郭金雙

摘要：目前國內(nèi)建筑行業(yè)施工臨時結(jié)構(gòu)的驗算形式主要有有限元計算和規(guī)范計算。施工臨時結(jié)構(gòu)中，由鋼管扣件式腳手架、碗扣式腳手架及承插式腳手架搭設而成的臨時結(jié)構(gòu)占很大一部分，本文通過比較論證由成品鋼管支架搭設的臨時結(jié)構(gòu)可采用有限元計算軟件驗算的情況。

Abstract： At present， the verification forms of temporary structures for construction in the construction industry of China mainly include finite element calculations and standard calculations. Temporary structures constructed by steel pipe fastener scaffolding， bowl buckle scaffolding， and socket-type scaffolding account for a large part of temporary structures during construction. This paper compares and demonstrates that the temporary structure erected by finished steel pipe supports can use finite element calculation software for verification.

關(guān)鍵詞：有限元計算軟件;規(guī)范驗算;鋼管支架

Key words： finite element calculation software;normative check calculation;steel tube bracket

中圖分類號：TU511.3+7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）05-0277-03

1? 概述

鋼管式支架是目前國內(nèi)建筑行業(yè)臨時結(jié)構(gòu)普遍采用的搭設材料。這里所說的鋼管支架包括鋼管扣件式腳手架、碗扣式鋼管腳手架以及承插型盤扣式鋼管支架等工廠定型生產(chǎn)的且有專門的應用規(guī)范的一類支架。這類支架廣泛應用于建筑行業(yè)的模板支架、施工腳手架等臨時結(jié)構(gòu)。為了保證臨時結(jié)構(gòu)的安全性穩(wěn)定性，由鋼管支架搭設的臨時結(jié)構(gòu)必須經(jīng)過結(jié)構(gòu)驗算，確保滿足要求后才能在施工現(xiàn)場實施;因此鋼管支架的結(jié)構(gòu)驗算尤為重要。

目前在施工臨時結(jié)構(gòu)的驗算上，主要有兩種驗算方式，規(guī)范驗算和有限元驗算。規(guī)范驗算是指按照相關(guān)規(guī)范列出的計算項目及計算要求對施工臨時結(jié)構(gòu)進行驗算，規(guī)范驗算可以采用手算也可采用計算軟件計算;規(guī)范驗算是遵循固定的模型結(jié)構(gòu)，遇到一些特殊結(jié)構(gòu)，規(guī)范驗算往往不能滿足要求。施工臨時結(jié)構(gòu)的有限元驗算一般采用有限元計算軟件進行，如，Midas Civil，Midas GTS等，進行有限元計算的軟件具有普適性，沒有專門針對施工臨時結(jié)構(gòu)的計算軟件，但是有限元計算軟件一般采用三維建模的方式，理論上能夠驗算各種形式的臨時結(jié)構(gòu)，在計算結(jié)果的輸出直觀性，計算模型的適用性要明顯好于規(guī)范驗算。

2? 鋼管支架臨時結(jié)構(gòu)的驗算

如前文所述，施工臨時結(jié)構(gòu)的驗算方式目前采用的有規(guī)范驗算和有限元驗算。這兩種方式的驗算內(nèi)容各不相同，在某些程度上影響驗算結(jié)果;編制的施工方案應首先滿足相關(guān)規(guī)范的要求，包括方案要求的驗算內(nèi)容，對驗算結(jié)果的要求等。因此，我們施工計算人員在對鋼管支架搭設的臨時結(jié)構(gòu)進行驗算，尤其是涉及到危險性較大的分部分項工程時，應慎重選擇驗算方式。本文以青島市地鐵13號線七工區(qū)大珠山連續(xù)梁模板支架為例，論述在鋼管支架臨時結(jié)構(gòu)進行驗算時，什么情況下必須采用規(guī)范驗算，什么情況下可以采用有限元驗算。

2.1 不適用有限元計算的情況

本文所提到的三種常用的鋼管支架都有對應的應用規(guī)范，分別是，《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ 130-2011）、《建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ 166-2016）以及《建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術(shù)規(guī)程》（JGJ231-2010）。鋼管支架在建筑工程施工中常用于施工腳手架、模板支架臨時結(jié)構(gòu)，而相對應的技術(shù)規(guī)范對這兩種結(jié)構(gòu)的驗算內(nèi)容都有詳細的要求。以模板支架為例。

對模板板支架的穩(wěn)定性驗算，根據(jù)規(guī)范要求是驗算模板支架的壓桿穩(wěn)定性，采用公式如下：

式中，N是立桿軸向受力值，A是立桿桿件的斷面面積，f是立桿所用材料的強度設計值，這幾個值的取值與采用有限元計算時的取值一樣;但是公式中一個較為重要的系數(shù)—軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性系數(shù)？漬的取值完全不同，這一系數(shù)需根據(jù)立桿的計算長度與回轉(zhuǎn)半徑的比值即長細比根據(jù)規(guī)范中附錄D中的表格來查表確定，而其中立桿的計算長度，又需要根據(jù)立桿步距進行修正。規(guī)范中的附錄D中穩(wěn)定系系數(shù)的取值以及立桿計算長度的修正系數(shù)都是經(jīng)驗系數(shù)，是通過實驗及現(xiàn)實應用情況總結(jié)出來的，采用有限元計算軟件不可能將這些系數(shù)準確模擬。下面舉例說明，同一種結(jié)構(gòu)采用規(guī)范驗算和采用有限元計算存在的區(qū)別。

2.1.1 兩種計算方式的驗算比較

青島市地鐵13號線七工區(qū)大珠山連續(xù)梁模板支架采用承插型盤扣式鋼管支架搭設模板支架，模板支架立桿高度是6.0米，立桿間距是1.2米，橫桿步距是1.5米，斜桿布設按規(guī)范要求布置;桿件采用截面直徑為48mm，壁厚3.2mm。根據(jù)這些參數(shù)，分別采用規(guī)范計算及有限元計算確定立桿的受力情況（不考慮風荷載）。

2.1.1.1 規(guī)范計算

根據(jù)對應的規(guī)范，對模板支架的壓桿穩(wěn)定性做如下計算：

①支架立桿計算長度確定。

式中l(wèi)0表示立桿驗算長度;？濁計算長度修正系數(shù)，根據(jù)規(guī)范，這里取1.2;h為橫桿最大步距，為1.5m。

可得計算長度l0=1.8m。

②立桿長細比計算。

式中i表示立桿截面的慣性半徑，根據(jù)規(guī)范附錄C查得，i=1.59cm。

計算得？姿=113.2<150（規(guī)范5.1.9條要求）

③軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)確定。

軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定性系數(shù)由長細比查表得？漬值為0.496。

④立桿軸向力最大設計值N計算。

式中，A為立桿的截面積，為4.5cm2，f為鋼材的強度，這里采用Q235鋼，強度值為205N/mm2。

因此計算可知，N最大設計值為45756N。

2.1.1.2 有限元軟件計算

由于有限元計算軟件較多，這里采用常用的驗算施工臨時結(jié)構(gòu)的有限元計算軟件Midas Civil進行驗算，建立模板支架的模型如圖1。

模型的建立應盡量真實的模擬鋼管支架的情況，桿件節(jié)點的傳力應盡量真實反映實際連接情況。因此，對水平桿件、斜桿與水平桿件交點位置應進行真實轉(zhuǎn)動剛度模擬，根據(jù)《建筑施工臨時支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（JGJ300-2013）承插式支撐結(jié)構(gòu)的節(jié)點傳動剛度為20kN·mrad。

對每根立桿施加節(jié)點荷載值45.756kN。查看立桿應力結(jié)果如圖2。

由計算結(jié)果可知，立桿的最大組合應力是175.5MPa，計算結(jié)果小于遠小于由規(guī)范計算得到的205MPa的應力值。

2.1.2 小結(jié)

根據(jù)以上結(jié)果對比可知，將規(guī)范驗算中立桿穩(wěn)定驗算結(jié)果對比有限元計算得出的梁單元組合應力時，兩者差距較大，有限元計算的結(jié)果小于規(guī)范驗算得出的結(jié)果，規(guī)范驗算相對于有限元驗算保守，如果將有限元計算得到的組合應力除以壓桿穩(wěn)定性系數(shù)，那么得到的應力值將遠遠大于規(guī)范驗算得到的數(shù)值，有限元驗算又相對于規(guī)范驗算保守。若將兩者計算方法的穩(wěn)定性驗算結(jié)果進行比較則不具備可比性，有限元軟件計算穩(wěn)定性是通過對結(jié)構(gòu)進行屈曲分析，而鋼管支架以及其他施工臨時結(jié)構(gòu)的規(guī)范并沒有關(guān)于屈曲分析中第一階模態(tài)值允許值范圍。

綜上所述，當鋼管支架組成的施工臨時結(jié)構(gòu)的形式與對應規(guī)范中所列的驗算模型一致時，應采用規(guī)范驗算而不應采用有限元計算。

2.2 適用有限元計算的情況

2.2.1 采用有限元計算對規(guī)范驗算進行復核

對鋼管支架搭設的臨時結(jié)構(gòu)符合規(guī)范假定的計算模型時采用規(guī)范計算的方式對臨時結(jié)構(gòu)進行驗算，同時可輔助于有限元驗算，用于驗算臨時結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性以及驗算是否存在個別節(jié)點超出允許范圍。規(guī)范驗算模型是二維模型，無法驗算與驗算單元有關(guān)聯(lián)的其他單元對其的影響;實際作用中，由于結(jié)構(gòu)單元存在結(jié)構(gòu)變形等原因必定會使各個結(jié)構(gòu)單元相互影響。

例如，2.1.1節(jié)中提到的驗算實例中，可首先采用規(guī)范對模板支架進行驗算，然后采用有限元軟件建立三維模型，對模板支架的結(jié)構(gòu)單元受力情況進行驗算，通過屈曲分析，來驗算整個體系的彈性穩(wěn)定性。

2.2.2 特殊結(jié)構(gòu)形式的模板支架采用有限元計算

當模板支架體系不符合規(guī)范所假定的計算模型或模板支架體系中含有特殊結(jié)構(gòu)時，可采用有限元驗算對模板支架體系進行驗算。

如坡屋面結(jié)構(gòu)，規(guī)范驗算中假定的計算模型是平面，對于這種傾斜平面結(jié)構(gòu)的模板支架，需采用三維有限元模型對其可靠性進行驗證。

青島市地鐵13號線七工區(qū)大珠山連續(xù)梁模板支架體系中含有門洞結(jié)構(gòu)的支架，可建立三維有限元模型對門洞的可靠性進行驗算。

3? 總結(jié)

綜上所述，有限元計算應有限的應用于模板支架的驗算中，當有限元計算應用于模板支架的驗算時，應滿足《鋼結(jié)構(gòu)設計標準》（GB50017-2017）中的要求。

另外，有限元計算有規(guī)范驗算不可替代的優(yōu)點，如，適用性強、輸出結(jié)果直觀明了等，建議我們的規(guī)范編制部門能夠在對應的規(guī)范中將有限元計算的要求進行明確;如果采用有限元計算，需驗算哪些內(nèi)容以及對驗算結(jié)果的要求如何。

參考文獻：

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[4]橋梁工程軟件Midas civil 使用指南.