鋼管臨時結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性數(shù)值分析
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楊 耀 方淑君
（中南大學(xué)土木工程學(xué)院，長沙410075）
摘 要：近年來鋼管臨時結(jié)構(gòu)在橋隧工程建設(shè)中應(yīng)用日益廣泛，施工過程中臨時結(jié)構(gòu)因為整體失穩(wěn)而倒塌的工程事故屢有發(fā)生，故結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的理論分析顯得十分重要。結(jié)合高速鐵路建設(shè)中常用的大型鋼管型鋼組合結(jié)構(gòu)、扣件式鋼管滿堂結(jié)構(gòu)、扣件式鋼管型鋼組合結(jié)構(gòu)3種支撐體系，基于MIDAS/Civil軟件，采用數(shù)值分析方法計算分析結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性能。研究結(jié)果表明：在鋼管臨時結(jié)構(gòu)支撐體系中，剪刀撐對整體穩(wěn)定性影響較大，尤其是橫橋向的剪刀撐；鋼管滿堂支架立柱頂部懸臂長度不足會引起支撐體系的局部失穩(wěn)，不利于結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的發(fā)揮；扣件式鋼管滿堂結(jié)構(gòu)和扣件式鋼管型鋼組合結(jié)構(gòu)支撐體系穩(wěn)定性能相近，大型鋼管型鋼組合結(jié)構(gòu)支撐體系的穩(wěn)定性能最好。
關(guān)鍵詞：鋼管支架；穩(wěn)定性；剪刀撐；有限元；數(shù)值分析
DOI:10. 13206/j.gjg201606011
1概述
鋼管支架經(jīng)濟、輕便、適用，較普遍地作為施工承重支架，在施工中主要用于0號塊支撐體系、現(xiàn)澆梁的支撐體系、施工平臺等臨時結(jié)構(gòu)。由于鋼管支架應(yīng)用的普遍性，有些施工單位在施工中完全憑經(jīng)驗進行鋼管支架搭設(shè)，時常忽略檢算；有些施工單位對單個桿件的強度和剛度進行了計算，卻沒有驗算整體穩(wěn)定性，而鋼管支架的破壞往往是由于整體失穩(wěn)。結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性是影響鋼管臨時結(jié)構(gòu)安全性的關(guān)鍵因素，分析不同鋼管臨時結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性顯得尤為重要，可為現(xiàn)場工程技術(shù)人員提供有效的參考。
依托于高速鐵路中橋梁現(xiàn)澆段和隧道喇叭口臨時支撐體系，采用屈曲穩(wěn)定分析的理論方法，對大型鋼管型鋼組合結(jié)構(gòu)、扣件式鋼管滿堂結(jié)構(gòu)、扣件式鋼管滿堂型鋼組合結(jié)構(gòu)3種支撐體系分別建立MI-DAS有限元模型，分析計算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)及失穩(wěn)模態(tài)的變化規(guī)律。
2計算理論
MIDAS/Civil的線性屈曲分析工況在于解決線性屈曲問題，屬于第一類失穩(wěn)問題，結(jié)果輸出的是結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)荷載系數(shù)和失穩(wěn)模態(tài)。程序的屈曲特征方程為：
運用Midas/Civil對鋼管臨時支撐體系進行特征值穩(wěn)定分析求得特征值和特征向量，特征值就是失穩(wěn)荷載系數(shù)，特征向量是對應(yīng)于臨界荷載的屈曲模態(tài)。臨界荷載可以用已知的初始值和失穩(wěn)荷載系數(shù)的乘積計算得到。
3大型鋼管型鋼組合結(jié)構(gòu)支撐體系
3.1 工程概況
連續(xù)梁現(xiàn)澆段全長9. 75 m，梁高4.835 m，頂板寬12.6 m，底板寬6.7 m，現(xiàn)澆段混凝土計劃一次澆筑完成。鋼筋混凝土重度取26 k N／m3，模板及支架自重取混凝土重量的20%，施工人員和施工機具荷載取2.5 k N/m2，振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載取2 k N／m2。
現(xiàn)澆段采用鋼管型鋼組合支架體系，如圖1所示。支架主承重體系采用Q235鋼、直徑為630 mm、壁厚不小于10 mm的螺旋管，橫向支撐、斜撐及連墻件均采用Q235級200 mm槽鋼。支架主梁采用156c雙拼工字鋼，上放置工字鋼122a分配梁，箱梁內(nèi)箱室位置間距300 mm、翼緣板位置間距600 mm，箱梁腹板位置間距200 mm。
3.2 有限元模型
建立大型鋼管型鋼組合結(jié)構(gòu)支撐體系的空間有限元分析模型，對其穩(wěn)定性能進行較全面的仿真計算，如圖2所示。有限元模型對結(jié)構(gòu)作以下假定：該結(jié)構(gòu)采用2結(jié)點空間梁單元；鋼管底部采用一般支承的邊界條件；方木與分配梁之間的連接為剛性；分配梁和支架主梁之間的連接為剛性。
為全面考慮各方面結(jié)構(gòu)設(shè)計對此支撐體系穩(wěn)定性的影響，有限元模型設(shè)置了5種工況。工況1：支撐體系不設(shè)置剪刀撐；工況2：支撐體系設(shè)置縱向剪刀撐；工況3：支撐體系設(shè)置橫向剪刀撐；工況4：支撐體系設(shè)置雙向剪刀撐；工況5：支撐體系考慮鋼管上部結(jié)構(gòu)。
3.3穩(wěn)定性驗算
各工況的穩(wěn)定系數(shù)如表1所示。
通過以上計算結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：
1)由工況1一工況3結(jié)果對比分析可知，剪刀撐是影響支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，但設(shè)置縱橋方向和橫橋方向的豎向剪刀撐的效果不同。當設(shè)置縱橋方向的豎向剪刀撐時，對支架結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性有一定的提升，但影響不大；當設(shè)置橫橋方向的豎向剪刀撐時，支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性明顯提升，提高了1. 42倍。
2)由工況4和工況5結(jié)果對比分析可知，考慮鋼管支架上部結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響時，大型鋼管型鋼組合結(jié)構(gòu)支撐體系的穩(wěn)定性提高明顯，穩(wěn)定性提高了2. 14倍，鋼管支架上部結(jié)構(gòu)對支撐體系的受力是有利的。
4 扣件式鋼管滿堂支撐體系
4.1 工程概況
連續(xù)梁現(xiàn)澆段全長7. 75 m，梁高3.05 m，頂板寬12.6 m，底板寬6.7 m;除去邊墩墩頂范圍內(nèi)的2.1 m，單側(cè)懸臂澆筑長度5. 65 m，現(xiàn)澆段混凝土計劃一次澆筑完成。鋼筋混凝土重度取26 k N／m3，模板及支架自重取混凝土重量的20%，施工人員和施工機具荷載取2.5 k N／m2，振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載取2 k N／m2。
現(xiàn)澆段采用滿堂式碗扣支架體系，如圖3所示。連續(xù)梁支架組合方式為：腹板下為60 cm×90 cm×120 cm框架單元，翼板下為90 cm×90 cm×120 cm框架單元；底板下為90 cm x90 cm x120 cm框架單元。支架每隔2.7 m布置一道橫向剪刀撐；每隔2.7 m布置一道縱向剪刀撐。
4.2有限元模型
建立扣件式鋼管滿堂支撐體系的空間有限元分析模型，對其穩(wěn)定性能進行較全面的仿真計算，如圖4所示。有限元模型對結(jié)構(gòu)作以下假定：該結(jié)構(gòu)采用2結(jié)點空間梁單元；鋼管底部采用一般支承的邊界條件；方木與鋼管之間的連接為剛性。
為全面考慮各方面結(jié)構(gòu)設(shè)計對此支撐體系穩(wěn)定性的影響，有限元模型設(shè)置了6種工況。工況1：底板處鋼管懸臂段長度取0. 75 m，翼緣處鋼管最長懸臂段長度取1.2 m;工況2：底板處鋼管懸臂段長度取0. 15 m，翼緣處鋼管最長懸臂段長度取1.2 m；工況3：底板處鋼管懸臂段長度取0. 15 m，翼緣處鋼管最長懸臂段長度取0.6 m，且支撐體系不設(shè)置剪刀撐；工況4：支撐體系設(shè)置縱向剪刀撐；工況5：支撐體系設(shè)置橫向剪刀撐；工況6：支撐體系設(shè)置雙向剪刀撐。
4.3 穩(wěn)定性驗算
扣件式鋼管滿堂支撐體系工況3和工況6的一階和二階失穩(wěn)模態(tài)如圖5所示，工況3為無剪刀撐支架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模態(tài)，工況6為有剪刀撐支架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模態(tài)，各工況的穩(wěn)定系數(shù)如表2所示。
通過以上計算結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：
1)從一階和二階失穩(wěn)模態(tài)可以看出，無剪刀撐支架結(jié)構(gòu)在橫橋方向發(fā)生反對稱大波屈曲現(xiàn)象，波長遠大于步距；有剪刀撐支架結(jié)構(gòu)一階失穩(wěn)模態(tài)為縱橋向底板下緣立桿局部失穩(wěn)，二階失穩(wěn)模態(tài)為橫橋向底板下緣立桿整體失穩(wěn)，所以對底板下緣的立桿應(yīng)減小步距以提高穩(wěn)定性。
2)由工況1一工況3結(jié)果對比分析可知，立桿頂部懸臂長度對支架的穩(wěn)定性影響較大，當立桿懸臂長度較長時，支架表現(xiàn)為懸臂立桿的局部失穩(wěn)；當立桿懸臂長度減小時，支架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞模式從懸臂立桿的局部屈曲失穩(wěn)破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)的整體屈曲失穩(wěn)破壞。當梁體底板下方立桿懸臂長度由0. 75 m換為0.15 m時，支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提高了2. 11倍，建議底板下方懸臂長度采用0.15 m；當梁體翼緣下方立桿懸臂長度由1.2 m換為0.6 m時，支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提高了1. 35倍，建議翼緣下方懸臂長度采用0.6m。
3)由工況3-工況5結(jié)果對比分析可知，剪刀撐是影響支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，剪刀撐的合理布置有利于提高支架結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性能，但設(shè)置縱橋方向和橫橋方向的豎向剪刀撐的效果不同。當設(shè)置縱橋方向的豎向剪刀撐時，對支架結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性有一定的提高，但影響不大；當設(shè)置橫橋方向的豎向剪刀撐時，支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性明顯提高（提高了1. 59倍）；當同時設(shè)置縱橋方向和橫橋方向的豎向剪刀撐時，支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提高了1. 71倍。有限元計算結(jié)果顯示，每隔3排設(shè)置一道剪刀撐效果較好，能很好地提高支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
5 扣件式鋼管滿堂型鋼組合結(jié)構(gòu)支撐體系
5.1 工程概況
隧道洞門采用C35混凝土澆筑，喇叭口模板由內(nèi)模、外模及擋頭模組成，模板由拱式22號型鋼支撐，支撐體系采用扣件式鋼管滿堂型鋼組合結(jié)構(gòu)，如圖6所示。
混凝土計劃一次澆筑完成，鋼筋混凝土重度取26 k N／m3，模板及支架自重取混凝土重量的20%，施工人員和施工機具荷載取2.5 k N／m2，振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載取2 k N／m2。
5.2 有限元模型
建立扣件式鋼管滿堂支撐體系的空間有限元分析模型（圖7），對其穩(wěn)定性能進行較全面的仿真計算。有限元模型對結(jié)構(gòu)作以下假定：鋼管和型鋼采用2結(jié)點空間梁單元，拱式型鋼之間的木模板采用板單元；型鋼、鋼管底部采用一般支承的邊界條件；分配梁與門式型鋼之間的連接為剛性。
為考慮隧道喇叭口混凝土對此支撐體系穩(wěn)定性的最不利影響，有限元模型設(shè)置了2種工況。工況1：考慮3榀門式剛架；工況2：考慮4榀門式剛架。
5.3 穩(wěn)定性驗算
扣件式鋼管滿堂型鋼組合結(jié)構(gòu)支撐體系門式框架部分工況2的一階和二階失穩(wěn)模態(tài)如圖8所示，各工況的穩(wěn)定系數(shù)如表3所示。
通過以上計算結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：
1)從支架結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)模態(tài)圖形看，出現(xiàn)失穩(wěn)的結(jié)構(gòu)是門式型鋼部分，扣件式鋼管滿堂部分穩(wěn)定性良好。支架結(jié)構(gòu)的一階失穩(wěn)模態(tài)表現(xiàn)為內(nèi)側(cè)兩榀門式型鋼結(jié)構(gòu)的反對稱側(cè)向屈曲失穩(wěn)，支架結(jié)構(gòu)的二階失穩(wěn)模態(tài)表現(xiàn)為內(nèi)側(cè)兩榀門式型鋼結(jié)構(gòu)的對稱側(cè)向屈曲失穩(wěn)，所以對于扣件式鋼管滿堂型鋼組合結(jié)構(gòu)支撐體系來說型鋼之間的縱向連接的設(shè)置較為重要。
2)由表3可知，扣件式鋼管滿堂型鋼組合結(jié)構(gòu)支撐體系穩(wěn)定性表現(xiàn)不錯，穩(wěn)定安全系數(shù)和滿堂支架相近；3榀門式型鋼框架的穩(wěn)定性略好于4榀門式型鋼框架。
6 結(jié)束語
綜合分析高速鐵路建設(shè)中常用的大型鋼管型鋼組合結(jié)構(gòu)、扣件式鋼管滿堂結(jié)構(gòu)、扣件式鋼管型鋼組合結(jié)構(gòu)3種支撐體系，結(jié)合結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析理論，采用MIDAS三維數(shù)值計算方法進行了3種結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的影響分析。在本次設(shè)定的計算條件下，根據(jù)計算結(jié)果及其分析可知：在鋼管臨時結(jié)構(gòu)支撐體系中，剪刀撐對整體穩(wěn)定性影響較大，尤其是橫橋向的剪刀撐；鋼管滿堂支架立柱頂部懸臂長度不足會引起支撐體系的局部失穩(wěn)，不利于結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的發(fā)揮，并且梁體底板下方鋼管滿堂支架受力更大，更容易失穩(wěn)，故需對該部分的鋼管進行加密；扣件式鋼管滿堂結(jié)構(gòu)和扣件式鋼管型鋼組合結(jié)構(gòu)支撐體系穩(wěn)定性能相近，大型鋼管型鋼組合結(jié)構(gòu)支撐體系的穩(wěn)定性能最好。
