混凝土結(jié)構(gòu)扣件式鋼管模板高支撐體系整體受力研究

■崔 麗 ■江蘇邗建集團(tuán)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225100

扣件式鋼管模板是我國(guó)建筑施工中比較常見(jiàn)的一種支撐體系，其使用率已經(jīng)達(dá)到使用總量的80%，隨之使用時(shí)間的延長(zhǎng)，使用過(guò)程中的問(wèn)題也逐漸凸顯出來(lái)，模板高支撐體系的坍塌事故隨著支撐架搭設(shè)增高而增多。以某綜合樓工程為例，在該工程建設(shè)期間就曾經(jīng)出現(xiàn)一起模板支撐體系倒塌事故，該綜合樓的支撐架高度當(dāng)時(shí)已經(jīng)超過(guò)了25m，高度的問(wèn)題無(wú)疑是導(dǎo)致事故發(fā)生的主要原因。我們通過(guò)對(duì)模板高支撐體系倒塌事故的原因進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，高空支模支撐體系的側(cè)向變形能力很弱，所以在水平荷載的影響之下就會(huì)對(duì)穩(wěn)定性造成破壞。由此看來(lái)，對(duì)于模板高支撐架的受力性進(jìn)行研究是非常必要的，這樣建立起的計(jì)算模型就可以對(duì)模板支撐架的實(shí)際受力情況進(jìn)行正確的反映，減少甚至避免類似安全事故的發(fā)生。

1 為何會(huì)出現(xiàn)水平荷載

由扣件式鋼管搭設(shè)而成的模板支撐體系作為偏心受壓構(gòu)建，在高空支模的過(guò)程中，因?yàn)榇钤O(shè)時(shí)會(huì)存在一定的偏差，進(jìn)而會(huì)對(duì)立桿產(chǎn)生一種水平的作用力，高空支模風(fēng)荷載往往會(huì)帶來(lái)很大的水平荷載。在運(yùn)送混凝土的途中，泵管會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的水平?jīng)_力，在澆筑混凝土的過(guò)程中，振搗器會(huì)出現(xiàn)水平方向上的振動(dòng)力，這些因素都是致使水平荷載的影響因素。除了上文中介紹的幾種原因之外，路徑選擇也是水平荷載產(chǎn)生的一種主要原因，在對(duì)稱澆筑路徑作用的影響下，大梁變形也會(huì)呈現(xiàn)出對(duì)稱的形態(tài)，大梁變形是不會(huì)產(chǎn)生支撐體系水平力的，但是在不稱建筑的混凝土路徑作用影響下，大梁不容易產(chǎn)生變形，這樣大梁本身的豎向自重荷載就會(huì)對(duì)支撐體系產(chǎn)生一種水平的推力，因此在澆筑混凝土的過(guò)程中，水平方向的內(nèi)力就會(huì)始終存在于支撐架內(nèi)部。但是模板支撐體系中餅里有關(guān)于水平荷載的部分，并沒(méi)有將其列入《規(guī)范》中，而只是提出支撐體系中斜桿構(gòu)造上的一些要求，并未要求對(duì)斜桿進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)計(jì)算。為了對(duì)水平荷載與支撐體系之間存在的關(guān)系進(jìn)行研究。本文通過(guò)ANSYS 有限元軟件建立起模板的支撐體系整體三維模型，進(jìn)行相應(yīng)的有限元分析。

2 通過(guò)有限元法對(duì)模板高支撐體系整體受力狀況進(jìn)行分析

2.1 有限元模型的建立

首先，選擇pipe16 管單元對(duì)鋼管支撐架進(jìn)行模擬，其參照取值以實(shí)際使用的鋼管參數(shù)為依據(jù)。然后，通過(guò)對(duì)solid65 單元的利用對(duì)鋼筋混凝土進(jìn)行模擬，鋼筋的配筋率采用實(shí)際設(shè)計(jì)值，混凝土彈性模量等相關(guān)參數(shù)主要以早齡期混凝土的相關(guān)性質(zhì)作為參照。

2.2 實(shí)例分析

上文中提到的大型綜合樓中的A 區(qū)6 成樓面15—18 軸/F 軸—H軸線區(qū)域，也就是中心劇場(chǎng)的觀眾席上空，共有2 根梁，梁的截面尺寸是600mm×2200mm，跨度為32.5m，與地面之間的距離是30m，高支撐體系主要采用扣件式鋼管模板，立桿搭設(shè)的高度為30m，支撐立桿的步間距和梁長(zhǎng)方向都是400mm，沿著高度方向通過(guò)水平剪刀每隔二排水平支撐桿就設(shè)置為一道，在水平面中進(jìn)行連續(xù)的設(shè)置。

2.2.1 模擬水平荷載

在整體支撐體系的有限元模型中，先不用對(duì)大梁的豎向荷載作用進(jìn)行考慮，在自身自重作用下對(duì)支撐體系產(chǎn)生影響，再將水平壓力F 施加在大梁的一端，對(duì)支撐體系所受水平荷載的影響進(jìn)行進(jìn)一步的研究，f 的取值為0.5kN/m2，10kN/m2，20kN/m2，50kN/m2，如圖1 所示，X1的剖面與大梁左端之間的距離是1.2m，X2剖面與大梁左端之間的距離是8.4m，X3剖面與大梁左端之間的距離是16.4m，X4剖面與大梁左端之間的距離是25.2m，X5剖面與大梁左端之間的距離是32.4m。在整個(gè)大梁支撐體系中，將兩排垂直剪刀撐布置在梁側(cè)，剪刀撐底部桿件的編號(hào)如圖2 所示。

圖1 模板支撐體系在水平荷載作用下示意圖

圖2 模板支撐體系中垂直剪刀撐布置示意圖

2.2.2 有限元計(jì)算

圖3—圖8 將水平荷載作用下模板支撐體系準(zhǔn)確的反映了出來(lái)，豎向立桿和垂直剪刀撐剖面處的豎向內(nèi)力和水平方向內(nèi)力的實(shí)際變化規(guī)律。

圖3—圖6 主要反映的是，模板高支撐體系垂直剪刀撐的實(shí)際受力變化情況。從圖中我們可以真實(shí)的看出，內(nèi)外排剪刀撐在豎向和水平方向的軸力都明顯發(fā)生了變化，豎向方向和水平方向的軸力隨著水平荷載的不斷增加而增加。垂直剪刀撐底部1—5 點(diǎn)是不同的，在支撐體系的自重作用下，1—5 點(diǎn)主要表現(xiàn)為壓力，但是因?yàn)槭艿剿阶饔昧Φ挠绊懴拢@種壓力會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變成拉力，其支撐體系呈現(xiàn)出一種上拔的趨勢(shì)，同時(shí)與水平力作用截面之間的距離越近，這種垂直剪刀撐所受到的壓力會(huì)變現(xiàn)的越明顯。但是實(shí)際上，在澆筑混凝土的過(guò)程中，這種支撐體系壓力還與混凝土自重所產(chǎn)生的內(nèi)力存在密切聯(lián)系。

圖7 與圖8 主要反映的是水平荷載作用影響下支撐立桿軸力的實(shí)際變化情況，從圖中我們可以看出，只有在受到支撐體系自重的影響下立桿底部受到的是壓力，而在水平荷載的影響下，在X1和X2剖面(靠近水平力作用點(diǎn))處立桿軸力所受到的壓力會(huì)出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，所以此處立桿會(huì)呈現(xiàn)出上拔的狀態(tài)，并且上拔的程度會(huì)隨著水平荷載得到不斷增大，X3剖面(支撐體系中部)處軸力變化不明顯的情況下，剖面X4和剖面X5(遠(yuǎn)離水平力作用截面)處，立桿軸力會(huì)表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，這就說(shuō)明了在水平作用之下，此處立桿會(huì)受到豎向力的作用(附加)。

因此，支撐體系中剪刀撐和各桿的受力情況在水平荷載作用的影響之下護(hù)受到很大的變化，還會(huì)產(chǎn)生一種附加的豎向軸力，在這樣的形勢(shì)下，立桿受到的軸力會(huì)存在更加的差異，特別是在較大水平荷載作用的影響之下，四部一些桿會(huì)表現(xiàn)出拉力，如果這時(shí)底部的約束不夠，局部桿很容易會(huì)出現(xiàn)傾覆的狀況，在水平荷載作用的影響下，一些桿的軸壓會(huì)發(fā)生明顯的增加，而且這種軸壓增加會(huì)越來(lái)越明顯，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)咕植織U件發(fā)生損壞，使整體受到損壞。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)以上實(shí)例分析我們可以了解到，水平荷載會(huì)對(duì)大梁兩端的支撐體系造成非常大的影響，一邊立桿(靠近水平力作用點(diǎn))存在上拔趨勢(shì)，存在傾覆的危險(xiǎn)，另外一邊的豎向軸力會(huì)增大，立桿會(huì)被壓壞，因此應(yīng)該在設(shè)計(jì)中優(yōu)化立桿的承載能力。

［1］張學(xué)智，章雪峰，應(yīng)義淼，等.混凝土結(jié)構(gòu)扣件式鋼管模板高支撐體系現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和分析［J］.工業(yè)建筑，2011(1).

［2］莊金平，蔡雪峰，林曾忠，等.超高大跨模板支撐體系現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及承載力公式修正方法探討［J］.工業(yè)建筑，2011(9).

［3］許可軍.論高支撐系統(tǒng)扣件式鋼管腳手架的安全控制［J］.科技信息，2011，2(23).