钢管临时结构整体稳定性数值分析

 杨  耀  方淑君

 （中南大学土木工程学院，长沙410075）

摘  要：近年来钢管临时结构在桥隧工程建设中应用日益广泛，施工过程中临时结构因为整体失稳而倒塌的工程事故屡有发生，故结构整体稳定性的理论分析显得十分重要。结合高速铁路建设中常用的大型钢管型钢组合结构、扣件式钢管满堂结构、扣件式钢管型钢组合结构3种支撑体系，基于MIDAS/Civil软件，采用数值分析方法计算分析结构的整体稳定性能。研究结果表明：在钢管临时结构支撑体系中，剪刀撑对整体稳定性影响较大，尤其是横桥向的剪刀撑；钢管满堂支架立柱顶部悬臂长度不足会引起支撑体系的局部失稳，不利于结构整体稳定性的发挥；扣件式钢管满堂结构和扣件式钢管型钢组合结构支撑体系稳定性能相近，大型钢管型钢组合结构支撑体系的稳定性能最好。

关键词：钢管支架；稳定性；剪刀撑；有限元；数值分析

DOI:10. 13206/j.gjg201606011

1概述

 钢管支架经济、轻便、适用，较普遍地作为施工承重支架，在施工中主要用于0号块支撑体系、现浇梁的支撑体系、施工平台等临时结构。由于钢管支架应用的普遍性，有些施工单位在施工中完全凭经验进行钢管支架搭设，时常忽略检算；有些施工单位对单个杆件的强度和刚度进行了计算，却没有验算整体稳定性，而钢管支架的破坏往往是由于整体失稳。结构的整体稳定性是影响钢管临时结构安全性的关键因素，分析不同钢管临时结构整体稳定性显得尤为重要，可为现场工程技术人员提供有效的参考。

 依托于高速铁路中桥梁现浇段和隧道喇叭口临时支撑体系，采用屈曲稳定分析的理论方法，对大型钢管型钢组合结构、扣件式钢管满堂结构、扣件式钢管满堂型钢组合结构3种支撑体系分别建立MI-DAS有限元模型，分析计算结构的稳定安全系数及失稳模态的变化规律。

2计算理论

 MIDAS/Civil的线性屈曲分析工况在于解决线性屈曲问题，属于第一类失稳问题，结果输出的是结构的失稳荷载系数和失稳模态。程序的屈曲特征方程为：

 运用Midas/Civil对钢管临时支撑体系进行特征值稳定分析求得特征值和特征向量，特征值就是失稳荷载系数，特征向量是对应于临界荷载的屈曲模态。临界荷载可以用已知的初始值和失稳荷载系数的乘积计算得到。

3大型钢管型钢组合结构支撑体系

3.1  工程概况

 连续梁现浇段全长9. 75 m，梁高4.835 m，顶板宽12.6 m，底板宽6.7 m，现浇段混凝土计划一次浇筑完成。钢筋混凝土重度取26 k N／m3，模板及支架自重取混凝土重量的20%，施工人员和施工机具荷载取2.5 k N/m2，振捣混凝土时产生的荷载取2 k N／m2。

 现浇段采用钢管型钢组合支架体系，如图1所示。支架主承重体系采用Q235钢、直径为630 mm、壁厚不小于10 mm的螺旋管，横向支撑、斜撑及连墙件均采用Q235级200 mm槽钢。支架主梁采用156c双拼工字钢，上放置工字钢122a分配梁，箱梁内箱室位置间距300 mm、翼缘板位置间距600 mm，箱梁腹板位置间距200 mm。

3.2  有限元模型

 建立大型钢管型钢组合结构支撑体系的空间有限元分析模型，对其稳定性能进行较全面的仿真计算，如图2所示。有限元模型对结构作以下假定：该结构采用2结点空间梁单元；钢管底部采用一般支承的边界条件；方木与分配梁之间的连接为刚性；分配梁和支架主梁之间的连接为刚性。

 为全面考虑各方面结构设计对此支撑体系稳定性的影响，有限元模型设置了5种工况。工况1：支撑体系不设置剪刀撑；工况2：支撑体系设置纵向剪刀撑；工况3：支撑体系设置横向剪刀撑；工况4：支撑体系设置双向剪刀撑；工况5：支撑体系考虑钢管上部结构。

3.3稳定性验算

各工况的稳定系数如表1所示。

 通过以上计算结果，可以得出如下结论：

 1)由工况1一工况3结果对比分析可知，剪刀撑是影响支架结构稳定性的关键因素，但设置纵桥方向和横桥方向的竖向剪刀撑的效果不同。当设置纵桥方向的竖向剪刀撑时，对支架结构的整体稳定性有一定的提升，但影响不大；当设置横桥方向的竖向剪刀撑时，支架结构的稳定性明显提升，提高了1. 42倍。

 2)由工况4和工况5结果对比分析可知，考虑钢管支架上部结构对结构稳定性的影响时，大型钢管型钢组合结构支撑体系的稳定性提高明显，稳定性提高了2. 14倍，钢管支架上部结构对支撑体系的受力是有利的。

4  扣件式钢管满堂支撑体系

4.1  工程概况

 连续梁现浇段全长7. 75 m，梁高3.05 m，顶板宽12.6 m，底板宽6.7 m;除去边墩墩顶范围内的2.1 m，单侧悬臂浇筑长度5. 65 m，现浇段混凝土计划一次浇筑完成。钢筋混凝土重度取26 k N／m3，模板及支架自重取混凝土重量的20%，施工人员和施工机具荷载取2.5 k N／m2，振捣混凝土时产生的荷载取2 k N／m2。

 现浇段采用满堂式碗扣支架体系，如图3所示。连续梁支架组合方式为：腹板下为60 cm×90 cm×120 cm框架单元，翼板下为90 cm×90 cm×120 cm框架单元；底板下为90 cm x90 cm x120 cm框架单元。支架每隔2.7 m布置一道横向剪刀撑；每隔2.7 m布置一道纵向剪刀撑。

4.2有限元模型

 建立扣件式钢管满堂支撑体系的空间有限元分析模型，对其稳定性能进行较全面的仿真计算，如图4所示。有限元模型对结构作以下假定：该结构采用2结点空间梁单元；钢管底部采用一般支承的边界条件；方木与钢管之间的连接为刚性。

 为全面考虑各方面结构设计对此支撑体系稳定性的影响，有限元模型设置了6种工况。工况1：底板处钢管悬臂段长度取0. 75 m，翼缘处钢管最长悬臂段长度取1.2 m;工况2：底板处钢管悬臂段长度取0. 15 m，翼缘处钢管最长悬臂段长度取1.2 m；工况3：底板处钢管悬臂段长度取0. 15 m，翼缘处钢管最长悬臂段长度取0.6 m，且支撑体系不设置剪刀撑；工况4：支撑体系设置纵向剪刀撑；工况5：支撑体系设置横向剪刀撑；工况6：支撑体系设置双向剪刀撑。

4.3  稳定性验算

 扣件式钢管满堂支撑体系工况3和工况6的一阶和二阶失稳模态如图5所示，工况3为无剪刀撑支架结构失稳模态，工况6为有剪刀撑支架结构失稳模态，各工况的稳定系数如表2所示。

 通过以上计算结果，可以得出如下结论：

 1)从一阶和二阶失稳模态可以看出，无剪刀撑支架结构在横桥方向发生反对称大波屈曲现象，波长远大于步距；有剪刀撑支架结构一阶失稳模态为纵桥向底板下缘立杆局部失稳，二阶失稳模态为横桥向底板下缘立杆整体失稳，所以对底板下缘的立杆应减小步距以提高稳定性。

 2)由工况1一工况3结果对比分析可知，立杆顶部悬臂长度对支架的稳定性影响较大，当立杆悬臂长度较长时，支架表现为悬臂立杆的局部失稳；当立杆悬臂长度减小时，支架结构失稳破坏模式从悬臂立杆的局部屈曲失稳破坏转变为结构的整体屈曲失稳破坏。当梁体底板下方立杆悬臂长度由0. 75 m换为0.15 m时，支架结构的稳定性提高了2. 11倍，建议底板下方悬臂长度采用0.15 m；当梁体翼缘下方立杆悬臂长度由1.2 m换为0.6 m时，支架结构的稳定性提高了1. 35倍，建议翼缘下方悬臂长度采用0.6m。

 3)由工况3-工况5结果对比分析可知，剪刀撑是影响支架结构稳定性的关键因素，剪刀撑的合理布置有利于提高支架结构的整体稳定性能，但设置纵桥方向和横桥方向的竖向剪刀撑的效果不同。当设置纵桥方向的竖向剪刀撑时，对支架结构的整体稳定性有一定的提高，但影响不大；当设置横桥方向的竖向剪刀撑时，支架结构的稳定性明显提高（提高了1. 59倍）；当同时设置纵桥方向和横桥方向的竖向剪刀撑时，支架结构的稳定性提高了1. 71倍。有限元计算结果显示，每隔3排设置一道剪刀撑效果较好，能很好地提高支架结构的稳定性。

5  扣件式钢管满堂型钢组合结构支撑体系

5.1  工程概况

 隧道洞门采用C35混凝土浇筑，喇叭口模板由内模、外模及挡头模组成，模板由拱式22号型钢支撑，支撑体系采用扣件式钢管满堂型钢组合结构，如图6所示。

 混凝土计划一次浇筑完成，钢筋混凝土重度取26 k N／m3，模板及支架自重取混凝土重量的20%，施工人员和施工机具荷载取2.5 k N／m2，振捣混凝土时产生的荷载取2 k N／m2。

5.2  有限元模型

 建立扣件式钢管满堂支撑体系的空间有限元分析模型（图7），对其稳定性能进行较全面的仿真计算。有限元模型对结构作以下假定：钢管和型钢采用2结点空间梁单元，拱式型钢之间的木模板采用板单元；型钢、钢管底部采用一般支承的边界条件；分配梁与门式型钢之间的连接为刚性。

 为考虑隧道喇叭口混凝土对此支撑体系稳定性的最不利影响，有限元模型设置了2种工况。工况1：考虑3榀门式刚架；工况2：考虑4榀门式刚架。

5.3  稳定性验算

 扣件式钢管满堂型钢组合结构支撑体系门式框架部分工况2的一阶和二阶失稳模态如图8所示，各工况的稳定系数如表3所示。

 通过以上计算结果，可以得出如下结论：

 1)从支架结构的失稳模态图形看，出现失稳的结构是门式型钢部分，扣件式钢管满堂部分稳定性良好。支架结构的一阶失稳模态表现为内侧两榀门式型钢结构的反对称侧向屈曲失稳，支架结构的二阶失稳模态表现为内侧两榀门式型钢结构的对称侧向屈曲失稳，所以对于扣件式钢管满堂型钢组合结构支撑体系来说型钢之间的纵向连接的设置较为重要。

 2)由表3可知，扣件式钢管满堂型钢组合结构支撑体系稳定性表现不错，稳定安全系数和满堂支架相近；3榀门式型钢框架的稳定性略好于4榀门式型钢框架。

6  结束语

 综合分析高速铁路建设中常用的大型钢管型钢组合结构、扣件式钢管满堂结构、扣件式钢管型钢组合结构3种支撑体系，结合结构整体稳定性分析理论，采用MIDAS三维数值计算方法进行了3种结构整体稳定性的影响分析。在本次设定的计算条件下，根据计算结果及其分析可知：在钢管临时结构支撑体系中，剪刀撑对整体稳定性影响较大，尤其是横桥向的剪刀撑；钢管满堂支架立柱顶部悬臂长度不足会引起支撑体系的局部失稳，不利于结构整体稳定性的发挥，并且梁体底板下方钢管满堂支架受力更大，更容易失稳，故需对该部分的钢管进行加密；扣件式钢管满堂结构和扣件式钢管型钢组合结构支撑体系稳定性能相近，大型钢管型钢组合结构支撑体系的稳定性能最好。