扣件式鋼管滿堂支模架結(jié)構(gòu)整體承載能力分析研究
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徐琳1 張 軍2
（1．江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南通226007；2．江蘇中南建筑產(chǎn)業(yè)集團有限責(zé)任公司，江蘇南通226100）
摘 要：國內(nèi)發(fā)生的多起扣件式鋼管支模架結(jié)構(gòu)坍塌事故，對扣件式鋼管支模架結(jié)構(gòu)計算理論以及施工安全性提出了更高的要求。考慮扣件式鋼管支模架作為整體受力的三維鋼框架結(jié)構(gòu)體系，采用有限元軟件ANSYS編制了扣件式鋼管支模架的分析程序，并通過分析給出了扣件擰緊力矩、水平桿步高、水平桿搭設(shè)步數(shù)、立桿間距等對扣件式鋼管支模架整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。對于扣件式鋼管支模架，在進行單根立桿承載能力驗算的基礎(chǔ)上，仍應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場支模架的搭設(shè)尺寸及構(gòu)造措施，對整架承載力進行分析研究，確定支模架結(jié)構(gòu)的安全性。
關(guān)鍵詞：鋼管；支撐架；承載力；有限元分析D01:10.13206/j. gjg201606015
1概述
扣件式鋼管高大模板支撐結(jié)構(gòu)作為一種臨時性的支撐結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)體系由現(xiàn)場人工組拼基本構(gòu)（配）件而成，因此其結(jié)構(gòu)形式布置非常靈活。這種特殊的半剛性空間鋼框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力由其幾何參數(shù)、節(jié)點連接情況以及構(gòu)造條件決定，JGJ162-2008《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》和JGJ130-2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》對于支架的穩(wěn)定性均是通過單根立桿承載能力的評價進行評定。但這一分析方法將立桿從整架模型中分離出來，僅驗算單個構(gòu)件的承載能力，無法體現(xiàn)支架整體的安全性。受現(xiàn)場施工技術(shù)人員水平的限制，僅單根桿件進行驗算合格仍會導(dǎo)致整體坍塌事故的發(fā)生。多起事故調(diào)查結(jié)果表明，未設(shè)縱向剪刀撐，及上下步高處單向設(shè)置水平桿，導(dǎo)致了在泵送混凝土管給予初始水平?jīng)_擊力下，支撐結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度嚴(yán)重不足，出現(xiàn)了支架的連片傾斜倒塌。為研究扣件式鋼管高大模板支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力，須建立以結(jié)構(gòu)整體承載極限狀態(tài)為目標(biāo)的結(jié)構(gòu)分析方法。
有限元技術(shù)的發(fā)展為深入研究扣件式鋼管高大模板支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力提供了有力的支持。在相關(guān)扣件式鋼管模板支架結(jié)構(gòu)整架抗側(cè)移試驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合扣件式鋼管高支模架結(jié)構(gòu)典型受力形式，利用有限元軟件進行大量的計算機數(shù)值模擬，提出了基于整體模型的扣件式鋼管支撐架承載力分析方法。2基本假定
扣件式鋼管支模架計算模型的基本假定如下：
1)模板支撐結(jié)構(gòu)為三維空間桿系框架結(jié)構(gòu)，立桿支座底部與地面鉸接，立桿頂部為自由端。
2)水平桿與立桿之間半剛性連接，節(jié)點剛度在結(jié)構(gòu)失穩(wěn)前保持不變，不考慮扣件連接節(jié)點偏心作用。
3)對于支撐結(jié)構(gòu)立桿軸壓形式，支撐結(jié)構(gòu)立桿頂端受大小相等的軸心豎向力P作用；對于頂部支撐結(jié)構(gòu)立桿偏壓形式，即支撐結(jié)構(gòu)最頂層水平桿與立桿相交點處，受大小相等的軸心豎向力P以及彎矩M= P e作用，并且e=53 mm。
4)剪刀撐與立桿之間鉸接連接。
5)不考慮桿件截面翹曲及剪切效應(yīng)。
6)假定鋼材是理想彈塑性材料，鋼材本構(gòu)關(guān)系服從von Mises屈服準(zhǔn)則。
3 整體分析模型的建立
3.1 構(gòu)件模型
根據(jù)前面的基本假定，采用有限元分析軟件ANSYS的APDL語言編制了扣件式鋼管支模架建模的可視化程序。其中立桿、水平桿均采用Beam 188模擬，剪刀撐采用Link 8模擬，水平桿與立桿半剛性連接用Combin 14模擬。該分析模型中未考慮水平橫桿對立桿的偏心作用。
3.2 初始缺陷的引入方法
扣件式鋼管支模架作為一種施工臨時性結(jié)構(gòu)，通過現(xiàn)場人工組合各個構(gòu)件形成支（模）架，其初始缺陷與常規(guī)建筑結(jié)構(gòu)相比更加復(fù)雜。支撐結(jié)構(gòu)的缺陷包括幾何缺陷和物理缺陷兩種，具體有：鋼管、扣件周轉(zhuǎn)使用造成的桿件初彎曲或者鋼管截面尺寸的偏差，模板支架搭設(shè)偏差，水平桿與立桿之間連接的初偏心；鋼材銹蝕造成的材性損失或缺陷等因素。由于初始缺陷必然對模板支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力產(chǎn)生影響，因此在模板支撐結(jié)構(gòu)計算分析中必須要考慮模板支架的缺陷影響，然而作為臨時性結(jié)構(gòu)，各個構(gòu)配件搭設(shè)組合成支撐結(jié)構(gòu)體系，初始缺陷不易直接測量確定。
本文在進行扣件式鋼管支架的非線性承載能力分析中，采用假想水平荷載法來考慮模板支架結(jié)構(gòu)的初始缺陷影響。借鑒英國規(guī)范及美國規(guī)范的有關(guān)規(guī)定采用假想水平荷載法，在架體結(jié)構(gòu)頂部節(jié)點處施加水平荷載，荷載大小取2.5%的豎向荷載，綜合考慮初始缺陷及各種復(fù)雜因素產(chǎn)生的水平荷載作用。
3.3 支模架整體有限元模型
參數(shù)分析的基本模型布置如圖1所示，基本模型的尺寸：支架水平桿的步距h =1 800 mm，立桿水平間距l(xiāng)a=lb=1 000 mm，底部掃地桿距離地面高度H3=300 mm，立桿頂部懸臂長度a=300 mm；水平桿X、Z向的跨數(shù)均為6跨，支架豎向（Y，向）共有6步，豎向剪刀撐僅在架體四周布置。鋼管截面按中48×3.0計算．材料彈性模量E=2. 06×105 M Pa，鋼材屈服強度f y =235 M Pa，泊松比v=0.3。
后續(xù)參數(shù)分析計算模型均是在該模型的基礎(chǔ)上改變有關(guān)參數(shù)進行計算分析。整架有限元模型見圖2。
4 節(jié)點抗扭剛度的取值建議
直角扣件連接節(jié)點剛度的大小主要由扣件擰緊力矩決定，JGJ 130-2011要求支架每個扣件的擰緊力矩不小于40 N. m，然而由于扣件擰緊力矩受人為因素影響較大，其擰緊力矩常不能滿足JGJ 130-2011的要求。施工調(diào)查結(jié)果表明：施工現(xiàn)場扣件擰緊力矩一般為5~ 50 N .m，且支架最頂層的扣件擰緊力矩明顯高于其他層。
在上述基本模型基礎(chǔ)上，考慮立桿軸壓（頂層立桿懸臂長度a= 300 mm）這種典型結(jié)構(gòu)受力形式，保持其他參數(shù)不變，依照參數(shù)分析方案改變直角扣件的抗扭剛度進行分析。分別進行了扣件式鋼管支架節(jié)點抗扭剛度的試驗研究，研究成果見表1，但因試驗研究方法、節(jié)點試件質(zhì)量等差異，導(dǎo)致扣件螺栓擰緊力矩與節(jié)點抗扭剛度的對應(yīng)關(guān)系離散性較大，因本文采用的是整架分析模型，故基于反演試驗得出了整架中節(jié)點抗扭剛度與擰緊力矩的對應(yīng)關(guān)系。參數(shù)分析結(jié)果如表1表2所示。
計算結(jié)果表明，支撐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載力隨扣件擰緊力矩的增加而相應(yīng)增加，當(dāng)扣件擰緊力矩不小于40 N .m時，由于其節(jié)點剛度增加較小，其相應(yīng)的穩(wěn)定承載力增加也較��；節(jié)點半剛性計算的穩(wěn)定承載力小于節(jié)點剛接時計算的穩(wěn)定承載力，因此，建議對于扣件式鋼管支模架整體承載能力分析時，采用半剛性分析模型，即考慮橫桿與立桿節(jié)點直角扣件的抗扭剛度。對于節(jié)點抗扭剛度的取值可根據(jù)相關(guān)試驗研究成果確定，研究節(jié)點抗扭剛度與擰緊力矩之間對應(yīng)關(guān)系的試驗方法均為單節(jié)點的單側(cè)加載試驗，但從相關(guān)的試驗結(jié)果來看，單個節(jié)點加載受試驗加載裝置、加載方法、節(jié)點試件質(zhì)量等影響較大，不同研究人員所得結(jié)果不同，最大偏差達615%（擰緊力矩30N.m時，提出了一種考慮整架效應(yīng)的反演分析方法，其節(jié)點抗扭剛度建議取值綜合考慮縱向水平桿、橫向水平桿、立桿、剪刀撐之間的相互影響，考慮國內(nèi)扣件式鋼管支架常見的構(gòu)件質(zhì)量差、扣件螺栓擰緊不到位等因素，在進行整架承載力分析時建議取節(jié)點抗扭剛度為55kN．m/rad（整架反演試驗對應(yīng)的扣件擰緊力矩為30N.m）。
5 有限元模型參數(shù)分析
5.1 水平桿搭設(shè)步距對整架承載能力的影響
1)為了研究水平桿步高h對扣件式鋼管模板支撐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，在基本模型基礎(chǔ)上，保持其他參數(shù)不變，依據(jù)常規(guī)支模架的搭設(shè)形式，分別調(diào)整水平桿搭設(shè)步距分別為1500，1600，1700，1 800 mm，分析結(jié)果見表3。
2)從表3可以看出，水平桿搭設(shè)步距對整架結(jié)構(gòu)的承載力有較大的影響，這與單根立桿承載能力變化規(guī)律基本一致，但單根立桿的承載能力較整架分析結(jié)果大得多，因此，對于扣件式鋼管支模架，應(yīng)進行整架分析。另外，參數(shù)分析結(jié)果表明，扣件式鋼管模板支撐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載力隨步高減小而增大，呈線性變化規(guī)律。
5.2 水平桿搭設(shè)步數(shù)對整架承載能力的影響
1)調(diào)整基本模型的水平桿搭設(shè)步數(shù)分別為6、12、1 8、24，同時增加支模架的平面尺寸，即縱、橫向跨數(shù)調(diào)整為12×12，水平桿的步距h分別取為1 500，1 800 mm，立桿水平間距l(xiāng)a=lb=1 000 mm，其他參數(shù)不變。對扣件式鋼管支模架的整架結(jié)構(gòu)進行非線性極限承載能力分析，結(jié)果見表4。
2)從表4可以看出，在不考慮重力的情況下，扣件式鋼管支模架的非線性極限承載能力隨搭設(shè)步數(shù)增加而減少一，基本呈線性變化。
5.3 立桿搭設(shè)間距對整架承載能力的影響
1)水平桿作為立桿的水平支撐桿件，能夠起到減小立桿計算長度的作用，立桿搭設(shè)間距的大小直接決定了水平桿的約束剛度，因此，為了研究水平立桿搭設(shè)間距對扣件式鋼管支模架結(jié)構(gòu)的整架非線性承載力的影響，在基本模型的基礎(chǔ)上，保持其他參數(shù)不變，分別取水平桿搭設(shè)步距為1 500，1 800 mm，立桿縱橫向搭設(shè)間距分別為500，600，700，800，900，
1 000 mm，分析結(jié)果見表5、表6。
2)從表5、表6可以看出，對于扣件式鋼管高大模板支撐結(jié)構(gòu)而言，當(dāng)水平桿搭設(shè)步距一定時，其立桿間距越小，穩(wěn)定承載力越大。當(dāng)水平桿搭設(shè)步距為1 500 mm時，立桿間距為500 mm×500 mm的非線性極限承載力比1000 mm x1000 mm的高約12%；當(dāng)水平桿步距為1800 mm時，立桿間距為500 mm×500 mm的非線性極限承載力比1000 mm×1000 mm的高約11%，即變化規(guī)律基本一致，但從分析結(jié)果來看，整架分析所得的承載能力遠小于單根立桿的承載能力。因此，對于扣件式鋼管高大支模架結(jié)構(gòu)而言，當(dāng)水平桿步距一定時，立桿間距的減�。U布置數(shù)量增多）并不能顯著提高其極限穩(wěn)定承載力，考慮經(jīng)濟性因素，不能一味地通過減小立桿間距來提高承載力，對于局部受力較大的區(qū)域可直接采用雙立桿措施來提高立桿的承載能力。
6 結(jié)束語
鋼管高大模板支撐結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用在現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)工程施工中，本文對扣件式鋼管支模架結(jié)構(gòu)承載能力的相關(guān)問題進行了分析研究，在此基礎(chǔ)上采用計算機數(shù)值模擬的方法，著重針對軸心受壓的受力模式，采用參數(shù)分析方法，對單根立桿和整架的承載能力進行了分析，主要結(jié)論如下：
1)支撐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載力隨扣件擰緊力矩的增加而相應(yīng)增加，整架計算分析時應(yīng)考慮節(jié)點的半剛性；支架承載力隨步距減小而增大；支架承載能力隨搭設(shè)步數(shù)的增加而減��；水平桿搭設(shè)步距一定時，支架立桿間距越小，其穩(wěn)定承載力越大，但整架分析結(jié)果表明：立桿間距的變化并不能顯著影響其極限穩(wěn)定承載力，這一特點區(qū)別于單根立桿分析結(jié)果。
2)根據(jù)分析結(jié)論得出，在按照J(rèn)GJ 130-2011進行扣件式鋼管支模架單根立桿承載能力驗算合格的基礎(chǔ)上，還應(yīng)根據(jù)支模架的實際搭設(shè)尺寸和構(gòu)造措施進行整架承載力的分析研究，最終確定扣件式鋼管支模架的安全性。
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