扣件式钢管满堂支模架结构整体承载能力分析研究

 徐琳1  张  军2

（1．江苏工程职业技术学院，江苏南通226007；2．江苏中南建筑产业集团有限责任公司，江苏南通226100）

摘  要：国内发生的多起扣件式钢管支模架结构坍塌事故，对扣件式钢管支模架结构计算理论以及施工安全性提出了更高的要求。考虑扣件式钢管支模架作为整体受力的三维钢框架结构体系，采用有限元软件ANSYS编制了扣件式钢管支模架的分析程序，并通过分析给出了扣件拧紧力矩、水平杆步高、水平杆搭设步数、立杆间距等对扣件式钢管支模架整体结构稳定性的影响。对于扣件式钢管支模架，在进行单根立杆承载能力验算的基础上，仍应根据现场支模架的搭设尺寸及构造措施，对整架承载力进行分析研究，确定支模架结构的安全性。

关键词：钢管；支撑架；承载力；有限元分析D01:10.13206/j. gjg201606015

1概述

 扣件式钢管高大模板支撑结构作为一种临时性的支撑结构形式，其结构体系由现场人工组拼基本构（配）件而成，因此其结构形式布置非常灵活。这种特殊的半刚性空间钢框架结构的稳定承载力由其几何参数、节点连接情况以及构造条件决定，JGJ162-2008《建筑施工模板安全技术规范》和JGJ130-2011《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》对于支架的稳定性均是通过单根立杆承载能力的评价进行评定。但这一分析方法将立杆从整架模型中分离出来，仅验算单个构件的承载能力，无法体现支架整体的安全性。受现场施工技术人员水平的限制，仅单根杆件进行验算合格仍会导致整体坍塌事故的发生。多起事故调查结果表明，未设纵向剪刀撑，及上下步高处单向设置水平杆，导致了在泵送混凝土管给予初始水平冲击力下，支撑结构的抗侧刚度严重不足，出现了支架的连片倾斜倒塌。为研究扣件式钢管高大模板支撑结构的稳定承载力，须建立以结构整体承载极限状态为目标的结构分析方法。

 有限元技术的发展为深入研究扣件式钢管高大模板支撑结构的稳定承载力提供了有力的支持。在相关扣件式钢管模板支架结构整架抗侧移试验的基础上，结合扣件式钢管高支模架结构典型受力形式，利用有限元软件进行大量的计算机数值模拟，提出了基于整体模型的扣件式钢管支撑架承载力分析方法。2基本假定

 扣件式钢管支模架计算模型的基本假定如下：

 1)模板支撑结构为三维空间杆系框架结构，立杆支座底部与地面铰接，立杆顶部为自由端。

 2)水平杆与立杆之间半刚性连接，节点刚度在结构失稳前保持不变，不考虑扣件连接节点偏心作用。

 3)对于支撑结构立杆轴压形式，支撑结构立杆顶端受大小相等的轴心竖向力P作用；对于顶部支撑结构立杆偏压形式，即支撑结构最顶层水平杆与立杆相交点处，受大小相等的轴心竖向力P以及弯矩M= P e作用，并且e=53 mm。

 4)剪刀撑与立杆之间铰接连接。

 5)不考虑杆件截面翘曲及剪切效应。

 6)假定钢材是理想弹塑性材料，钢材本构关系服从von Mises屈服准则。

3  整体分析模型的建立

3.1  构件模型

 根据前面的基本假定，采用有限元分析软件ANSYS的APDL语言编制了扣件式钢管支模架建模的可视化程序。其中立杆、水平杆均采用Beam 188模拟，剪刀撑采用Link 8模拟，水平杆与立杆半刚性连接用Combin 14模拟。该分析模型中未考虑水平横杆对立杆的偏心作用。

3.2  初始缺陷的引入方法

 扣件式钢管支模架作为一种施工临时性结构，通过现场人工组合各个构件形成支（模）架，其初始缺陷与常规建筑结构相比更加复杂。支撑结构的缺陷包括几何缺陷和物理缺陷两种，具体有：钢管、扣件周转使用造成的杆件初弯曲或者钢管截面尺寸的偏差，模板支架搭设偏差，水平杆与立杆之间连接的初偏心；钢材锈蚀造成的材性损失或缺陷等因素。由于初始缺陷必然对模板支架结构的稳定承载力产生影响，因此在模板支撑结构计算分析中必须要考虑模板支架的缺陷影响，然而作为临时性结构，各个构配件搭设组合成支撑结构体系，初始缺陷不易直接测量确定。

 本文在进行扣件式钢管支架的非线性承载能力分析中，采用假想水平荷载法来考虑模板支架结构的初始缺陷影响。借鉴英国规范及美国规范的有关规定采用假想水平荷载法，在架体结构顶部节点处施加水平荷载，荷载大小取2.5%的竖向荷载，综合考虑初始缺陷及各种复杂因素产生的水平荷载作用。

3.3  支模架整体有限元模型

 参数分析的基本模型布置如图1所示，基本模型的尺寸：支架水平杆的步距h =1 800 mm，立杆水平间距la=lb=1 000 mm，底部扫地杆距离地面高度H3=300 mm，立杆顶部悬臂长度a=300 mm；水平杆X、Z向的跨数均为6跨，支架竖向（Y，向）共有6步，竖向剪刀撑仅在架体四周布置。钢管截面按中48×3.0计算．材料弹性模量E=2. 06×105 M Pa，钢材屈服强度f y =235 M Pa，泊松比v=0.3。

 后续参数分析计算模型均是在该模型的基础上改变有关参数进行计算分析。整架有限元模型见图2。

4  节点抗扭刚度的取值建议

 直角扣件连接节点刚度的大小主要由扣件拧紧力矩决定，JGJ 130-2011要求支架每个扣件的拧紧力矩不小于40 N. m，然而由于扣件拧紧力矩受人为因素影响较大，其拧紧力矩常不能满足JGJ 130-2011的要求。施工调查结果表明：施工现场扣件拧紧力矩一般为5~ 50 N .m，且支架最顶层的扣件拧紧力矩明显高于其他层。

 在上述基本模型基础上，考虑立杆轴压（顶层立杆悬臂长度a= 300 mm）这种典型结构受力形式，保持其他参数不变，依照参数分析方案改变直角扣件的抗扭刚度进行分析。分别进行了扣件式钢管支架节点抗扭刚度的试验研究，研究成果见表1，但因试验研究方法、节点试件质量等差异，导致扣件螺栓拧紧力矩与节点抗扭刚度的对应关系离散性较大，因本文采用的是整架分析模型，故基于反演试验得出了整架中节点抗扭刚度与拧紧力矩的对应关系。参数分析结果如表1表2所示。

 计算结果表明，支撑结构稳定承载力随扣件拧紧力矩的增加而相应增加，当扣件拧紧力矩不小于40 N .m时，由于其节点刚度增加较小，其相应的稳定承载力增加也较小；节点半刚性计算的稳定承载力小于节点刚接时计算的稳定承载力，因此，建议对于扣件式钢管支模架整体承载能力分析时，采用半刚性分析模型，即考虑横杆与立杆节点直角扣件的抗扭刚度。对于节点抗扭刚度的取值可根据相关试验研究成果确定，研究节点抗扭刚度与拧紧力矩之间对应关系的试验方法均为单节点的单侧加载试验，但从相关的试验结果来看，单个节点加载受试验加载装置、加载方法、节点试件质量等影响较大，不同研究人员所得结果不同，最大偏差达615%（拧紧力矩30N.m时，提出了一种考虑整架效应的反演分析方法，其节点抗扭刚度建议取值综合考虑纵向水平杆、横向水平杆、立杆、剪刀撑之间的相互影响，考虑国内扣件式钢管支架常见的构件质量差、扣件螺栓拧紧不到位等因素，在进行整架承载力分析时建议取节点抗扭刚度为55kN．m/rad（整架反演试验对应的扣件拧紧力矩为30N.m）。

5  有限元模型参数分析

5.1  水平杆搭设步距对整架承载能力的影响

 1)为了研究水平杆步高h对扣件式钢管模板支撑结构稳定性的影响，在基本模型基础上，保持其他参数不变，依据常规支模架的搭设形式，分别调整水平杆搭设步距分别为1500，1600，1700，1 800 mm，分析结果见表3。

 2)从表3可以看出，水平杆搭设步距对整架结构的承载力有较大的影响，这与单根立杆承载能力变化规律基本一致，但单根立杆的承载能力较整架分析结果大得多，因此，对于扣件式钢管支模架，应进行整架分析。另外，参数分析结果表明，扣件式钢管模板支撑结构稳定承载力随步高减小而增大，呈线性变化规律。

5.2  水平杆搭设步数对整架承载能力的影响

 1)调整基本模型的水平杆搭设步数分别为6、12、1 8、24，同时增加支模架的平面尺寸，即纵、横向跨数调整为12×12，水平杆的步距h分别取为1 500，1 800 mm，立杆水平间距la=lb=1 000 mm，其他参数不变。对扣件式钢管支模架的整架结构进行非线性极限承载能力分析，结果见表4。

 2)从表4可以看出，在不考虑重力的情况下，扣件式钢管支模架的非线性极限承载能力随搭设步数增加而减少一，基本呈线性变化。

5.3  立杆搭设间距对整架承载能力的影响

 1)水平杆作为立杆的水平支撑杆件，能够起到减小立杆计算长度的作用，立杆搭设间距的大小直接决定了水平杆的约束刚度，因此，为了研究水平立杆搭设间距对扣件式钢管支模架结构的整架非线性承载力的影响，在基本模型的基础上，保持其他参数不变，分别取水平杆搭设步距为1 500，1 800 mm，立杆纵横向搭设间距分别为500，600，700，800，900，

1 000 mm，分析结果见表5、表6。

 2)从表5、表6可以看出，对于扣件式钢管高大模板支撑结构而言，当水平杆搭设步距一定时，其立杆间距越小，稳定承载力越大。当水平杆搭设步距为1 500 mm时，立杆间距为500 mm×500 mm的非线性极限承载力比1000 mm x1000 mm的高约12%；当水平杆步距为1800 mm时，立杆间距为500 mm×500 mm的非线性极限承载力比1000 mm×1000 mm的高约11%，即变化规律基本一致，但从分析结果来看，整架分析所得的承载能力远小于单根立杆的承载能力。因此，对于扣件式钢管高大支模架结构而言，当水平杆步距一定时，立杆间距的减小（立杆布置数量增多）并不能显著提高其极限稳定承载力，考虑经济性因素，不能一味地通过减小立杆间距来提高承载力，对于局部受力较大的区域可直接采用双立杆措施来提高立杆的承载能力。

6  结束语

 钢管高大模板支撑结构广泛应用在现浇混凝土结构工程施工中，本文对扣件式钢管支模架结构承载能力的相关问题进行了分析研究，在此基础上采用计算机数值模拟的方法，着重针对轴心受压的受力模式，采用参数分析方法，对单根立杆和整架的承载能力进行了分析，主要结论如下：

 1)支撑结构稳定承载力随扣件拧紧力矩的增加而相应增加，整架计算分析时应考虑节点的半刚性；支架承载力随步距减小而增大；支架承载能力随搭设步数的增加而减小；水平杆搭设步距一定时，支架立杆间距越小，其稳定承载力越大，但整架分析结果表明：立杆间距的变化并不能显著影响其极限稳定承载力，这一特点区别于单根立杆分析结果。

2)根据分析结论得出，在按照JGJ 130-2011进行扣件式钢管支模架单根立杆承载能力验算合格的基础上，还应根据支模架的实际搭设尺寸和构造措施进行整架承载力的分析研究，最终确定扣件式钢管支模架的安全性。