217_3949933_扣件式钢管模板支架动力特性及抗倒塌研究.doc

硕 士 学 位 论 文 扣件式钢管模板支架动力特性及 抗倒塌研究 张永春 导师姓名职称王 步 副教授 申请学位级别工学硕士学科专业名称结构工程 论文提交日期 2010 年 05 月 06 日 论文答辩日期 2010 年 05 月 30 日 学位授予单位长安大学 答辩委员会主席张俊发 教授 学位论文评阅人张俊发教授、张顺强教授级高工 分类号:tu3 10710-0728059 investigation on dynamic characteristics and anti- collapse of coupler-style steel tubular formwork supports a dissertation submitted for the degree of master candidate：zhang yunchun supervisor：vice prof. wang bu changan university, xian, china 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下,独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 年 月 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 （保密的论文在解密后应遵守此规定） 论文作者签名： 年 月 日 导 师 签 名： 年 月 日 i 摘要摘要 扣件式钢管模板支架以施工方便、通用性强、使用成本低、承载力高、整体刚度 好等优点，已成为当前我国应用最广泛的一种模架形式。然而，扣件式钢管模板支架 的安全性没有得到足够的重视，并在最近的十几年来，模板支架事故频频发生，严重 威胁着建筑工程的安全生产。究其原因，是对扣件式钢管模板支架系统缺乏深入的研 究和认识。因此，本文对扣件式钢管模板支架进行研究具有重要的理论依据和现实意 义。 本文在扣件式钢管模板支架组成及大量模架倒塌事故诱因分析的基础上，明确研 究了扣件半刚性特性下模板支架的动力受力性能和稳定承载力性能，其研究成果主要 如下： （1）采用大型通用有限元软件建立了模板支架整架空间杆系有限元模型，引用了 课题组前期研究获得的扣件半刚性弯矩转角关系，并考虑了加载过程中可能出现的 材料非线性和几何非线性问题。采用数值模拟技术和理论计算对比分析，对不同搭设 构造条件、施工期不同时段模架的动力性能进行了计算分析，从而得出了各种因素对 模架动力特性的量化模型。 （2）泵管脉冲力在浇注过程中将引起模板支架体系的振动并导致支架产生不稳定 现象。本文通过对混凝土泵管脉冲力机理分析，从而建立了泵管脉冲力的计算模型， 并借助有限元仿真分析研究了此作用下模架的动力反应现象，其公式和结论为工程实 践提供了参考依据。 （3）模板支架坍塌事故的发生，稳定承载力不足是另一重要诱因。本文主要从支 架的构造因素和不同的浇注路径两方面进行了有限元数值模拟分析，从而得出各种因 素对模架稳定承载力的影响方式和影响程度，并在此基础上提出了支架搭设和施工浇 注方式选择上的有关建议。 关键词：扣件式钢管模板支架、半刚性、有限元法、动力特性、泵管脉冲力、浇 注路径、稳定承载力 ii abstract coupler-style steel tubular formwork supports has become the most widely used in china as a mold form because it has a number of advantages:ease of installation,applicable to a wide range,low expense,high capacity and overall stiffness,etc.however,the safety of coupler-style steel tubular formwork supports is not given sufficient attention, and many collapse accidents occurred in the last ten years,caused serious threat to the safety of building production.a reason is that the comprehensive study and understanding of coupler-style steel tubular formwork supports system has still not be built.hence,the investigation on coupler-style steel tubular formwork supports has important theoretic and practice value. based on analyzing the composition of coupler-style steel tubular formwork supports and the reason of lots of collapse accidents,this thesis clearly discussed the dynamic mechanical behavior and the stable load of formwork supports in the case of considering the semi-rigid characteristics of coupler connections.the main findings are as follows: (1)the large general-purpose finite element analysis software was used to build the three-dimensional member finite element models in this research,the semi-rigid relationship of coupler node use the moment-rotation relation which was established from the preliminary study by discussion group. the numerical simulation characterized by material nonlinearity and geometrical nonlinearity and theoretical calculation is carried out,through comparative analysis,which are used to investigate the effect of erection of structures in different conditions,different periods in construction on the mechanical behavior of high formwork supports system.thus it obtained the quantitative model considering various factors on the dynamic characteristics of formwork supports. (2)pump pipe pulse power will cause the vibration and the instability of the formwork supports system.this research had done the mechanism analysis on pump pipe pulse power and presented a simplified design equation.and the fem analysis was used to analyze the dynamic response of formwork supports under the force of pump pipe pulse power. the formula and conclusions provide a reference for engineering practice. (3)collapse accidents of formwork supports often happened.another important reason is iii the insufficient load-carrying capacity of the support.this research had done a fem simulation through two aspects:structural factors of formwork supports and the different casting paths of concrete.and the way and the extent of the impact of various factors on the stability capacity of formwork supports was shown.on this basis,this research gives some useful suggestions about scaffold erection and the choice of casting paths of concrete. key words: coupler-style steel tubular formwork supports;semi-rigid connection;finite element method;dynamic characteristics;pump pipe pulse power;casting paths of concrete; stability capacity iv v 目录目录 第一章 绪论 1 1.1 引言.1 1.2 扣件式钢管模板支撑架倒塌事故分析.2 1.2.1 高支撑模板支架坍塌事故案例.2 1.2.2 模板支撑倒塌诱因分析.5 1.3 模板支撑架的架体构造特征.7 1.3.1 组成.7 1.3.2 低支撑架的构造要求.7 1.3.3 高支撑架的构造要求.8 1.4 扣件式钢管支撑架的国内外研究现状.9 1.4.1 模板支撑架作用荷载研究.9 1.4.2 模板支撑架的受力性能理论研究.9 1.5 本文拟研究的主要问题10 第二章 扣件式钢管模板支撑架动力性能的有限元分析 .13 2.1 扣件式钢管模板支撑架扣件半刚性节点模型 m- 曲线的确定.13 2.1.1 半刚性连接的概念13 2.1.2 半刚性连接的数学模型13 2.2 模板支架整体有限元模型的建立13 2.2.1 单元模型14 2.2.2 材料模型14 2.2.3 边界条件14 2.2.4 模板支架整体有限元模型的建立14 2.3 扣件式钢管模板支架体系动力特性的有限元仿真分析14 2.3.1 模态分析理论15 2.3.2 扣件式钢管模板支撑架动力特性分析16 第三章 扣件式钢管模板支架体系动力特性的简化模型计算 33 3.1 模板支架体系前三阶频率和相应振型的简化计算33 3.1.1 模板支架总体侧移刚度 ds 的确定.33 3.1.2 无阻尼的剪切自由振动37 3.1.3 模板支架的立体扭转刚度的计算40 3.1.4 无阻尼的扭转自由振动42 3.1.5 小结44 3.2 理论计算值与有限元计算值对比44 3.2.1 扣件节点转动刚度 k 值的确定44 3.2.2 理论计算频率值与有限元计算频率值对比分析45 vi 第四章 扣件式钢管高支撑模板支架动力反应研究 .53 4.1 混凝土泵管脉冲力的机理研究53 4.1.1 混凝土泵管脉冲力的影响因素53 4.1.2 混凝土泵管脉冲力的公式计算62 4.2 混凝土泵管脉冲力的确定65 4.2.1 常见混凝土泵参数及泵送系统特性总结65 4.2.2 混凝土泵参数选取及模板支架作业面内管路布置66 4.2.3 混凝土泵管脉冲力的确定66 4.3 模板支架系统阻尼的确定66 4.3.1 阻尼的分类及表达66 4.3.2 阻尼在有限元中的实现67 4.4 泵管脉冲力作用下高支架的动力反应有限元数值分析68 4.4.1 模态分析结果69 4.4.2 外荷载频率不变的情况下高支撑架模型的变形分析71 4.4.3 外荷载的频率变化对高支撑架的动力响应的影响分析77 第五章 扣件式钢管高支撑模板支架极限稳定承载力研究 .85 5.1 稳定性分析理论85 5.1.1 线性屈曲分析85 5.1.2 非线性屈曲分析85 5.2 模板支架极限稳定承载力研究86 5.2.1 模板支架侧向位移对极限稳定承载力的影响86 5.2.2 不同的混凝土浇注路径对极限稳定承载力的影响90 5.2.3 模板支架构造因素对极限稳定承载力的影响96 结论与展望.103 参考文献.105 攻读硕士研究生期间参与科研与获奖情况.109 致谢.111 长安大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 引言 目前，高层建筑在我国大城市中得到快速发展，在中、小城市中发展势头同样迅 速。随着高层建筑的发展，现浇钢筋混凝土结构国内工程的比重也日渐增长，从而推 动了建筑施工各个领域的发展，其中模板工程在近几年来更是发生了很大变化，对于 加快施工进度、保证施工质量和降低模板成本，均起到了一定的作用1。 模板工程是指新浇混凝土成型的模板以及支承模板的一整套构造体系即支撑体系 （支架）两大部分。其中，接触混凝土并控制预定尺寸、形状、位置的构造部分称为 模板，支持和固定模板的杆件、桁架、连接件、金属附件、工作便桥等构成支承体系， 对于滑动模板、自升模板则增设提升动力以及提升架、平台等2。 模板是混凝土结构工程施工的重要工具。随着我国高层建筑、大跨度建筑，多层 工业厂房及大型特种结构的发展，钢筋混凝土结构比重相当大，高层建筑的现浇混凝 土结构占 80以上，这些工程中，模板工程费用大约占结构工程费用的 2030； 用于支模、拆模耗去的劳动量约占全部劳动量的 14-12。从工期来看，模板工程施 工工期在混凝土结构工程总施工工期中占的比重同样很大，现浇钢筋混凝土框架结构 一般占 50-60；内浇外挂高层民用住宅一般占 25-30。所以，模板及其支撑系 统选择的好坏不仅直接影响工程成本，而且还严重影响工程的质量和施工的进度。因 此，它已经成为推动我国建筑技术进步的一个重要内容34。 对模板体系而言，在模板面板方面所关心的首要问题是强度、刚度、耐磨、耐水、 透水、吸水等性能，这在很大程度上取决于建材工业的发展5，而对于模板支撑体系， 则需要进行计算设计、构造加强、施工管理等工作以确保支架的安全施工和应用。 扣件式钢管模板支架以施工方便、通用性强、承载力高、整体刚度好等优点，已 成为当前我国应用最广泛的一种模板支架。随着城市功能的多向化发展以及国家基础 性设施的可持续发展，城市高架道路、高架桥梁及大跨结构愈来愈多，超高扣件式模 板支架越来越广泛应用于这些工程中，预计今后较长时间内仍将占主导地位。 然而，作为一种非常重要的临时工程设施，在过去很长的一段时间里，扣件式钢 管模板支架的安全性没有得到足够的重视，模板支架事故以占建筑事故 25%以上的高 发频率严重威胁着建筑工程的安全生产。因此，对扣件式钢管模板支架系统进行深入 第一章 绪论 2 认识和研究，找出其受力破坏机理以及倒塌原因，从而对当下在建工程模板支架系统 的搭设、构造布置等提出科学合理的设计、施工方案具有重要的理论意义和现实意义。 1.2 扣件式钢管模板支撑架倒塌事故分析 施工中的扣件式钢管支撑架，依其用途可大概分为两种：建筑物在施工中、末期 搭设在建筑物的外围，以方便进行外墙的模板搭设及装修等工作的“外脚手架” ；以及 在混凝土结构施工中用到的“模板支撑架” 。而在现浇混凝土结构施工，高大模板支架 也已经被广泛使用。所谓“高大模板支架” ，按建设部（2004）213 号文中规定：水平 混凝土构件支撑系统高度超过 8m，或跨度超过 18m，施工总荷载大于 10kn/，或集 中线荷载大于 15kn/m 的现浇混凝土工程承重支模架：钢结构、空间网架结构安装使用 的满堂承重架以及其他施工用承重架。这样的模板支撑系统，称之为高大模板工程。 为了满足建筑的多功能性和造型美观，各种超常规的混凝土结构建设日益增多。 所谓超常规混凝土结构，主要是指11： (1)重荷载大跨度大截面混凝土框架梁； (2)共享空间、多功能厅、超高门厅等顶部楼盖的双向或单向大跨度混凝土梁板； (3)混凝土转换层结构(转换大梁、转换厚扳、转换析架等)； (4)城市高架桥的混凝土墩台、箱梁； (5)跨越两楼或马路的廊道； (6)大悬挑大截面的混凝土梁板等。 近几年来，我国施工期工程事故居高不下，特别是钢管模板支架体系在混凝土浇 筑过程中发生倒塌的事故呈现明显的上升趋势。目前和今后一段时间内，扣件式钢管 模板支架仍将是建筑业混凝土结构施工的主流支架形式，而国内所发生的高大模板支 架工程施工安全事故也都出在这种模板支架上。 1.2.1 高支撑模板支架坍塌事故案例6 现将我国自 2000 年 10 月 25 日至 2007 年 9 月 6 日近 7 年期间高大模板支架持续 发生坍塌事故的案例，简介如下： 长安大学硕士学位论文 3 案例 1：2000 年 10 月 25 日，南京电视台演播中心施工过程中，因模板支撑系统 失稳，大演播厅舞台屋盖坍塌，（大演播厅总高 38m、面积 624m2），造成 6 人死亡， 11 人重伤，24 人轻伤。 案例 2：2002 年 7 月 25 日，某大学新校区歌剧院施工中，在浇筑屋面结构（净跨 18m，净高 21.8m）混凝土时，发生坍塌事故，24 人被压，造成 4 人死亡，20 人受伤。 案例 3：2003 年 2 月 18 日，浙江省杭州市 ut 斯达康杭州研发生产中心工程施工 中，在浇筑门厅（结构高度为 28.1m，净跨 24m）混凝土时，发生模板支架坍塌，造 成 13 人死亡，17 人受伤的重大伤亡事故。 案例 4：2003 年 3 月 12 日，在施工整染车间混凝土浇筑时，发生模板支架坍塌事 故，造成 2 人死亡，7 人受伤的重大安全事故。 案例 5：2004 年 1 月 15 日，南京赛虹桥立交桥，当施工人员在立交桥东延中华门 段高架桥浇注水泥桥面时，近百米的桥面突然发生支模架整体坍塌，造成正在施工的 数十名工人受伤。 案例 6：2004 年 2 月 26 日，河南省某工地在浇筑跨度 15m、宽 8m、高 15m 的办 公楼大门檐顶混凝土时，模板支架系统发生坍塌，造成 5 人死亡，9 人受伤。 案例 7：2004 年 4 月 10 日，常州市某印刷厂车间工程，施工人员在车间屋面天沟 施工中，天沟支撑失稳坍塌，造成 3 人死亡，7 人受伤。 案例 8：2004 年 6 月 14 日，沈阳市某工程，在电梯进顶部（距地面 100m）设备 间进行模板支护过程中，电梯进模板和操作平台整体坍塌，造成 3 人死亡。 案例 9：2004 年 6 月 28 日，广西马山县某厂房工程，在浇筑屋面混凝土过程中， 模板支撑系统坍塌，造成 3 人死亡，11 人受伤。 案例 10：2004 年 9 月 1 日，江苏商业管理干部学院南京江宁校区现代教育中心工 程，模板支撑整体坍塌，造成 5 人死亡，17 人受伤。 案例 11：2005 年元月 10 日，浙江嘉兴某购物广场工程发生一起支模架倒塌事故， 造成 1 人死亡，8 人受伤。 案例 12：2005 年 4 月 17 日，上海松江区某在建厂房的脚手架及房顶发生坍塌， 25 人被埋，当时有 11 人被救出，仍有 14 人被埋。 案例 13：2005 年 4 月，南京河西中央公园工程地下室施工发生大面积模板支架整 体坍塌，1 人死亡。 第一章 绪论 4 案例 14：2005 年 9 月 5 日，北京西西工程 4地铁项目总高为 21.8m 的高大厅堂 顶盖模板支架在浇筑混凝土接近完成时，发生整体垮塌，酿成 8 人死亡，21 人受伤的 特大伤亡事故。 案例 15：2006 年 5 月 19 日，位于金石滩的沈阳音乐学院大连校区的舞蹈楼工地， 将近 20m 高的楼顶整体塌陷，坍塌楼顶面积约 200m2，24 名民工被掩埋，造成 6 人死 亡，18 人受伤。 案例 16：2006 年 8 月 29 日，厦门同安湾大桥工程在浇筑箱梁体混凝土时，满堂 支架高 10.4m 发生局部失稳坍塌，导致正在浇筑的混凝土桥箱梁垮塌，造成 17 人受伤。 案例 17：2006 年 8 月 31 日，甘肃兰州市天星科技园会所工程，施工人员浇筑混 凝土时，该工程天井顶板模板支撑发生大面积坍塌，造成 3 人死亡。 案例 18：2006 年 9 月 1 日，广东省佛山寺南海区大沥镇中海地产金沙湾会所工程， 施工人员浇注混凝土时，因高支模失稳发生坍塌，造成 3 人死亡，3 人受伤。 案例 19：2006 年 9 月 30 日，山东淄博市高新区付山集团碳酸钙场生产厂房工程， 施工人员浇筑混凝土时，因模板支撑失稳发生坍塌，造成 3 人死亡，1 人受伤。 案例 20：2006 年 10 月 2 日，山东省聊城鲁西化工集团东阿化工工业基地厂房工 程，施工人员在浇筑混凝土时发生坍塌，造成 3 人死亡。 案例 21：2007 年 2 月 12 日，广西医科大学图书馆二期工程演讲厅舞台屋面混凝 土浇注时，屋面模板支撑体系突然坍塌，坍塌高度约 24m，坍塌面积约 450m2，14 名 工人从顶层坠下被埋，造成 7 人死亡，7 人受伤。 案例 22：2007 年 8 月 25 日，重庆大学城，一在建工地脚手架突然倒塌，5 名施 工工人从高空摔下，被埋在水泥浆和钢管中，1 人死亡，4 人受伤。 案例 23：2007 年 9 月 6 日，河南郑州市富田太阳城二期家居广场中心工程的采光 井施工过程中，模板支架突然垮塌，造成 7 人死亡，17 人受伤的重大伤亡事故。 又据报导：2006 年下半年到 2007 年年初，福建省连续发生 3 起高大模板扣件式 钢管支撑体系整体坍塌事故。 据不完全统计，近 7 年期间，我国高大模板支架发生坍塌事故 26 起，伤亡人数 389 人，死亡人数 108 年，受伤人数 281 人。 而就在今年一月期间，就又相继发生了 3 起高支撑模板支架倒塌事故，引起了民 众和相关部门的高度重视。 长安大学硕士学位论文 5 案例 24：2010 年 1 月 3 日下午 2 点 20 分左右，云南建工集团市政公司承建的昆 明新机场配套引桥工程，浇筑混凝土过程中突然发生支架垮塌事故。该事故发生于下 午班次交接后，新机场航站区 a3 标段东引桥工段施工人员陆续进入作业面开始混凝土 浇筑施工，4 对混凝土箱梁浇注临近结束时。桥面从右至左塌落，左端钢筋还连接在桥 柱上，支架全部压塌。垮塌长度约 38.5 米，宽为 13.2 米，碗扣式钢管支撑架高度约为 8 米。事发时，作业面下有 40 多人。截至 1 月 3 日 20 时 30 分该支架垮塌事故共造成 7 人死亡，26 人轻伤，8 人重伤。 案例 25：2010 年 1 月 12 日一日两起脚手架倒塌事故。安徽芜湖华强文化科技产 业园配送中心工地在混凝土浇筑过程中发生脚手架倒塌事故，施工面积 3600 平方米， 局部倒塌 600 平方米，10 多名工人被埋；贵州省黔南州福泉市十二日傍晚发生一起脚 手架倒塌事故，造成八人死亡，二人受伤。两起事故共造成十四人死亡。 1.2.2 模板支撑倒塌诱因分析 模板支架事故频频发生，一直是建筑施工安全的主要隐患。但是长期以来，人们 并没有把模板支架真正地当作结构来看。自我国从 20 世纪 60 年代引进扣件式钢管模 板支架以来，模板支架的计算方法就一直未能规范化，这种状况直至 2001 年国家发布 了建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范才得到初步解决。然而，在该规范中 模板支架的首例计算和搭设均借鉴于脚手架，但毕竟二者存在很大差异，使得借用使 问题更加严重。追其原因，主要是由于对模板支架受力性能认识不全面，而导致模板 支架的设计与搭设不够科学。模板支架采用扣件连接，而搭设方法又属于结构上的不 稳定体系，荷载传递复杂，浇注过程不确定，而对于大跨、高层建筑更是由于其梁高 板厚而使得在施工过程中模板支架所承受的恒活载以其引起的水平诱发荷载更为巨大， 而这些问题目前还尚未有合适的解决办法，这就造成结构设计方法和规范与实际施工 情况的较大出入，从而导致其设计与工况脱节、设计与施工脱节以及施工与管理脱节 等一系列问题。再加上施工管理和材料质量方面的因素，成为模板支架事故频繁发生 的主要原因7。 现就 2010 年 1 月发生的 3 起高支架倒塌具体原因进行初步分析如下： 1 倒塌现象 从案例 24 昆明新机场引桥支架倒塌和案例 25 安徽芜湖和贵州福泉两起脚手架倒 塌的相关报道图片中可看出倒塌现象主要包括以下三个典型特征： 第一章 绪论 6 （1）倒塌后的支架钢管全部倒在引桥一边，如图 1.1 所示； （2）倒塌后的钢管严重屈曲，屈曲高度基本在一道垂直剪刀撑范围内（整个支架 高度只设置一道垂直剪刀撑） ，如图 1.2 所示。 （3）支架倒塌属于整体屈曲，倒塌支架边缘立杆呈现半波屈曲形态。如图 1.2 所 示。 （4）这 3 起支架倒塌事故都是在浇注过程中倒塌的。 图图 1.1.1 昆明新机场引桥支架倒塌昆明新机场引桥支架倒塌 图图 1.1.2 安徽芜湖工地脚手架倒塌安徽芜湖工地脚手架倒塌 图图 1.1 倒塌后钢管全部倒向一边（图片来源于新浪新闻中心）倒塌后钢管全部倒向一边（图片来源于新浪新闻中心） 图图 1.2.1 昆明新机场引桥支架倒塌昆明新机场引桥支架倒塌 图图 1.2.2 安徽芜湖工地脚手架倒塌安徽芜湖工地脚手架倒塌 图图 1.2 倒塌支架边缘杆件呈现半波屈曲形态（图片来源于新浪新闻中心）倒塌支架边缘杆件呈现半波屈曲形态（图片来源于新浪新闻中心） 2 倒塌原因初探 从以上 3 起支架事故中可看出倒塌现象具有明显的失稳特征。对于案例 24 昆明新 机场引桥支架倒塌，专家已作出技术分析。分析认为，二次浇筑改为一次浇筑，不符 合有关施工规范，施工中混凝土浇筑深度过大，支撑架承重过大；箱梁支撑体系搭建 不规范，模板支撑不够，支撑架中剪刀撑欠缺、碗扣松动，甚至有的没有碗扣；支撑 长安大学硕士学位论文 7 架钢管质量不合格、不符合安全技术标准，比规定的钢管厚度薄。对于案例 25 事故原 因仍在进一步调查当中。 不过，从总体上看，支架的倒塌只要是支架的稳定承载力不足引起的。而造成支 架稳定承载力不足的原因则是多方面的，其主要原因是： （1）荷载原因。在混凝土的不同浇注工艺下，浇注过程中混凝土的重量、材料及 施工器具的局部堆积、施工器具的振动影响都会使支架的载荷分布很不均匀；同时由 于梁较板浇注的混凝土量大且位置集中，这会使梁下支架比板下支架承受荷载大许多， 这些原因就会使倒塌可能发生在浇注过程中，也可能发生局部倒塌。 （2）构造原因。支架的稳定承载力与其构造有极大的关系，尤其是扫地杆和剪刀 撑，而在现场施工中，这些因素往往不受重视导致不设或少设。 （3）材料原因。钢管经往复使用后已造成初始缺陷严重，如钢管弯曲、管壁变薄 等，同时碗扣的松动或扣件扭距的不足，这些都会使搭设的脚手架承载力严重下降。 1.3 模板支撑架的架体构造特征8 目前国内一些省市已相继出台了地方规范。上海市在 2004 年出台了规范 dg/tj08 -016-2004钢管扣件水平模板的支撑系统安全技术规程 ，浙江省 2006 年出台了 db3 3/1035-2006建筑施工扣件式钢管模板支架技术规程 ，规程中都规定了一些支撑架在 构造和施工中的注意要点。 1.3.1 组成 扣件钢管支撑系统一般由立杆、水平杆、水平剪刀撑、垂直剪刀撑、水平加强层、 扣件、底支座等部件构成。水平杆应形成纵横向并和立杆采用扣件连接，扣件一般采 用直角扣件。水平剪刀撑应在水平面上和水平杆形成夹角 45至 60夹角的交叉斜杆 并与立杆用转角扣件相连接。垂直剪刀撑应在垂直面上和立杆形成夹角 45至 60的 交叉斜杆，并与立杆用转角扣件相连接。底支座一般为用于立杆底面和支撑基础之上 的连接件。其作用在于能和立杆共同承力并适当增大承力面积及便于调节支撑高度。 1.3.2低支撑架的构造要求 低支撑架的构造要求依据规程 dg/tj08-016-2004 列于表 1.1。 表表 1.1 低支撑架构造表低支撑架构造表 第一章 绪论 8 定义支撑高度4m 及最大竖向荷载标准值10kn/时，一般看作是低支撑架。 水平杆在一个支撑高度之间至少应加设一道纵、横向水平杆。 扫地杆支撑下端应设纵横向扫地杆，扫地杆应紧靠底支座并200mm 的位置。 水平剪刀撑 支撑上端应加设纵横向水平支撑，位置应紧靠上部并200mm 的支承连接处。 梁下部支撑必须按荷载计算来采取支撑间距加密措施。 1.3.3高支撑架的构造要求 高支撑架的构造要求依据规程 dg/tj08-016-2004 和 db33/1035-2006 总结而得。 列于表 1.2。 表表 1.2 高支撑架构造表高支撑架构造表 定义 支撑系统用于规模大的模板工程支承，且支撑高度大于 4m，及最大垂直荷载（含永久 荷载、可变荷载）10kn/时，一般称之为模板高支撑架。 纵距横 距步距 按现浇平面构件和模板工程支撑系统全部的永久荷载、可变荷载大小确定支撑系统各层 纵横向水平杆之间的高度并通过计算来决定立杆的纵横向间距。立杆的纵横距离不应 1200mm；对高度超过 8m，或跨度超过 18m，或施工总荷载10kn/m2，或集中线荷 载15kn/m 的模板支架，立杆的纵横距离除满足设计要求外，不应900mm。 模板支 架底层步距，除满足设计要求外，不应2m，其余步距不应1.8m。 最大支 撑高度 被支撑地面与浇筑平面构件之间的最大支撑高度(或两平面构件之间的最大支撑高度)不 应大于 30m。 水平剪 刀撑 当支撑高度20m，且上部的所有竖向荷载或标准值在 10kn/至 15kn/时，应于每三 层纵横向水平杆的平面位置设一水平加强层（具有水平剪刀支撑的层面） ；当支撑高度 20m，且上部的所有竖向荷载或标准值15kn/时，应于每二层纵横向水平杆的平面 位置设一水平加强层(具有水平剪刀支撑的层面)；当支撑高度20m 且30m，及最大 垂直荷载（含永久荷载、可变荷载10kn/时，应于每二层双向水平支撑的平面位置 设一水平加强层（具有水平剪刀支撑的层面） 。剪刀撑的构造应符合下列规定：每道剪 刀撑宽度不应4 跨，且不应6m，剪刀撑斜杆与地面倾角宜在 4560之间，倾角为 45时，剪刀撑跨越立杆的根数不应超过 7 根，倾角为 60时，则不应超过 5 根，设置水 平剪刀撑时，有剪刀撑斜杆的框格数量应大于框格总数的 1/3。 长安大学硕士学位论文 9 竖直剪 刀撑 模板支架四边满布竖向剪刀撑，中间每隔四排立杆设置一道纵、横向竖向剪刀撑，由底 至顶连续设置； 梁下部 支撑 处于建筑平面结构中具有梁的下部支撑，必须按荷载计算来采取支撑间距加密措施。 （如遇支撑间距过密而不便施工操作时，也可采取双立杆支撑。双立杆的构造要求有： 1、每层高度内相邻立杆的接头应错开设置；2、立杆的接头位置应避开中间 1/3 高度； 3、立杆接头应采用对接扣件，且上、下各加一个旋转扣件。 ） 扫地杆支撑下端应设纵横向扫地杆，扫地杆应紧靠底支座并200mm 的位置。 1.4 扣件式钢管支撑架的国内外研究现状5 模板支撑架是由立杆、纵向水平杆、横向水平杆组成的多层多跨“框架结构” 。而 模板支撑体系是指包括模板支撑架、模板以及放置于模板上的所有物件和固定于模板 支撑架上的所有物件所组成的集合。放置于模板上的所有物件主要包括钢筋、浇筑的 混凝土、施工人员及施工器具、浇筑混凝土时铺设在模板上的水平输送泵管等，而固 定于模板支撑架上的所有物件主要包括安全防护网、浇筑混凝土时固定于支架上的垂 直输送泵管、上料平台等。 1.4.1 模板支撑架作用荷载研究 混凝土结构工程施工及验收规范（gb50204-92）9规定了模板支架设计时应考虑 的荷载类型、荷载分项系数、大小以及荷载组合原则。模板支撑体系所承受的荷载分 为永久荷载和可变荷载，包括：模板及其支架自重；新浇混凝土自重；钢筋自 重；施工人员及设备自重；振捣混凝土时产生的荷载；新浇混凝土对模板侧面 产生的压力；倾倒混凝土时产生的荷载。关于荷载的组合，规定：考虑平板和薄壳 的模板及支架时应为：+；考虑梁和拱模板的底板和支架时应为： +。 近年来，人们对模板荷载计算展开了一定的研究，其主要内容是引进了英国规范 10中偏心诱发荷载的概念，建议在进行支架设计时考虑此荷载。其概念是：支撑体系 在风荷载、输送混土泵管的水平力、混凝土振捣器的震动力、倾倒混凝土的作用力等 作用下，会受到水平向的作用力，该作用力对模板支架的稳定性有不利影响，应该将 这些作力作为一种作用于模板支架顶部的水平荷载考虑1112。文献1112还讨论了种 诱发荷载的计算方法问题。在文献12中，更明确指出：支撑安装偏差的荷标准值可取 第一章 绪论 10 l%的垂直永久荷载标准值；考虑施工中的震动和冲击、不均匀荷等作用产生的水平荷 载，可取 2.5%的垂直永久荷载标准值作为水平荷载标准，作用在模板支架的上端水平 方向。荷载所产生的水平力应在设计中考虑，但模板工程设计所必需的荷载计算规定 在目前的规范中尚处于真空状态。 1.4.2 模板支撑架的受力性能理论研究 目前针对模板支撑架的计算理论还很不完善，研究工作也很少，主要集中在模板 支架计算模型的讨论上面。目前的计算模型主要有三种：规范规定的计算模型13、有 侧移刚架计算模型14、升板结构计算模型15。扣件架规范13给出的计算模型的实质是： 模板支架在临界荷载作用下发生局部失稳，立杆的计算长度等于立杆步距；当立杆端 部有外伸高度时，规定外伸部分按 2 倍长度计算并加到顶部步距上。对这种规定，规 范编制说明中的解释是参考了英国标准10的规定。到目前为止，尚未看到这方面的试 验研究，也未看到相关的数值分析结论。但对此规定己有很多学者提出质疑，杜荣军 17指出：英国标准与我国标准的建立基础不同，构造要求相差也较大，这样的搬用是 不安全的，施炳华及其他一些学者18也持同样的看法。由于设计计算模型直接关系到 模板支架的安全，进一步探讨这个问题是很有必要的。 有侧移刚架计算模型14实质上是从扣件式钢管脚手架的有侧移刚架模型推广而来 的，基本上没有变化。该模型在应用上的困难在于无任何相关的试验结果支持。 升板结构计算模型15是从升板结构的设计计算方法发展而来的，将升板结构的各 层楼板比拟成模板支架的水平杆件，在这种假设下，模板支架变成两端铰接的多层排 架，它的稳定性可以简化为一根两端铰接的等代柱的稳定性，等代柱的刚度等于该多 层排架的单柱刚度之和。对于高支撑模板支架，较之于规范规定的模型，很明显，该 模型在立杆计算长度的规定上偏于保守。 建筑施工扣件式钢管模板支架技术规程的概率极限状态设计法只能通过对单 根杆的稳定计算来评估支撑架的整体情况，在一些荷载和形式都比较复杂的支撑架的 设计中很难把握设计中的重点。而在整体建模计算时，一方面节点全按“铰接”的假 设使得支撑架结构变为几何可变的杆系结构，无法进行计算；另一方面，如果把支撑 架完全刚性化，则计算时必然忽略了斜撑的存在，和实际情况不相符合，而且计算结 果偏于不安全。 1.5 本文拟研究的主要问题 长安大学硕士学位论文 11 鉴于本领域目前的现状，本文的主要研究内容如下： （1）在同门师姐郭向丽硕士学位论文研究基础上，引用其模板支架扣件节点的半 刚性弯矩转角关系曲线，对模板支架及其模板支架体系的动力特性进行有限元数值 模拟计算与分析。 （2）考虑扣件节点的半刚性，从理论上建立模板支架的动力计算简化模型剪 切杆模型，对模板支架及其模板支架体系的动力特性进行理论计算与分析。 （3）将有限元数值模拟结果与理论简化计算结果进行对比，从而对理论结果作出 修正。 （4）混凝土浇筑时泵管脉冲力的理论推导。 （5）对模板支架在其顶端泵管脉冲力作用下进行动力分析，以期了解支架的动力 响应规律。 （6）扣件式钢管高支撑模板支架极限稳定承载力研究。 长安大学硕士学位论文 13 第二章 扣件式钢管模板支撑架动力性能的有限元分析 目前，在脚手架的计算研究方面，研究者提出了多种计算模型，对于扣件式钢管 脚手架节点模型分别提出了铰接、刚接和半刚性。从大量文献中普遍得出：半刚性节 点模型能很好地模拟直角扣件对立杆和横、纵杆的约束行为。本文同样采用半刚性节 点模型对扣件式钢管模板支撑架进行模拟计算。 2.1 扣件式钢管模板支撑架扣件半刚性节点模型 m- 曲线的确定 2.1.1 半刚性连接的概念16 欧洲规范 eurocode3(1992)2规定节点有三种类型：（1）刚性(rigid)；（2） 半刚性（semi-rigid） ；（3）铰接（pinned） 。美国 aisc-lrfd（1999）3将连接分为两 类：完全约束 fr（fullyrestrained）和部分约束 pr（partiallyrestrained） 。欧洲规范的节 点分类是根据节点弯矩转角特性曲线进行分类的。节点转角的定义是节点连接梁柱 轴线夹角在某荷载下相对于无荷载时的改变值。节点的初始刚度 sj,ini 是这种分类的主 要标准，当节点的初始弹性刚度 sj,ini 不小于某一规定值时，节点为刚性节点；当节点 初始刚度 sj,ini 小于某一规定时，节点为铰接；处于两者之间的为半刚性。 对半刚性连接的研究主要集中在两个方面：一是半刚性连接计算方法的讨论，探 讨一种既简单又准确的表达形式来反映这种连接节点的弯矩 m 和相对转角 之间的关 系；二是以大量的实验为依据来验证半刚性连接节点的静、动力性能。 2.1.2 半刚性连接的数学模型19 本文采用同门师姐郭向丽 2009 年长安大学硕士毕业论文中理论研究所得模型16。 当模架构配件为新材料时，其分析模型为： (2.5) 1.7816 exp1.7529 (0.02570.112 ) m t 为了安全，对旧构件的模架节点半刚性连接的弯矩转角曲线模型取为： (2.6) 0.85 ( 1.7816 exp1.7529) (0.02570.112 ) m t 其中，t 为直角扣件扭紧力矩。 2.2 模板支架整体有限元模型的建立20212223 对模板支架节点研究的基础上，对模板支架整体建立有限元模型，其间考虑了直 第二章 扣件式钢管模板支撑架动力性能的有限元分析 14 角扣件节点的半刚性连接特点及旋转扣件节点的铰接性能。 2.2.1 单元模型 根据模板支架各种杆件的受力情况，选用 beam188 单元模拟立杆和水平杆，选用 combin39 单元模拟扣件连接，选用 beam44 单元模拟竖向和水平剪刀撑，选用 mass21 单元模拟扣件质量，选用 surf154 单元模拟模板支架所承受的恒荷载，其中包括模板自 重、钢筋自重、浇注混凝土自重。其中，combin39 是单元具有非线性功能的单向单元， 可对此单元输入广义的力变形曲线，beam44 可释放单元端部转动约束以实现铰接。 2.2.2 材料模型 对于各种立杆、水平杆和剪刀撑均采用：q235 结构钢，其应力应变关系为理想 弹塑性模型，各向同性，屈服前弹性模量为 2.06105n/mm2，泊松比为 0.3，屈服强度 为 235n/mm2，屈服后弹性模量为 0。 扣件连接：采用非线性单元 combin39 来模拟弯矩转角关系，其 f-u 数值由 2.1.2-6 节给出公式(2.5)计算确定。 2.2.3 边界条件 模板支架整体模型的建立情况及技术特征如下： （1）模板支架的纵横向水平杆与立杆之间的连接为刚性或半刚性连接，剪刀撑与 立杆之间的连接均为铰接； （2）模板支架的竖直剪刀撑和水平剪刀撑都是按照模板高支撑架的构造要求加设； （3）模板支架与地面为铰接； （4）模板支架四周无约束。 2.2.4 模板支架整体有限元模型的建立 ansys 提供 gui 视图界面和 apdl 命令流两种方式创建有限元模型，本文基于 所建模型庞大、节点众多，而且数量较多，但其构件具有规律性分布的特点而采用命 令流的方式进行建模，实现了不同搭设构造（横距、纵距、步距、立杆伸出支架顶部 距离）和不同划分单元长度要求下的统一建模。 2.3 扣件式钢管模板支架体系动力特性的有限元仿真分析 长安大学硕士学位论文 15 结构动力分析与静力分析的特点不同，结构动力响应不仅与外荷载相关而且与结 构本身的动力特性有关，结构在动力荷载作用下将产生与结构本身质量有关的惯性力 以及与结构中质点运动有关的阻尼力。结构动力响应是由外荷载动力特性和结构自身 动力特性两方面决定的。外荷载动力性质包括荷载频率、振动幅值、持读时间等，不 同动力荷载特性各异，进行动力分析时，可根据分析目的选用不动性质的动力荷载。 结构体系动力特性主要包括结构自由振动的周期、频率和相应一振型等，它在结构建 造完成后就己确定，一般情况很难改变。结构自振动力特性的研究在结构动力分析中 占有很重要的地位，是进行结构动力响应分析的基础。动力荷载作用下，当结构自振 周期与外界干扰载荷周期接近或相等时，结构会产生共振，结构动力响应突然增大， 造成严重破坏。如何