa，已经发生屈服破坏。因此，需要考虑采取适当的措施加固横桥向剪力撑或增设横桥向剪力撑，实际施工过程中，应力会因搭设方式的差异而发生很大的变化，所以对剪力撑的布置应该严格按照设计要求执行。
参考文献：
[1]邱福平，吕忠明，夏来福.关于浅水、软地基现浇箱梁满堂支架地基处理施工功法的研究[J].交通科技，2010（s2）：26—29.
[2]俞洪良，张土桥，潘新华.支模脚手架安全管理控制系统研究[J].建筑经济，2017（s2）：29—32.
[3]孙宝勇，王剑英，王天成.关于现浇箱梁预压方法——水压法的探讨[J].森林工程，2014，20（4）：65-66.
论文作者:许方方
论文发表刊物:《基层建设》2019年第3期
论文发表时间:2019/4/25
标签：支架论文; 荷载论文; 位移论文; 剪力论文; 系统论文; 立杆论文; 组合论文; 《基层建设》2019年第3期论文;