高大模板碗扣式高支撐體系節點位移模擬研究

孫建國

摘 要：碗扣式高支撐體系以其施工方便、承載力高、受力性能良好的優勢，在施工中得到廣泛應用。但是由于人們對該體系的認識不足，導致近年來我國許多地方模板支撐坍塌事故。文章以碗扣式高支撐體系為研究對象，以實際工程中碗扣式高支撐體系為背景，建立正確的有限元模型，模擬實際受力情況，分析高支撐體系變形情況，提高實際工程中高支撐體系的安全工作。

關鍵詞：碗扣式；高支撐體系；節點位移

引言

隨著我國建筑行業的高速發展，模板支撐架體系的應用越來越頻繁和普遍，其中，碗扣式模板支架在高架橋梁和一系列高層建筑施工中得到了廣泛應用。但是，然而模板支架本身的工程事故時常發生，究其原因，是由于設計計算錯誤、構配件質量問題、施工質量問題或者管理上的疏忽等方面造成的。哈爾濱工業大學劉宗仁教授提出扣件式鋼管腳手架臨界力下限計算法。認為扣件式鋼管腳手架的縱向或橫向水平桿與立桿用扣件連接的節點屬于半剛性節點[1]。文章以阜新某工程為例，進行仿真分析。建立有限元模型，對模型加載，分析高支撐體系模型在施工荷載作用下體系中節點的位移值，確保工程中的高支撐體系安全可靠地工作。

1 高大模板支撐體系模擬分析

1.1 高大模板支撐體系概況

高大模板支撐體系是指搭設高度超過8m、支撐跨度超過18m、施工總荷載大于10kN/m2或集中線荷載大于15kN/m的模板支撐系統。在阜新樂天瑪特超市工程中有一處已到達高大模板支撐規模。工程中C-F/8-11軸處頂板標高12.30米，下方為一層大廳大面，頂板模板支撐高度為12.15米，典型梁截面尺寸：4500mm×1000mm，跨長9.6米，梁底模板支撐高度11.15米。

1.2 半剛性框架理論

此種方法認為節點由于采用扣件連接而具有半剛性。在荷載作用下，扣件連接具有一定的轉動剛度，且轉動剛度與扣件的質量和擰緊程度密切相關，半剛性特點表現得非常明顯。哈爾濱建筑工程學院徐崇寶教授等曾分別采用剛性和半剛性的扣件連接對雙排扣件式鋼管腳手架的整體穩定做過理論分析，發現按半剛性連接分析的理論值與試驗值比較接近[2]。

1.3 高大模版支撐體系設計

以梁截面450mm×1000mm進行設計，設計參數如下：

模板：15mm厚多層板；梁側：水平背楞為50×100木方，設置8道，間距150mm，端部為100×100木方；豎向鋼楞為φ48.3×3.6雙鋼管，間距600mm設置；梁底：次龍骨為10×100木方，設置6道，間距200mm；托梁為φ48.3×3.6鋼管，間距600mm設置；

立桿：梁兩側立桿間距1200mm，梁底加兩根立桿頂撐，縱向按間距600mm設置鋼管與兩側立桿拉結，并伸進梁兩側架體兩跨，沿梁長方向設通長水平桿，水平桿豎向間距600mm一道；對拉螺栓：2根M16間距500設置，距梁底分別為200mm、400mm。預應力梁不適用穿梁PVC套管，所有對拉螺栓一次性投入，無法周轉。沿梁方向間距600mm設置；斜撐：采用φ48.3×3.6與梁底橫桿連接，間距按600mm設置。梁下采用φ48.3×3.6鋼管設置剪刀撐，將梁底頂撐立桿與整體腳手架架體連接為一個整體；豎向由底到頂剪刀撐，剪刀撐的斜桿與地面夾角應在45°～60°之間，斜桿應每步與立桿扣接；梁兩側設置連續豎向剪刀撐[3]。

1.4 梁模板及支架計算

1.4.1 荷載組合

q1=1.2×（51.00+0.30）+1.4×2.0=64.30kN/m2（由荷載效應控制的組合產生的荷載設計值）

q2=0.30+51.00=51.30kN/m2（恒荷載標準值）

q3=1.35（51.00+0.30）+1.4×0.70×2.0=71.22kN/m2（永久荷載效應組合產生的荷載設計值）

永久荷載及可變荷載組合值最大，取36.79kN/m2進行計算。

1.4.2 面板

kN·m（按單跨簡支梁模型

計算）

N/mm2<12.0N/mm2（木材抗彎強度

設計值）

mm>■=0.5mm

撓度驗算，對結構表面外露的模板，其最大變形值不超過計算跨度的1/400。

1.4.3 龍骨

按簡支梁計算：

kN·m

N/mm2<13.0N/mm2

mm<■=2.25mm

1.4.4 托梁

按簡支梁計算：

kN·m

N/mm2<205N/mm2

mm<■mm=0.8mm

符合要求。

1.5 模型建立

以C～F軸交8～11軸中450mm×1000mm預應力梁下高支撐為例，運用ANSYS有限元軟件建立碗扣式高支撐體系實體模型。有限元模型見圖1。

分別在梁L/4、2L/4、3L/4跨度下方的三根附加立桿中設置測點，這三根立桿標高11.15m、7.55m、3.95m、1.2m上各設置一點，共計36個點作為研究對象，節點編號命名為1～36，節點下方的立桿編號命名為1-1～1-36。對高支撐體系模型進行加載，以模擬混凝土澆筑的情況，進而可以對加載后計算模型中測點的位移進行分析。

2 結果分析

對碗扣式高支撐體系模型進行加載，其中加載值P=24.2KN，加載后變形圖見圖2。碗扣式高支撐體系模型兩次加載后各個測點豎向位移值見圖3。

圖3 模型中梁下測點豎向位移值

在圖3中正值表示位移向下，表明碗扣式高支撐體系在加載過程中節點位移計算值遠小于體系屈曲時節點位移值，這說明碗扣式高支撐體系在實際施工中節點位移值很小，沒有達到高支撐體系屈曲時位移值，足以保證高支撐體系安全工作。

3 結束語

（1）高支撐體系模型在施工荷載作用下體系中節點的位移值數值模擬分析可行，依據半剛性理論，模擬效果較好。

（2）選取模型中梁下方關鍵部位的節點及桿件，通過對有限元模型加載，模擬施工中高支撐體系的受力情況，得出高支撐體系模型加載后節點的位移值沒有超過高支撐體系模型屈曲情況下相應的數值，進而驗證實際工程中高大模板支撐體系的安全性及穩定性，確保施工安全。

（3）碗扣式的基本構造與扣件式的模板構造除了節點構造外，基本一致。但是它們的穩定性不同，由上面對高支撐體系節點位移的研究，表明碗扣式高支撐體系的節點性能穩定。同時，碗扣式的模板支架在市場的份額呈遞增趨勢。

參考文獻

[1]劉宗仁，涂新華，丁永勝.扣件式鋼管腳手架臨界力下限計算方法[J].建筑技術2001，2（5）：65-72.

[2]徐崇寶，黃寶魁.雙排扣件式鋼管腳手架工作性能的理論分析與試驗研究[J].哈爾濱建筑工程學院學報，1989，22（2）：28-34.

[3]杜榮軍.腳手架結構的穩定承載能力[J].施工技術，2001，30（4）：8-15.