冯巍贻 梁昊庆

(上海建工集团股份有限公司 上海 200080)

0 引言

实际工程中，经常会遇到人货梯需安装在地下室顶板上的情况。此时，需要对地下室顶板结构进行临时加固。如采用φ609钢管、H型钢等材料进行加固，加固材料不便于运输起吊和安装就位，因此可采用钢管支架。

盘扣件式钢管支架相比，盘扣式钢管独立支撑塔架具有整体稳定、施工工效、受力性能、安全可靠等方面的优势，适合作为地下室顶板结构的临时加固措施。但《建筑施工承插型盘扣式钢管支架安全技术规范》(JGJ231-2010)[1]条规定：“对长条状的独立高支模架，架体总高度与架体的宽度之比H/B不宜大于3。”然而，实际应用中，独立支撑塔架的高宽比往往超过限值。若采用一般模板支撑架进行计算，未考虑高宽比增大的影响，则会出现偏于不安全的情况。虽规范规定“当模板支架搭设成双向均有竖向斜杆的独立方塔架形式时，可按带有斜腹杆的格构柱形式进行计算”，但此条例在实际工程应用中，不便于计算应用。

本文通过对盘扣式钢管独立支撑塔架承载力和稳定性的计 算,分析不同水平杆步距、立杆间距、架体高度等的影响,研究高宽比超限情况下立杆计算长度的实用设计方法,促进盘扣式钢管独立支撑塔架在工程中推广应用。

1 计算模型建立

以某实际工程为例，通过采用Midas结构设计有限元分析软件，建立模型进行分析。立杆、横杆、斜杆计算模型均采用杆单元，各杆节点采用半刚性节点建模。根据(JGJ231-2010)规范条文说明，盘扣式钢管支架水平杆与立杆连接节点具有一定的抗扭转能力，其抗扭转刚度可取8.6×107 N·mm/rad。

计算荷载方面：施工升降机安装高度约96 m、基础尺寸6.2 m×3.8 m×0.3 m。不考虑地下室顶板结构自身承载力，施工升降机自重设计值494.928 kN、基础荷载设计值212.040 kN，两者合计706.968 kN。盘扣式钢管水平杆步距以500 mm为模数构成，立杆间距以300 mm为模数构成。盘扣式钢管独立支撑架钢管外径48 mm、钢管壁厚3.2 mm，立杆间距600 mm、水平杆步距1000 mm，独立支撑塔架平面尺寸1.8 m×1.8 m、架体高度8.9 m，独立支撑塔架架体高宽比4.944，超过规范限值，将临时加固独立支撑塔架顶部荷载等效均布至每根立杆，集中荷载14.428 kN。

2 计算分析结果

2.1 水平杆步距不同的影响

水平杆步距不同时，结构的屈曲模态和立杆承载力的计算结果如表1～表2所示。由表1可见，随着水平杆步距的增大，一阶屈曲特征值逐渐减小，但当步距减小时，结构的低阶屈曲模态分布更加密集。由表2可见，随步距减小立杆承载力提高，当步距由1500减小到500时,立杆承载力由53.37 kN增大至85.75 kN,增大了61%。

表1 不同步距支撑架的屈曲模态与屈曲特征值

表2 不同步距支撑架的立杆承载力与计算长度系数

2.2 立杆间距(跨数)不同的影响

当架体平面尺寸为1800 mm×1800 mm，架体高宽比不变，立杆间距不同时，架体的屈曲模态如表3所示。结构屈曲特征值与立杆承载力如表4所示，立杆承载力随立杆间距增大呈减小趋势。由此说明在高宽比不变的情况下，立杆间距增大而跨数减小时，结构整体刚度下降，立杆承载力减小，且承载力随立杆跨数的线性减小呈更大的减小趋势。立杆跨数由6减小3再至2时,立杆承载力由72.01 kN减小至66.91 kN,进而至62.42 kN,分别降低了7.1%和8.2%;立杆跨数影响虽不及水平杆步距的影响,但应保证至少3跨的立杆跨数,不至立杆承载力降低过多。

表3 不同立杆间距支撑架的屈曲模态与屈曲特征值

表4 不同立杆间距支撑架的立杆承载力与计算长度系数

2.3 架体高度(高宽比)不同的影响

当架体尺寸为1800 mm×1800 mm，架体高度增大，架体高宽增大时，架体的屈曲模态如表5所示。随着架体高度的增大，结构一阶屈曲特征值减小，屈曲变形最大位置均处于架体中部偏下位置。立杆承载力变化如表6所示，随着架体高度和高宽比的线性增大，立杆承载力呈更大的减小趋势。高宽比由3.278增大至6.611时,立杆承载力由72.8 kN降低至62.4 kN,减小16.7%。

表5 不同高度支撑架的屈曲模态与屈曲特征值

表6 不同高度支撑架的立杆承载力与计算长度系数

2.4 架体平面尺寸不同的影响

不同平面尺寸架体的一阶屈曲模态与屈曲特征值如表7所示。在保证架体高度不变的条件下，随着平面尺寸增大，高宽比减小，一阶屈曲特征值不断增大。当架体平面尺寸增大，立杆的变形整体性逐步降低，中部立杆的变形大于外围立杆。不同平面尺寸架体在立杆承载力如表8所示，随着架体立杆跨数的增多，高宽比减小，架体整体刚度增大，立杆承载力增大幅度随架体平面尺寸增大而增大。架体高宽比由7.4减小至3.7时,单杆承载力由48.8 kN提高到91.6 kN,提高了87.7%。

表7 不同立杆跨数支撑架的屈曲模态与屈曲特征值

表8 不同立杆跨数支撑架的立杆承载力与计算长度系数

2.5 水平斜杆不同的影响

架体水平斜杆不同布置情况下的屈曲模态与立杆承载力，如表9所示～表10所示。可见，水平斜杆的设置情况不同，会影响架体的屈曲变形形态，两步设一道和满步设置对屈曲特征值变化很小。不同水平斜杆设置情况下，立杆承载力变化较大，满布水平斜杆时的立杆承载力，比不布置水平撑时提升24.5%。

表9 不同水平撑设置支撑架的屈曲模态与屈曲特征值

表10 不同水平撑设置支撑架的立杆承载力与计算长度系数

2.6 竖向斜杆不同的影响

架体竖向斜杆不同布置时，立杆承载力如表11所示。可见，随着竖向斜杆的设置和布置形式调整、加密，架体的屈曲特征值与立杆承载力呈增大趋势。各跨布置斜杆与不布置斜杆两种情况的立杆承载力，分别为64.34 kN和39.2 kN,相差约64%。各跨布置斜杆的架体立杆承载力64.34 kN,大于隔步布置架体的立杆承载力53.92 kN,原因在于隔步布置斜杆时，架体出现了相对薄弱层。而满布斜杆时,立杆承载力较各跨布置斜杆仅提高约4%,故竖向斜杆宜各跨布置。

表11 不同斜杆设置支撑架的立杆承载力与计算长度系数

3 立杆计算长度系数取值[3-6]

根据上述计算结果，可发现水平杆步距、架体高宽比和竖向斜杆的设置，是影响立杆承载力的主要因素。参考《建筑施工承插型盘扣式钢管支架安全技术规范》(JGJ231-2010)第5.3.2条规定，建议盘扣式高宽比超限支撑架的立杆计算长度公式取式(1)：

l0=kηh

(1)

式中：η——立杆计算长度修正系数；

k——立杆计算长度附加系数，考虑架体初始缺陷的影响，参考JGJ130-2011[2]的规定，按表12取用；

h——支架立杆中间层水平杆最大竖向步距(m)；

根据计算结果，通过多项式回归得到拟合公式如式(2)～式(4)所示，式中x为架体高宽比。

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)

参考《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ130-2011)关于附加长度系数的规定：将式(2)～(4)所得计算结果乘以表12所示的立杆附加长度系数后，得到盘扣式独立塔架立杆计算长度系数，如表13所示。

表12 立杆计算长度附加系数[2]

表13 承插盘扣式重载支撑架体系立杆计算长度

续表

4 结论

(1)根据承插盘扣式塔架高支撑架体的架体形式、节点特性和受力工况建立有限元模型，对比分析不同架体布设形式情况下，结构的屈曲模态与立杆承载力，给出了盘扣式独立支撑架立杆计算长度的建议取值。

(2)随着水平杆步距的减小、立杆跨数的增加或架体高宽比的减小，架体立杆承载力提高；满布水平斜杆的立杆承载力可比无斜杆高约25%。设置竖向斜杆，能显著提高立杆承载力，而斜杆布设形式对承载力影响不大。

(3)盘扣式独立塔架建议构造措施为：架体高宽比应尽可能减小，立杆跨数不应小于3跨，且架体两向布置宜对称为正方形；必须设置竖向斜杆，且宜各跨布置，宜满布设置水平斜杆；在工作面允许的情况下宜设置侧向斜抛撑，斜抛撑宜设置在架体中部位置。