施工技术 扣件式钢管模板支撑体系高宽比对稳定性影Ⅱ向研究 刘 莉 储诚明 武 一 ２３００１２ ３００４５０） （１．沈阳建筑大学，沈阳 １１０１６８；２．安徽省城乡规划设计研究院，合肥３．巾建八局天津公司，天津摘 要：根据试验情况建立扣件式钢管模板支撑体系有限元分析模型，通过试验数据与有限元分析结果对比，验证 了有限元模型的正确性，进一步分析架体高宽比对支撑体系稳定性影响．研究表明：减小架体水平杆的步距可以 提高支撑体系的屈曲荷载；随着架体高宽比的增加，屈服荷载明显下降．建议在施工中架体高宽比不应大于２．以小 于１．５为宜 关键词：扣件式钢管模板支撑体系；屈曲分析；有限元分析；高宽比 Ｄ０Ｉ：１０．１３２０６／ｊ．ｇＪｇ２０１７０８０２２ ＳＴＵＤＹ ｏＮ ＴＨＥ ＩＮＦＬＵＥＮＣＥ ｏＦ ＴＨＥ ＦＡＳＴＥＮＥＲ ＳＴＥＥＬ ＰＩＰＥ ＦｏＲＭＷｏＲＫ ＳＵＰＰＯＲＴ ＳＹＳＴＥＭ ＡＳＰＥＣＴ ＲＡＴＩｏ ＳＴＡＢＩＬＩＴＹ ＬＩＵ Ｌｉ。 ＣＨＵ Ｃｈｅｎｇｍｉｎｇ ＷＵ Ｙｉ （Ｉ．Ｓｈｅｎｙａｎｇ．１ｉａｎｚｈｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｌｙ．Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１０１６８，Ｃｈｉｎａ：２．Ａｎｈｕｉ ＵｒｂａｔＩ＆Ｒｕｒａｌ ｉ＇ｌａｎｎｉｎｇ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｌｉｔｕｈ・，｝ｈ－ ２３００ｌ２．Ｃｈｉｕａ；３．Ｔｉａｕｊｉｎ Ｂｒａｎｃｈ．．Ｃｈｉｎａ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｔｕ￣Ｅｉｇｈｔｈ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｒｔｇ Ｄｉ￣ｉｓｈｍ Ｃ Ｌｉｄ． Ｉ＇ｉａｎｊｉｎ ３００４５０，Ｃｈｈｍ） ＡＢＳＴＲＡＣＴ： Ｆｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｆａｓｔｅｎｅｒ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ ｆｏｒｍｗｏｒｋ ｓｕｐｐｍ ｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｅｓｔａｈｌｉｓｈｅｄ ａ（・ＣＯｌ‘ｄｉｎｇ ｔｈｅ ｔｅｓｔ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｅｘｐｅｌ‘ｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ ａｎ［１ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｈｓ，ｔｈｅ ｃｏＦＦｅ（。Ｉｌｌｆ＇ＳＳ ｏｆ ｔｈ￣－ｆｉｎｉｔ＊ ｅｈ ｉｎ（・ＩＩｔ ｍｏｄｅｌ ｈａｄ ｂｅｅｎ ｖｅｒｉｆｉｅｄ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｄｅｐｔｈ—ｗｉｄｔｈ ｒａｔｉｏ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｉ‘ｓｕｐｐｏｒｔ ｓｙｓｔ（１１１１ ｈａｓ｝１ｒｅｌｌ ｆｌｌＩｌｈｅｔ ‘ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔ１ｌｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｅｄｕ｛’ｌｉｏｎ ｏｔ’ｔｈｅ ｈｍ’ｉｚｏｎｔａｌ［ｅｖｅｒ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｂｍ、ｋｌｉｎｇ ｌｏａｄ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕＩ’『ｌＩｌｒ１ ｓｙｓｈ！ｉｎ； ｉｔｈ ｔｈｅ ｉｍｗｅａｓｅ ｏｆ’ｄｅｐｔｈ—ｗｉｄｔｈ ｒａｔｉｏ．ＩＩｌ ｙｉｅｈｔ ｌｏａｄ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ（ｄＭｏｕｓｌｙ．ｈ ｗａｓ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ ｔｈａｉ ｔｈｅ（¨ｐｌｈ—ｗｉｄｌｈ ｒａｌｉｏ ｓｈｏｕｈｔ ｎ‘＇ｌ ｂｅ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ２．ａｎｄ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ Ｉ．５． ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ：ｆａｓｔｅｎｅｒ ｓｔｅｅｌ ｔｕｂｅ ｆｏｒｍｗｏｒｋ ｓｕｐｐｏｒｔ ｓｙｓｔｅｍ；ｂｕｃｋｌｉｎｇ ａｎａ１） ｓｉｓ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｌｎｅｌ“ａｎａ１） ｓｉｓ；ｄｅ１）ｔｌ１ ｗｉｄｔｈ ｒａｆｔ． 随着“一带一路”倡议的提出，国家基础设施建 设得到大力发展。扣件式钢管模板支撑体系具有使 川方便快捷、承载力高、整体刚度好等优点，目前已 系平衡位置的形状将会发生很大的变化 ．特征值ＪＨｊ 曲分析是以小位移、小应变线性理论为基｛ｉ｝｛：来预测 一个理想弹性结构的理沦屈服强度 有限７ ｒ箅得 得到广泛应Ｈ】。但是由于设计和搭设过程中存在许 多不确定、不安全『太］素．导致该种支撑体系塌倒事故 频频发生，严蘑影响ｒ施一ｒ安全，造成生命和财产损 失。同『人ｊ外学者对模板支撑体系初始缺陷影响、混 凝土浇筑顺序影响、立杆间距影响承载力计算方法 等问题进行了研究 。但对扣件式钢管模板支撑 ｍ的屈曲系数与施加的外荷载乘积为屈曲简载 １．２模板支撑体系有限元模型的建立 １．２．１ 单元的选取 本文采用ＡＮＳＹＳ软件建立扣件式钢镑模板支 撑体系的有限元分析模型。采用Ｂｅａｍ ｌ ８８单元模 拟支撑体系中的立杆、水平杆、剪刀撑，ＣｏｍｂｉＩ１ ｌ４ 单元模拟支撑体系巾的节点半刚性连接 Ｂｅａｍ ｌ ８８ 体系稳定性影响因素缺少系统研究。本文通过有限 元模拟，分析架体高宽比对屈曲荷载和失稳模态的 影响，为相关规范的修订提供参考。 单元适用于分析细长的梁，能很好地应用于线性分 析、大偏转、大应力的非线性分析。Ｃｏｍｂｉｎ １４单元 具有的轴向和扭转性能 、轴向的弹簧阻尼器是 具有一维的拉伸或者压缩的单元。不考虑弯ｆＨ｛或扭 ｝辽宁省自然科学基金项目（２０ｌ６０２６１７）；辽宁省高等学校创 新团队项目（ＬＴ２０１５０２３）。 第一作者：刘莉，女，１９７１年出生．博十，副教授。 Ｅｍａｉｌ：ｃｅｌｌｉｕ＠ｓｊｚｕ．ｅｄｕ．ｃａ ｌ模板支撑体系有限元模型 １．１ ＡＮＳＹＳ屈曲分析 屈曲荷载是一个临界的荷载值，在屈曲荷载作 用下，未达到材料强度之前，支撑体系开始变得不稳 定 若临界衙载值再增加一个微小的量，则支撑体 ｌ０（） 收稿１３期：２０１ ７—０５—１８ 钢结构 ２Ｏｌ７年第８期第３２誊总第２２４期 刘 莉，等：扣件式钢管模板支撑体系高宽比对稳定性影响研究 转。扭转的弹簧阻尼器是一个纯扭转单元。其每个 节点具有３个自由度， 、Ｙ、。方向的旋转，不考虑弯 曲或者轴向力。本文选用扭转弹簧阻尼器模拟所有 杆件之间的连接，立杆底部边界条件为铰接。 １．２．２半刚性节点的模拟 杆件之间的连接通常有３种连接方式：刚性连 接、半刚性连接、铰接。刚性连接节点可以承受和传 递弯矩的作用。半刚性连接是一种介于铰接和刚性 连接之间的一种连接方式，它可以承受和传递一定 ａ一模型１；ｂ一模型２；ｃ一模型３。 图１ 失稳模态示意 的弯矩。铰接不能承受和传递弯矩。本文在对扣件 式钢管模板支撑体系建模时，支撑体系的上、下层立 杆之间的连接为刚性连接。支撑体系的纵横向水平 Ｚ 杆和立杆之间的连接、立杆和竖向剪刀撑之间的连 接、水平杆和水平剪刀撑之间的连接均为半刚性连 接。通过试验和模拟对比，本文半刚性连接转动刚 度取１５ ｋＮ・ｍ／ｒａｄ。 镉 柱 魍 噬 １．２．３计算模型的建立 运用ＡＮＳＹＳ有限元分析软件对３组试验模型 进行模拟研究 。。试验中对中间单根立杆加载，预 水平杆步距／ａｍ ｒ＋模拟数值；＋试验数值。 罔２立杆 曲荷载 载阶段施加２ ｋＮ荷载，正式加载阶段，由千斤顶施 加的每级荷载为１０ ｋＮ，每级荷载持续５ ｍｉｎ。当荷 载达到３０ ｋＮ时，每级降为２ ｋＮ，直至结构发生失稳 破坏。钢管的外径为４８ ｍｍ，内径为４２ ｍｍ，弹性模 量为２．０６ Ｘ １０ ＭＰａ，泊松比为０．３，密度为７．８×１０ 曲荷载增加，但屈曲荷载的增加与水平杆的步距 减小之间的关系并不呈线性关系。以试验值为 例，当水平杆步距由１ ８００ ｍｍ减小到ｌ ３５０ ｍｍ 时，屈曲荷载由３８ ｋＮ增加到４４ ｋＮ，屈曲荷载增 ｋｇ／ｍｍ 。扫地杆距地面为２００ ｍｍ，立杆顶端伸出 顶层水平杆长度为１００ ｍｍ。各模型立杆间距与水 平杆步距见表１。 表１ 立杆间距与水平杆步距 ｉ＇ｌｌｔｌｉ 加了１６％；当水平杆步距由１ ３５０ ｍｍ减小到 ９００ ｍｍ时，屈曲荷载由４４ ｋＮ增加到５５ ｋＮ，屈曲 荷载增加了２５％。施１二中可以通过减小水平杆的 步距来提高支撑体系的屈曲荷载，增强支撑体系 的稳定性。从试验值和模拟值比较可以看出，步 距对屈曲荷载的影响是比较明显的。试验和模拟 对立杆屈曲荷载随水平杆的步距变化所影响的程 度略相差１０％左右。试验过程中，杆件及扣件拧 ｌ．２．４ 试验结果与模拟结果对比分析 紧度存在一定的差异。而模拟时，各杆件间连接 刚度是一致的。模拟和试验值差距较小，验证了 有限元模型的有效性。 ２架体高宽比对支撑体系的影响 三组试验模型失稳模态见图１。立杆屈曲荷载 见图２。 由图１试验模型失稳模态可以看出，扣件式钢 管模板支撑体系发生变形最大的位置是顶端伸出部 位。无论水平杆的步距如何变化，总是支撑体系的 顶层立杆伸出端的侧移最大。在施工过程中，应该 分别建立４组模板支撑体系的有限元模型，具 体参数如表２所示。 各模型纵、横向均设置３跨，扫地杆距地面为 ２００ ｍｍ，立杆顶端伸出顶层水平杆长度为１００ ｍｍ， 支撑体系采用整体加载方式进行加载，即在每根立 杆顶部施加竖向集中荷载，加载制度与试验模型相 同，使其更接近施加工况。经有限元分析，各模型失 ｌ０ｌ 通过相关构造措施来加强顶层伸出端，避免因为顶 层立杆伸出端的局部失稳破坏，导致整个支撑体系 破坏。 由图２立杆屈曲荷载随水平杆的步距变化试 验值及模拟值可以看出，水平杆步距减小，立杆屈 施工技术 稳模态如图３所示。屈曲系数和施加的外荷载乘积 为屈曲荷载。由此得到支撑体系屈曲荷载随高宽比 的变化情况如图４所示。 表２有限元模型参数 ｍｍ 距相同的情况下，随着高宽比的增加，支撑体系的屈 曲荷载降低，但支撑体系高宽比的增加与支撑体系 能够承担的屈曲荷载两者之间不是线性关系。当支 撑体系的高宽比从１增加到１．５时，支撑体系的屈 曲荷载从８０．１ ｋＮ下降到７３．４ ｋＮ，支撑体系能够承 担的屈曲荷载下降了８．４％；当支撑体系的高宽比 从１．５增加到２．０时，支撑体系能够承担的屈曲荷载 从７３．４ ｋＮ下降到６９．８ ｋＮ，支撑体系的屈曲荷载下 降了４．９％；当支撑体系的高宽比从２．ｏ增加到３．０ 时，支撑体系能够承担的屈曲荷载从６９．８ ｋＮ下降到 ６６．２ ｋＮ，支撑体系的屈曲荷载下降了５．２％。 支撑体系在４种不同的高宽比条件下，立杆未 霸 黼发生强度破坏，均是失稳破坏。随着高宽比的增加， 体系的整体侧移增大，屈服荷载降低。 当高宽比＜１．５时，支撑体系所承受的屈曲荷 载较大；当高宽比≥２．０时，支撑体系所承受的屈曲 荷载下降较大。因此，在施丁现场为了安全考虑支 撑体系的高宽比不应大于２．０，以小于１．５为宜。 ３ 结束语 根据３组试验情况，建立扣件式钢管模板支撑 体系模型，模拟实际加载过程。通过试验数据与有 限元分析结果对比，验证该模型的正确性。研究结 果表明，减小架体水平杆的步距可以有效提高支撑 体系的屈曲荷载；随着架体高宽比的增加，屈服荷载 明显下降，建议在施工中架体高宽比不应大于２，以 小于１．５为宜。 Ｚ 参考文献 柱 葛 嗵 ［１］ ，蔡亮，温兆麟，等．构造措施对高支模支架体系力学性能 的影响［Ｊ］．沈阳建筑大学学报，２０１３，２９（１）：１０４—１０９ ［２］ 李瑞良．扣件式高大模板支撑体系的稳定性分析［Ｄ］ 南宁： 广西大学，２０１４：１５—１９． ｌ ０ ｌ ５ ２ ０ ２ ５ ３．０ ［３］ 王娜．混凝土结构模板支撑体系施Ｔ控制技术研究［Ｊ］．安徽 建筑Ｔ业学院学报，２０１２，２０（２）：３５—３８． 高宽比 罔４ 支撑体系屈曲荷载随高宽比的变化 ［４］ 刘莉，王芳，王博，等．混凝土浇筑顺序对高大模板支撑体系稳 定性影响［Ｊ］．沈阳建筑大学学报，２０１４，３０（１）：ｌ１６一Ｉ Ｉ９． 从图４可以得出看出，在水平杆步距和立杆间 ［５］ 程海斌．扣件式钢管模板支架体系中立杆破坏性试验研究 ［Ｄ］．沈阳：沈阳建筑大学，２０１３：１ｌ一４２． １０２ 钢结构 ２０１７年第８期第３２卷总第２２４期
