楊  耀  方淑君

 （中南大學土木工程學院，長沙410075）

摘  要：近年來鋼管臨時結構在橋隧工程建設中應用日益廣泛，施工過程中臨時結構因為整體失穩而倒塌的工程事故屢有發生，故結構整體穩定性的理論分析顯得十分重要。結合高速鐵路建設中常用的大型鋼管型鋼組合結構、扣件式鋼管滿堂結構、扣件式鋼管型鋼組合結構3種支撐體系，基于MIDAS/Civil軟件，采用數值分析方法計算分析結構的整體穩定性能。研究結果表明：在鋼管臨時結構支撐體系中，剪刀撐對整體穩定性影響較大，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，不利于結構整體穩定性的發揮；扣件式鋼管滿堂結構和扣件式鋼管型鋼組合結構支撐體系穩定性能相近，大型鋼管型鋼組合結構支撐體系的穩定性能最好。

關鍵詞：鋼管支架；穩定性；剪刀撐；有限元；數值分析

DOI:10. 13206/j.gjg201606011

1概述

 鋼管支架經濟、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、現澆梁的支撐體系、施工平臺等臨時結構。由于鋼管支架應用的普遍性，有些施工單位在施工中完全憑經驗進行鋼管支架搭設，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，卻沒有驗算整體穩定性，而鋼管支架的破壞往往是由于整體失穩。結構的整體穩定性是影響鋼管臨時結構安全性的關鍵因素，分析不同鋼管臨時結構整體穩定性顯得尤為重要，可為現場工程技術人員提供有效的參考。

 依托于高速鐵路中橋梁現澆段和隧道喇叭口臨時支撐體系，采用屈曲穩定分析的理論方法，對大型鋼管型鋼組合結構、扣件式鋼管滿堂結構、扣件式鋼管滿堂型鋼組合結構3種支撐體系分別建立MI-DAS有限元模型，分析計算結構的穩定安全系數及失穩模態的變化規律。

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，屬于第一類失穩問題，結果輸出的是結構的失穩荷載系數和失穩模態。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定分析求得特征值和特征向量，特征值就是失穩荷載系數，特征向量是對應于臨界荷載的屈曲模態。臨界荷載可以用已知的初始值和失穩荷載系數的乘積計算得到。

3大型鋼管型鋼組合結構支撐體系

3.1  工程概況

 連續梁現澆段全長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，振搗混凝土時產生的荷載取2 k N／m2。

 現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構支撐體系的空間有限元分析模型，對其穩定性能進行較全面的仿真計算，如圖2所示。有限元模型對結構作以下假定：該結構采用2結點空間梁單元；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構設計對此支撐體系穩定性的影響，有限元模型設置了5種工況。工況1：支撐體系不設置剪刀撐；工況2：支撐體系設置縱向剪刀撐；工況3：支撐體系設置橫向剪刀撐；工況4：支撐體系設置雙向剪刀撐；工況5：支撐體系考慮鋼管上部結構。

3.3穩定性驗算

各工況的穩定系數如表1所示。

 通過以上計算結果，可以得出如下結論：

 1)由工況1一工況3結果對比分析可知，剪刀撐是影響支架結構穩定性的關鍵因素，但設置縱橋方向和橫橋方向的豎向剪刀撐的效果不同。當設置縱橋方向的豎向剪刀撐時，對支架結構的整體穩定性有一定的提升，但影響不大；當設置橫橋方向的豎向剪刀撐時，支架結構的穩定性明顯提升，提高了1. 42倍。

 2)由工況4和工況5結果對比分析可知，考慮鋼管支架上部結構對結構穩定性的影響時，大型鋼管型鋼組合結構支撐體系的穩定性提高明顯，穩定性提高了2. 14倍，鋼管支架上部結構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

 連續梁現澆段全長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的2.1 m，單側懸臂澆筑長度5. 65 m，現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，振搗混凝土時產生的荷載取2 k N／m2。

 現澆段采用滿堂式碗扣支架體系，如圖3所示。連續梁支架組合方式為：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。有限元模型對結構作以下假定：該結構采用2結點空間梁單元；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構設計對此支撐體系穩定性的影響，有限元模型設置了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，且支撐體系不設置剪刀撐；工況4：支撐體系設置縱向剪刀撐；工況5：支撐體系設置橫向剪刀撐；工況6：支撐體系設置雙向剪刀撐。

4.3  穩定性驗算

 扣件式鋼管滿堂支撐體系工況3和工況6的一階和二階失穩模態如圖5所示，工況3為無剪刀撐支架結構失穩模態，工況6為有剪刀撐支架結構失穩模態，各工況的穩定系數如表2所示。

 通過以上計算結果，可以得出如下結論：

 1)從一階和二階失穩模態可以看出，無剪刀撐支架結構在橫橋方向發生反對稱大波屈曲現象，波長遠大于步距；有剪刀撐支架結構一階失穩模態為縱橋向底板下緣立桿局部失穩，二階失穩模態為橫橋向底板下緣立桿整體失穩，所以對底板下緣的立桿應減小步距以提高穩定性。

 2)由工況1一工況3結果對比分析可知，立桿頂部懸臂長度對支架的穩定性影響較大，當立桿懸臂長度較長時，支架表現為懸臂立桿的局部失穩；當立桿懸臂長度減小時，支架結構失穩破壞模式從懸臂立桿的局部屈曲失穩破壞轉變為結構的整體屈曲失穩破壞。當梁體底板下方立桿懸臂長度由0. 75 m換為0.15 m時，支架結構的穩定性提高了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，支架結構的穩定性提高了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結果對比分析可知，剪刀撐是影響支架結構穩定性的關鍵因素，剪刀撐的合理布置有利于提高支架結構的整體穩定性能，但設置縱橋方向和橫橋方向的豎向剪刀撐的效果不同。當設置縱橋方向的豎向剪刀撐時，對支架結構的整體穩定性有一定的提高，但影響不大；當設置橫橋方向的豎向剪刀撐時，支架結構的穩定性明顯提高（提高了1. 59倍）；當同時設置縱橋方向和橫橋方向的豎向剪刀撐時，支架結構的穩定性提高了1. 71倍。有限元計算結果顯示，每隔3排設置一道剪刀撐效果較好，能很好地提高支架結構的穩定性。

5  扣件式鋼管滿堂型鋼組合結構支撐體系

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構，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，振搗混凝土時產生的荷載取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），對其穩定性能進行較全面的仿真計算。有限元模型對結構作以下假定：鋼管和型鋼采用2結點空間梁單元，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定性的最不利影響，有限元模型設置了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  穩定性驗算

 扣件式鋼管滿堂型鋼組合結構支撐體系門式框架部分工況2的一階和二階失穩模態如圖8所示，各工況的穩定系數如表3所示。

 通過以上計算結果，可以得出如下結論：

 1)從支架結構的失穩模態圖形看，出現失穩的結構是門式型鋼部分，扣件式鋼管滿堂部分穩定性良好。支架結構的一階失穩模態表現為內側兩榀門式型鋼結構的反對稱側向屈曲失穩，支架結構的二階失穩模態表現為內側兩榀門式型鋼結構的對稱側向屈曲失穩，所以對于扣件式鋼管滿堂型鋼組合結構支撐體系來說型鋼之間的縱向連接的設置較為重要。

 2)由表3可知，扣件式鋼管滿堂型鋼組合結構支撐體系穩定性表現不錯，穩定安全系數和滿堂支架相近；3榀門式型鋼框架的穩定性略好于4榀門式型鋼框架。

6  結束語

 綜合分析高速鐵路建設中常用的大型鋼管型鋼組合結構、扣件式鋼管滿堂結構、扣件式鋼管型鋼組合結構3種支撐體系，結合結構整體穩定性分析理論，采用MIDAS三維數值計算方法進行了3種結構整體穩定性的影響分析。在本次設定的計算條件下，根據計算結果及其分析可知：在鋼管臨時結構支撐體系中，剪刀撐對整體穩定性影響較大，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，不利于結構整體穩定性的發揮，并且梁體底板下方鋼管滿堂支架受力更大，更容易失穩，故需對該部分的鋼管進行加密；扣件式鋼管滿堂結構和扣件式鋼管型鋼組合結構支撐體系穩定性能相近，大型鋼管型鋼組合結構支撐體系的穩定性能最好。