扣件式支架節(jié)點剛度值分析

江豪JIANG Hao；劉星LIU Xing

（①江西省公路工程監(jiān)理有限公司，南昌 330000；②江西省交通投資集團有限責任公司項目建設管理公司，南昌 330000）

0 引言

扣件式模板支架主要是通過直角扣件及旋轉扣件將支架橫桿、立桿以及斜桿組合連接起來的一種模板支架體系。基于其搬運方便、通用性強、不用加工、裝拆靈活等特點，被廣泛應用于建筑和橋梁的施工當中，同時扣件式支架坍塌引發(fā)的事故不斷發(fā)生，為找出事故發(fā)生原因并避免此類事故發(fā)生，國內外學者對支架坍塌事故進行了大量的研究，發(fā)現(xiàn)扣件式支架的承載力由于節(jié)點剛度值的不確定往往會造成實際承載力大于設計值等問題，從而導致支架坍塌事故發(fā)生，表明扣件式支架節(jié)點剛度值的不確定對于支架的穩(wěn)定性存在巨大隱患，為準確得到扣件式支架節(jié)點剛度值，消除支架潛在安全隱患，本文將基于有限元分析軟件結合實際扣件式支架施工應用情況，確定出扣件式支架的準確節(jié)點剛度值，并為同類型的扣件式支架的設計和搭設提供參考，在一定程度上預防扣件式支架坍塌事故的發(fā)生。

1 扣件式支架搭設材料簡介

扣件支架的節(jié)點剛度值大小與支架橫桿、立桿以及扣件的材料與尺寸存在直接聯(lián)系[1]，在扣件式支架結構當中扣件分為直角扣件、旋轉扣件以及對接扣件，其中直角扣件是用于扣件式支架中橫桿和立桿的連接，旋轉扣件用于任意角度桿件的連接，對接扣件用于對接接長桿件的連接，且扣件的性能和質量應滿足規(guī)范《鋼管腳手架規(guī)范》GB15831 所做規(guī)定，而橫桿、立桿的性能和材料應滿足規(guī)范《低壓流體輸送焊接鋼管》GB/T700 或者《直縫電焊鋼管》GB/T13793 對支架鋼管的要求，采用Q235 級鋼管。其中扣件和支架桿件示意圖如圖1、圖2、圖3 所示。

圖1 支架直角扣件

圖2 支架旋轉扣件

圖3 支架對接扣件

在過往研究當中，支架節(jié)點連接從三個連接方向進行分析，即完全剛接、完全鉸接、半剛性連接，而近年來，工程界和學術界通過大量研究[1]表明，扣件式支架節(jié)點以半剛性連接形式連接，半剛性連接介于剛性連接和鉸接之間，其既能承受一定的彎矩，同時還能產(chǎn)生一定的轉動，而半剛性節(jié)點剛度值與節(jié)點處材料特性和扣件的擰緊程度緊密相關[1]，在規(guī)范《建筑施工臨時支撐結構技術規(guī)范》（JGJ300-2013）中，規(guī)定扣件式臨時支撐結構節(jié)點剛度值取值為35kN·m·rad，但部分學者提出，扣件式支架的節(jié)點剛度值應符合圖4 的變化規(guī)律[1]，根據(jù)圖4 發(fā)現(xiàn)，扣件式臨時支撐結構的節(jié)點剛度值應根據(jù)支架節(jié)點實際情況發(fā)生變化，因此扣件式支架節(jié)點剛度值應在一個范圍之內，而為確定扣件式支架節(jié)點剛度值范圍，本文將結合實際扣件式支架項目現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)并與有限元軟件Midas/Civil 計算值進行對比分析，以此確定出扣件式支架節(jié)點剛度值范圍。其中M*=M/Mp，θ*=θ/（MpLb/EIb），式中M 為連接所承受彎矩，θ 為連接所產(chǎn)生的相對轉角，Mp為梁的全塑性彎矩，Lb/EIb為梁的線性剛度。

圖4 無量綱化后的彎矩—轉角（M*—θ*）平面內劃分的三種連接區(qū)域

2 工程概況

本文所依托的工程是一座跨徑為30.5m，橋面寬度為24.4m，橋梁高度為11.3m 的混凝土箱梁。其中箱梁箱室板厚為0.2～0.5m，中橫梁寬度為1.5m，端橫梁寬度為1.5m，腹板厚度為0.65～1m，翼緣板厚度為0.2～0.55m，其寬度為3.4m。箱梁具體內容見圖5、圖6。

圖5 端橫梁斷面圖

圖6 中橫梁斷面圖

根據(jù)設計要求，該現(xiàn)澆箱梁施工平臺為扣件式滿堂支架，依據(jù)扣件式支架安全施工方案，該滿堂支架設計規(guī)格如下：①現(xiàn)澆箱梁翼板立桿沿縱向間距為0.6m，橫向間距為0.6～0.9m，步距為1.2m；②現(xiàn)澆箱梁斜腹板沿橫向2.4m范圍內的橫向立桿間距為0.6m，其縱向間距布置為0.6m，步距加密至0.6m；③現(xiàn)澆箱梁腹板下3m 的范圍內立桿沿著縱向間距0.6m，橫向間距為0.6m，步距為0.6m；④沿箱梁橫梁端橫梁以下縱向2.7m，中橫梁支座前后兩側縱向各2.1m 范圍內，沿著縱向間距為0.6m，步距為0.6m；⑤掃地桿高度為0.35m。

3 扣件式支架模型建立

利用Midas/Civil 對上述扣件式支架建模，其中模型整體見圖7、圖8、圖9。

圖7 扣件式支架整體模型

圖8 扣件式支架右視圖

圖9 扣件式支架正視圖

3.1 模型材料屬性

針對設計要求，建立扣件式支架模型中桿件為空心鋼管，其規(guī)格滿足規(guī)范《碳素結構鋼》（GB/T 700）以及規(guī)范《直縫電焊鋼管》（GB/T 13793）要求。具體內容見表1、表2。

表1 扣件式支架桿件類型

表2 扣件式支架桿件材料類型

3.2 模型荷載布置

根據(jù)設計要求并考慮支架受力最不利情況對支架施加節(jié)點荷載力，其中扣件式支架自重在Midas/Civil 取-1，并按圖紙對荷載進行計算布置，其中振搗與混凝土澆筑荷載為-25kN/m2，施工節(jié)點荷載為-2kN/m2，現(xiàn)澆箱梁實心區(qū)節(jié)點荷載為28.9kN，腹板區(qū)域下節(jié)點荷載為14.9kN，翼板區(qū)域下節(jié)點荷載為12.6kN，底板區(qū)域下節(jié)點荷載為22.89kN。應力組合系數(shù)中自重系數(shù)為1.2，混凝土與振搗荷載系數(shù)為1.4，施工荷載系數(shù)為1.4。

3.3 邊界條件

扣件式支架底部采用鉸支形式進行模擬，對支架Rx，Ry，Rz 三個方向進行約束，針對扣件式支架節(jié)點，采用橫桿與立桿共節(jié)點的形式進行模擬，并對橫桿梁端的約束進行釋放，利用Midas/Civil 釋放兩端約束功能對My，Mz 方向賦予節(jié)點剛度值，以模擬實際扣件式支架節(jié)點轉動剛度值，此時輸入的數(shù)值即為節(jié)點轉動剛度值[2]。

4 扣件式支架節(jié)點剛度值確定

利用千分表，對現(xiàn)澆箱梁施工完成狀態(tài)下的扣件式支架特定部位豎向位移進行監(jiān)測采集，將采集的值與不同節(jié)點剛度值下模型相同位置豎向位移值進行比較，得出扣件式節(jié)點剛度值范圍[3]。

千分表共布置有18 個，布置位置為沿箱梁橫向方向，將支架分別按橫向方向均分為3 個縱截面，每個截面在此基礎上再均分為2 個橫截面，上述截面交點所在每跨橫桿中點即為千分表布置點。其中現(xiàn)場千分表實際豎向位移值見表3、不同節(jié)點剛度值下模型豎向位移值見表4～表9。

表3 扣件式支架實際豎向位移值 單位：mm

表4 節(jié)點剛度15kN·m/rad 支架模型豎向位移值 單位：mm

表5 節(jié)點剛度20kN·m/rad 支架模型豎向位移值 單位：mm

表6 節(jié)點剛度25kN·m/rad 支架模型豎向位移值 單位：mm

表7 節(jié)點剛度30kN·m/rad 支架模型豎向位移值 單位：mm

表8 節(jié)點剛度35kN·m/rad 支架模型豎向位移值 單位：mm

基于Midas/Civil 建立的現(xiàn)澆箱梁扣件式支架模型，模擬不同節(jié)點剛度值情況下扣件式支架豎向位移情況，其中節(jié)點剛度值取值為15kN·m/rad、20kN·m/rad、25kN·m/rad、30kN·m/rad、35kN·m/rad、40kN·m/rad 并得出不同節(jié)點剛度值下對應布置點處豎向位移值，其中不同節(jié)點剛度值下豎向位移值見表4～表9。

表4～表9 分別與表3 進行比較，在同一采集點，節(jié)點轉動剛度在25～35kN·m/rad 的范圍內時，扣件式支架各采集點數(shù)據(jù)均在Midas/Civil 模擬值內，表明扣件式支架節(jié)點剛度值應為25～35kN·m/rad，且隨著支架節(jié)點轉動剛度值增加，豎向位置值逐步減少，表明隨著節(jié)點剛度值增加，支架整體穩(wěn)定性增加。（圖10）

圖10 現(xiàn)場位移值與不同節(jié)點剛度下位移值

5 結語

①扣件式支架節(jié)點轉動剛度值范圍為25～35kN·m/rad。②扣件式支架穩(wěn)定性隨著支架節(jié)點剛度值增加而加強。