構(gòu)造因素對扣件式鋼管高大模板支架承載力的影響

曾志興，魏鑾新，郭義海

（華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 廈門 361021）

構(gòu)造因素對扣件式鋼管高大模板支架承載力的影響

曾志興，魏鑾新，郭義海

（華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 廈門 361021）

以現(xiàn)場調(diào)研為基礎(chǔ)，借助有限元軟件SAP 2000建立模型，分析高大模板支撐體系的剪刀撐、掃地桿及鋼管壁厚在體系幾何尺寸不變的情況下對其屈曲承載力的影響.結(jié)果表明：豎向剪刀撐單向設(shè)置時(shí)，其設(shè)置方法對架體承載力影響很小；豎向剪刀撐雙向設(shè)置時(shí)，其設(shè)置方法對架體承載力影響很大；架體承載力受掃地桿設(shè)置和鋼管壁厚的影響較大.

高大模板；支架；剪刀撐；掃地桿；扣件式鋼管；承載力

在國內(nèi)所使用的模板支架中，由鋼扣件和鋼管組成的模板支架由于構(gòu)造簡單、通用性強(qiáng)、使用成本相對較低、安全性較好等原因得到廣泛應(yīng)用.然而，模板支架事故時(shí)有發(fā)生，剪刀撐設(shè)置不合理、掃地桿不設(shè)或設(shè)置不全，以及鋼管壁厚不足是施工現(xiàn)場較常見的問題 .住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)的《建設(shè)工程高大模板支撐系統(tǒng)施工安全監(jiān)督管理導(dǎo)則》中把建設(shè)工程施工現(xiàn)場混凝土構(gòu)件模板支撐高度超過8m，或搭設(shè)跨度超過18m，或施工總荷載大于15kPa，或集中線荷載大于20kPa的模板支撐系統(tǒng)稱為高大模板支架.文獻(xiàn)［1－4］對模板支架的橫距、步距、縱距、架體高度、節(jié)點(diǎn)半剛性、剪刀撐布置、掃地桿高度、立桿頂端伸出長度等做了系統(tǒng)的研究 .本文借助SAP 2000軟件對架體豎向剪刀撐、掃地桿以及鋼管壁厚進(jìn)行分析，探討這些因素對高大模板支架穩(wěn)定承載力的影響.

1 模型建立

為簡化計(jì)算，做以下4個(gè)基本假定：

1）模型為三維空間桿件結(jié)構(gòu)體系，考慮高支模體系荷載較大，上端假定與模板鉸接，約束兩個(gè)水平方向的位移，下端與底座鉸接，約束兩個(gè)水平方向位移和一個(gè)豎直方向位移，剪刀撐與體系鉸接［1］；

2）忽略地震作用，風(fēng)荷載及其他水平作用［1］；

3）模架豎直桿均為軸心受壓，均勻承受荷載，整個(gè)架體失穩(wěn)時(shí)的軸壓為架體穩(wěn)定承載力［1］；

4）不考慮架體的初始缺陷，因桿件間是用扣件連接的，所以節(jié)點(diǎn)處應(yīng)考慮半剛性［5］.

計(jì)算時(shí)，扣件擰緊力矩采用40N·m，節(jié)點(diǎn)剛度為46.85kN·m·rad－1［6］.

考慮豎向剪刀撐對高大模板支架承載力的影響，其模型架體：橫向8跨，縱向16跨，豎向24層的架體，橫距、縱距、層高均為1.2m，掃地桿高度0.15m，立桿伸出長度0.1m，剪刀撐按4步4跨布置，每隔4排立桿設(shè)置1層.

考慮掃地桿和鋼管壁厚對高大模板支架承載力的影響，其模型架體與豎向剪刀撐的模型架體參數(shù)相似，只是豎向分別有4，8，16，24和32層共5個(gè)高度的架體.

2 結(jié)果分析

2.1 豎向剪刀撐的影響

運(yùn)用有限元軟件SAP 2000考慮扣件節(jié)點(diǎn)的半剛性，進(jìn)行屈曲分析，得到豎向剪刀撐不同布置方式下架體的屈曲承載力，如表1所示.從表1可以得到如下2個(gè)結(jié)論.

1）僅在縱向布置剪刀撐，橫向不布置，架體承載力增加不明顯甚至略有下降 .此時(shí)，架體縱向剛度迅速增加，而橫向剛度幾乎不增加，架體屈曲時(shí)會沿架體剛度較弱一側(cè)，不設(shè)剪刀撐的橫向剛度較弱.隨著縱向剪刀撐的增加，架體自重也增加，在橫向剛度保持不變時(shí)，架體屈曲承載力會略有下降.這只有在橫向布置剪刀撐時(shí)，才得到相似的結(jié)論.

2）橫向、縱向均設(shè)置豎向剪刀撐時(shí)，橫向、縱向剛度不斷增加，架體承載力也不斷增加 .相對于不設(shè)置剪刀撐時(shí)，僅在架體四周設(shè)置剪刀撐，架體承載力增加到不設(shè)置時(shí)的1.39倍，橫縱向每隔4排布置，架體承載力增加到不設(shè)置時(shí)的1.82倍，每隔2排布置，架體承載力增加到不設(shè)置時(shí)的4.08倍.架體的屈曲總是最早發(fā)生在剛度較弱的部位，豎向剪刀撐可以有效地提高架體的剛度，并在架體受力時(shí)，應(yīng)力重分布過程中，傳遞調(diào)節(jié)應(yīng)力.

表1 不同豎向剪刀撐布置方式的架體屈曲承載力Tab.1 Buckling bearing capacity under different layouts of vertical crossing struts kN

2.2 掃地桿的影響

考慮扣件節(jié)點(diǎn)的半剛性，運(yùn)用有限元軟件SAP 2000進(jìn)行屈曲分析，得到掃地桿不同布置方式、不同架體高度（h）下架體的屈曲承載力，如表2所示.表2中：橫、縱隔1表示橫向或縱向每隔1排立桿設(shè)置1道掃地桿.

從表2可知：當(dāng)架體高度為4.8m時(shí)，橫向或縱向均不設(shè)掃地桿時(shí)的承載力是橫向或縱向均設(shè)置掃地桿時(shí)的74%；橫向不設(shè)置（縱向單向設(shè)置）掃地桿時(shí)的承載力是橫向或縱向均設(shè)置掃地桿時(shí)的81%，而縱向不設(shè)置（橫向單向設(shè)置）掃地桿時(shí)的承載力是橫向或縱向均設(shè)置掃地桿時(shí)的83%.掃地桿對架體承載力影響明顯，隨著架體高度增加，不設(shè)或少設(shè)掃地桿，架體承載力也有類似的下降趨勢.

表2 不同掃地桿布置方式的架體屈曲承載力Tab.2 Buckling bearing capacity under different layouts of vertical floor members kN

2.3 壁厚的影響

在鋼管內(nèi)徑不變，不同架體高度下，減小外徑（φ），鋼管壁厚（d）也由3.5mm下降到2.0mm，考慮扣件節(jié)點(diǎn)的半剛性，運(yùn)用有限元軟件SAP 2000進(jìn)行屈曲分析，架體的屈曲承載力如表3所示.

從表3可知：鋼管的壁厚減小，橫截面積小于標(biāo)準(zhǔn)要求的鋼管面積，鋼管抗壓、抗彎能力也隨之下降.對于鋼管使用過程中因磨損銹蝕引起的壁厚減小，壁厚由3.5mm下降到3.0mm，屈曲承載力約降為原來的88%；而當(dāng)壁厚由3.5mm下降到2.0mm，屈曲承載力約降為原來的62%.對于鋼管生產(chǎn)時(shí)鋼管外徑合格，壁厚偏小的情況，壁厚由3.5mm下降到3.0mm，屈曲承載力約降為原來的90%，而壁厚由3.5mm下降到2.0mm，屈曲承載力約降為原來的68%.

表3 不同鋼管壁厚的架體承載力Tab.3 Buckling bearing capacity under different steel tube thickness kN

3 結(jié)束語

在施工現(xiàn)場，模板支撐架常被視為臨時(shí)結(jié)構(gòu)，未得到足夠的重視，如剪刀撐不設(shè)計(jì)而只靠經(jīng)驗(yàn)來布置；掃地桿設(shè)置不符合規(guī)范，不設(shè)或少設(shè)時(shí)有出現(xiàn)，等等 .由試驗(yàn)分析可知：豎向剪刀撐、掃地桿的布置可以有效地提高架體的屈曲承載力；鋼管的質(zhì)量對架體的屈曲承載力有較大影響.

［1］袁雪霞.建筑施工模板支撐體系可靠性研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2006.

［2］劉建民，李慧民.構(gòu)造因素對扣件式鋼管模板支架穩(wěn)定承載力的影響［J］.四川建筑科學(xué)研究，2007，33（1）：16－18.

［3］閆鑫，胡長明，曾凡奎，等.頂端伸出長度對高大模板支架穩(wěn)定承載力的影響分析［J］.施工技術(shù)，2009，38（4）：73－81.

［4］胡長明，梅源，王雪艷，等.構(gòu)造因素對高大模板支撐體系穩(wěn)定承載力影響的研究［J］.建筑技術(shù)，2009，40（2）：143－146.

［5］魏鑾新，曾志興.扣件式鋼管腳手架計(jì)算模型討論與思考［J］.福建建筑，2010，144（6）：113－116.

［6］魯征.扣件式腳手架及模板支架施工期安全性分析［D］.杭州：浙江大學(xué)，2005.

Influence of Construction Factors on Buckling Bearing Capacity of Coupler Steel Tube Supporting System for Tall Falsework

ZENG Zhi－xing，WEI Luan－xin，GUO Yi－h(huán)ai
（College of Civil Engineering，Huaqiao University，Xiamen 361021，China）

Based on the in－situ investigation，and using SAP 2000finite element analysis software，the influence of the diagonal strut，bottom bracing and thickness of tube on buckling bearing capacity was investigated in tall false work on condition of the same dimension of the system.The results indicate：the setup of vertical single diagonal strut influences slightly the bearing capacity，the setup of vertical crossing diagonal strut influences greatly the bearing capacity，the setup of bottom bracing and thickness of tube also influence the bearing capacity.

tall falsework；supporting；crossing struts；bottom bracing；coupler steel tube；bearing capacity

錢筠 英文審校：方德平）

TU 755.21

A

1000－5013（2012）02－0192－03

2011－01－21

曾志興（1967－），男，教授，主要從事混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究.E－mail：zhixing＠hqu.edu.cn.

福建省高等學(xué)校新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目（07FJRC05）；福建省廈門市科技計(jì)劃高校創(chuàng)新項(xiàng)目（3502Z20083038）