風荷載對扣件式鋼管高支撐架承載力的影響

金國輝,趙換云,郝增奎

1.內蒙古科技大學 土木工程學院,內蒙古 包頭 014010

2.石家莊鐵道大學 土木工程學院,河北 石家莊 050000

風荷載對扣件式鋼管高支撐架承載力的影響

金國輝1,趙換云1,郝增奎2

1.內蒙古科技大學 土木工程學院,內蒙古 包頭 014010

2.石家莊鐵道大學 土木工程學院,河北 石家莊 050000

隨著越來越多的高大建筑工程的建造，施工過程中大跨度、高支撐體系的運用隨處可見。目前，扣件式鋼管支模體系占據大多數，但針對高支撐架體系的安全規定尚未有明確的規范，針對高支撐體系的安全問題亟待解決。現有的對支撐體系承載力研究往往沒有考慮風荷載的影響，文章在分析高支撐架結構特點的基礎上提出了考慮風荷載對扣件式鋼管高支撐架體系穩定承載力的有限元分析，證實了風荷載這一因素對扣件式鋼管高支撐架穩定承載力的影響，為今后搭設扣件式鋼管高支撐架的設計提供有價值的參考。

風荷載；扣件式鋼管；高支撐架

隨著我國綜合國力的不斷提升、現代化建設的發展，隨之而來的大跨度、大空間建筑的增多，施工過程中所需實用的模板支撐架的安全問題也日益突出。對于模板支撐，國內大部分使用的是扣件式鋼管腳手架。施工單位對高度較低的支撐架搭設有比較成熟的經驗，但高大支撐架體系屬于危險性較大的部分分項工程，應先編制相對應的專項施工方案，但若對此種支撐架不編制或按照一般支撐架的設計，往往考慮有所缺失，給施工帶來重大安全隱患。因此，對扣件式鋼管高大模板支撐架承載力的研究已引起廣泛的關注與探討[1-5]。

國內很多學者對此種支撐體系都進行了一些理論或實驗方面的研究：陸征然對扣件式鋼管滿堂支撐體系的整體受力性能進行了研究，對直角扣件的轉動剛度進行了有限元分析和試驗研究[6]。張永春對作用于扣件式鋼管高支撐架的混凝土澆筑過程中產生的泵管脈沖力的動力反應進行了理論研究和有限元分析[7]。在實際中，自然因素產生的風荷載對高支撐架也有一定的影響，而很多學者在對支撐體系研究過程中往往不考慮風荷載的作用，因此，有必要對風荷載作用于高支撐架的受力性能進行深入研究。

1 有限元分析參數選取

本文建立桿縱橫間距48跨、步距8步的有限元模型。由于模板支架桿件之間是用扣件連接，縱橫向水平桿與立桿連接處桿件中心不在同一個節點上，按照JGJ130—2011的搭設要求，建立各個桿件對應的節點有限元模型。桿件連接處的節點具有半剛性性質，因此采用彈簧單元Combin14模擬扣件的半剛性性質，支撐架模型的立體圖和立面圖如圖1，2所示。

圖1 扣件式鋼管支架模型Fig.1 The 3D model of fastener-type steel tubes

圖2 扣件式鋼管支模架模型的立面Fig.2 The vertical model of fastener-type steel tubes

按照規范要求模型鋼管截面采用外徑為48.3 mm、壁厚為3.6 mm的普通鋼管，屈服強度為235 MPa，彈性模量為2.06105MPa，密度為7.810-6kg/mm3，泊松比為0.3，彈簧剛度的取值參考文獻［8～10］中對于直角扣件剛度性質的研究成果。

2 風荷載對支撐體系承載力的影響分析

根據《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》JGJ 130—2011的要求，作用于腳手架上的風荷載標準值，應按下式計算：wk=μz·μs·w0

式中：

wk—風荷載的標準值（KN/m2）

μz—風壓高度變化系數，按照國家標準《建筑結構荷載規范》GB 50009規定取值，本文取1.0

μs—腳手架的風載體型系數，按規范本文取0.1625

w0—基本風壓值（KN/m2），按照國家標準《建筑結構荷載規范》GB50009的規定取值，重現期取n=10，按照規范本文取0.35

故wk=μz·μs·w0=1.0×0.1625×0.35=0.057 KN/m2

對支撐架承載力進行分析，首先定義模型的邊界條件，結構與地面的約束為鉸接，豎向荷載作用于頂端節點上，風荷載作用于一側面的節點上，不考慮偏心的影響，然后對結構進行考慮有初始缺陷的非線性有限元分析，以立桿縱橫間距為1.0 m、立桿間距為1.2 m、水平掃地桿設置高度為0.3 m、立桿頂端伸出高度為0.3 m為基本模型得出不同搭設參數條件下支撐架的承載力，結果如下。

2.1 不同縱橫間距的支撐架承載力

保持模型基本參數不變，只改變立桿縱橫間距，按照規范搭設要求立桿縱橫間距從0.4 m～1.2 m變化時考慮風荷載與不考慮風荷載的支撐架模型非線性有限元分析承載力如表1所示，不同搭設參數條件下支撐架承載力的變化趨勢如圖3所示。

表1 不同縱橫間距的支撐架承載力Table 1 The bearing capacity of support framework with different distances

從表1可以看出，相同搭設參數條件下，考慮風荷載與不考慮風荷載相比，支撐架的承載力下降了大約30%，結合圖1所示，無論是否考慮風荷載的影響，支撐架承載力都隨立桿縱橫間距的增大而下降，但有風荷載作用時，立桿縱橫間距為0.4 m時反而引起承載力的下降，間距為0.6 m～1 m時差別不大，考慮施工的方便適用、經濟合理，建議搭設間距不宜大于1.2 m。

2.2 不同步距對支撐架承載力

保持模型基本參數不變，只改變立桿步距，按照規范搭設要求立桿步距從0.6 m～1.8 m變化時考慮風荷載與不考慮風荷載的支撐架模型非線性有限元分析承載力如表2所示，不同搭設參數條件下支撐架承載力的變化趨勢如圖4所示。

表2 不同立桿步距的支撐架承載力Table 2 The bearing capacities of support framework with different steps

圖3 支撐架隨立桿縱橫間距變化的承載力Fig.3 The change of bearing capacity with vertical and horizontal spaces

圖4 支撐架隨立桿步距變化的承載力Fig.4 The change of bearing capacity with steps

從表2可以看出，相同搭設參數條件下，考慮風荷載與不考慮風荷載相比，支撐架的承載力下降了大約25%～30%，最大下降了40.76%。結合圖4所示，無論是否考慮風荷載的影響，支撐架承載力都隨立桿步距的增大而下降，并且在有風荷載作用時，支撐架的承載力在隨著步距的增大時下降的更快。因此施工搭設時不宜搭設步距過大。

2.3 不同掃地桿設置高度對支撐架承載力

保持模型基本參數不變，只改變水平掃地桿設置高度，按照規范搭設要求水平掃地桿設置高度從0.2 m～0.9 m變化時考慮風荷載與不考慮風荷載的支撐架模型非線性有限元分析承載力如表3所示，不同搭設參數條件下支撐架承載力的變化趨勢如圖5所示。

表3 不同掃地桿設置高度的支撐架承載力Table 3 The bearing capacities of support framework with different heights

從表3可以看出，相同搭設參數條件下，考慮風荷載與不考慮風荷載相比，支撐架的承載力下降了大約25%～32%。結合圖4所示，無論是否考慮風荷載的影響，支撐架承載力都隨水平掃地桿設置高度的增大而下降。

2.4 不同頂端伸出長度對支撐架承載力

保持模型基本參數不變，只改變立桿頂端伸出長度，按照規范搭設要求立桿頂端伸出長度從0.2 m～0.9 m變化時考慮風荷載與不考慮風荷載的支撐架模型非線性有限元分析承載力如表4所示，不同搭設參數條件下支撐架承載力的變化趨勢如圖6所示。

表4 不同頂端伸出長度的支撐架承載力Table 4 The bearing capacities of framework with different stretches on tops

圖5 支撐架隨掃地桿設置高度變化的承載力Fig.5 The changes of bearing capacities with floor tube heights

圖6 支撐架隨立桿頂端伸出長度變化的承載力Fig.6 The changes of bearing capacities with stretches on tops

從表4可以看出，相同搭設參數條件下，考慮風荷載與不考慮風荷載相比，支撐架的承載力下降了大約20%～27%。結合圖4所示，無論是否考慮風荷載的影響，支撐架承載力都隨立桿頂端伸出長度的增大而下降，在不考慮風荷載作用時，支撐架承載力隨頂端伸出長度的增長而下降的更快，風荷載對頂端伸出長度的變化引起承載力變化的影響較小。

2.5 不同風載對支撐架承載力

保持模型基本參數不變，只改變風荷載作用的大小進行模板支撐架模型的非線性有限元分析，得出相對應的支撐架承載力如表5所示，相應的變化趨勢圖如圖7所示。

表5 不同風荷載作用下支撐架承載力Table 5 The bearing capacity of framework under different wind loads

圖7 支撐架隨風荷載變化的承載力Fig.7 The changes of bearing capacities with wind loads

由表5和圖7可以看出，模型支撐架承載力隨風荷載作用的增大而下降，并且下降速度較快。綜上所述，扣件式鋼管高支撐架承載力受到各種因素的影響。支撐架承載力與搭設參數、外界自然因素緊密相關，在施工過程中由支撐架承載力引起的安全問題應引起我們的重視。

3 結論

（1）在自然界中，風荷載對模板高支撐架的影響是不容忽視的，考慮具有初始缺陷的模板支撐架非線性有限元分析應該計算這一因素對模板支撐架承載力的影響。

（2）在扣件節點半剛性的基礎上，對大量不同搭設參數條件下分別是否考慮風荷載作用的影響進行非線性有限元分析。從分析結果可以得出，考慮風荷載的作用時，支撐架承載力比不考慮風荷載作用時要低，說明了忽略風荷載這一因素是偏于不安全的。

（3）對于考慮風荷載作用的影響后，從得到的承載力變化趨勢圖中可以看出，支撐架承載力對立桿步距變化和水平掃地桿設置高度變化較為敏感，在實際施工過程中應予以重視。

（4）風荷載對模板高支撐架承載力的影響比較明顯，在多風季節或者多風地區施工應予以考慮。

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[4]宋建學,史 瑞.腳手架扣件抗滑移試驗及分析[J].建筑技術,2011,42(10):937-938

[5]陸征然,陳志華,王小盾,等.扣件式鋼管滿堂支撐體系穩定性的有限元分析及試驗研究[J].土木工程學報,2012,45(1):49-60

[6]陸征然.扣件式鋼管滿堂支承體系理論分析與試驗研究[D].天津:天津大學,2010

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[9]曹 深.扣件式鋼管模板支架節點半剛性受扭機制試驗研究[D].西安:長安大學,2011

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TheEffectofWindLoadontheBearingCapacityofHighFramework FastenedwithSteelTubes

JIN Guo-hui1,ZHAO Huan-yun1,HAO Zeng-kui2
1.School of Civil Engineering/Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,China
2.School of Civil Engineering/Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050000,China

As more and more tall building engineering construction,the construction process of large span,the use of high support system can be seen everywhere.At present,the fastener type steel tube shuttering system make up the majority,but for high support frame system safety regulations are not yet have a clear standard,safety problems to be solved with high support system.Existing research often bearing capacity of support system without considering the influence of wind load, based on the analysis of high brace structure is proposed on the basis of considering the wind load of fastener type steel tube high brace system stability bearing capacity of the finite element analysis,confirmed the wind load this factor for fastener type steel tube high brace stable bearing capacity,the influence of the set-up of fastener type steel tube for the future high valuable reference for the design of support frame.

Wind load;the fastener type steel tube;high racks

TU14

:A

:1000-2324(2017)02-0219-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2017.02.011

2016-07-14

:2016-08-05

內蒙古自治區安全生產監督管理局:礦山高大跨混凝土結構高支模體系施工重大安全事故防治關鍵技術研究(2013-5-2)

金國輝(1966-),男,碩士,教授,研究方向:土木工程建造與管理.E-mail:jinguohuimba@163.com