硕士学位论文-时代广场高大模板支撑体系的施工研究

分类号： 密 级： 公开 UDC： 学校代码： 10127 硕士学位论文论文题目： 时代广场高大模板支撑体系的施工研究英文题目：The construction of the times square of high formwork support system学位类别： 工程硕士研究生姓名： 单龙 学号：201102422学科(领域)名称：施工管理指导教师： 金国辉 职称：教授 协助指导教师： 职称：2012年6月20日62内蒙古科技大学硕士学位论文摘 要扣件式钢管模板支撑体系作为我国当今使用最多的高大模板支撑体系之一，具有搬运方便、转载灵活、价格便宜、通用性强等特点。但是由于近年来，扣件式钢管模板支撑体系常常发生支撑体系坍塌事故，造成群死群伤，严重影响了施工安全和建筑物的使用性能。因此，如何提高扣件式钢管模板支撑的安全可靠，是我们迫切需要解决的新课题。本文以前人对扣件式钢管模板支撑体系的研究背景为基础，利用ANSYS有限元软件对扣件节点进行模拟，并在模拟的基础上对模板支撑体系的承载能力进行了系统的分析,梳理和总结有效提高架体承载能力的各项构造措施的具体要求和实施细节，在时代广场高大模板支撑体系施工中加以运用。具体工作如下：1，分析了典型脚手架及模板支撑体系倒塌事故,总结出引起脚手架及模板支撑体系结构失效的主要原因以及现存的主要问题。2，通过使用有限元分析软件ANSYS建立支模架的三维有限元计算模型，模拟支架的受力情况，分析了扫地杆、水平杆步距、立杆间距、剪刀撑、立杆伸出顶层水平杆长度等各类构造和材料初始缺陷、水平荷载等非构造因素对支架稳定承载力的影响。3，论文进行了时代广场高大模板支撑体系工程实例的设计分析，说明了高大模板支撑体系专项施工方案编制要求。4、针对当今模板工程管理现状，从安全管理和模板工程施工程序方面，论述了模板工程安全管理的重要意义，并提出相对应的安全管理措施。关键词：高大模板；支撑系统；有限元分析；事故分析关键词是为了文献标引工作从论文中选取出来用以表示全文主题内容信息款目的单词或术语。如有可能，应尽量用汉语主题词表等词表提供的规范词。不用此信息时，删除此框。AbstractSteel tube template support systems with fastener, as one of the most useful tall , has such characters as convenient moving, flexible transporting, low price, versatile and so on. But in recent years , steel tube template support system with fastener often collapse , causing group of death, which seriously affect the construction safety and buildings using performance . Therefore , how to improve the safety and reliability of the tube template support system is a new topic that need to solve urgently . In this article ,based on early research in steel tube template support systems with fastener, the software of ANSYS finite element was used to simulate fastener nodes ,and systemic analysis is carried out about the carrying capacity of the template support system. in the end,this essay summarizes the specific requirements and implementation details about how to effectively improve the carrying capacity of the frame body, such support system was used in the construction of the Times Square . Specific steps is present as follows : (1) The typical scaffold and template support system collapsing event is analyzed , summarize the main cause leading to structural failure and the main existing problems . (2) By using ANSYS , three dimensional finite element model is build to simulate the forces state ,and the effect on the stability of support frame caused by sweeping bar , step of horizontal bar, pole spacing, scissors , the length of the pole extending out of the top horizontal bar, other types of construction and material imperfection and non-structural factors about horizontal load.(3) In this article, the project example-template high template support system in Times Square-is designed and analyzed , indicating the programming requirements of high template support system in special construction.(4) According to recent template project management status , from construction safety management procedures and the construction process of template building ,the importance of safety management is discussed , and the corresponding safety measures is proposed .Key Words：Tall template; Support system; Finite element analysis; Accident analysis目录摘 要IAbstractII1绪论11.1研究背景11.1.1扣件式高大模板支撑体系的出现11.1.2 高支模坍塌事故原因分析31.2扣件式模板支架的组成41.3目前高支模的应用现状51.4本课题研究的重要性71.5本文的研究重点和主要工作82 模板支架的计算理论92.1 脚手架和模板支架计算概述92.1.1.基本设计规定92.1.2荷载传递路线92.2 脚手架和模板支架计算理论92.2.1 荷载计算92.2.2 纵向水平杆、横向水平杆计算102.2.3 立杆基础承载力计算122.2.4 模板支架立杆稳定性计算122.3 梁板结构在高支模架中的构造和施工要求143 高支模承载能力的有限元分析与对策措施163.1 用ANSYS软件进行高支模的稳定性分析163.2构造因素对稳定承载力的影响173.2.1构造措施的必要性和重要性193.2.2扫地杆对高支模稳定承载力的影响213.2.3立杆间距和水平杆步距对高支模稳定承载力的影响233.2.4水平剪刀撑对高支模稳定承载力的影响243.2.5竖向剪刀撑对高支模稳定承载力的影响253.26 立杆伸出顶层水平杆长度对高支模稳定承载力的影响263.3 材料初始缺陷对稳定承载力的影响273.3.1钢管壁厚的影响273.3.2 钢管直径的影响283.3.3 初挠度和偏心荷载的影响303.4 水平荷载对稳定承载力的影响303.4.1 顶层x轴方向水平荷载对承载能力的影响情况315.4.2 顶层y轴方向水平荷载对承载能力的影响情况323.5 对策措施343.6 本章小结344 高大模板支架设计应用354.1 工程概况354.2 高支模设计354.2.1 基本参数354.2.2 计算书364.3 安全管理454.3.1 模板工程的安全管理454.3.2 安全管理存在的问题484.3.3 高支模工程的安全施工管理措施494.4本章小结535、结论与展望545.1 本文结论545.2 展望55参 考 文 献57致谢621绪论1.1研究背景1.1.1扣件式高大模板支撑体系的出现随着我国经济建设的迅速发展，高层建筑在各大城市得到快速发展，大跨度的现浇混凝土结构在国内工程的比重日益增大，从而使建筑施工所有的领域都得到快速的发展，高大模板支撑体系（以下简称高支模）也随之得到广泛的应用。建设部于04年在编制危险性较大工程安全专项施工方案编制与专家论证审查方法，对高支模进行了定义：“水平混凝土构件支撑系统高度超过8米，或跨度超过18米，施工总荷载大于10KN/m2，或集中荷载大于15kN/m的模板支撑系统。”但近些年来，我国施工期工程事故频率居高不下，特别是扣件式钢管脚手架倒塌事故和扣件式钢管高支模在混凝土浇筑过程中的坍塌、偏移、倾倒事故呈现明显上升趋势，这些事故的发生给国家带来重大的人员伤亡和经济损失。通过查阅相关资料6-11，从2000年以来，几乎每年都有几个高支模坍塌在中国建设部备案的重大事故，以下是一些典型的高支模坍塌事故：表1.1 2000年以来发生的典型高支模坍塌事故1.1.2 高支模坍塌事故原因分析引起高支模坍塌失效的原因有很多，有设计方面的原因，也有计算理论及设计原因方面相关的问题，还有材料质量和施工管理等因素的影响，都会是高支模坍塌的诱发因素。常见的事故原因见表1.2表1.2 常见的高支模坍塌失效的原因表失效原因主要表现材料原因钢管壁厚、直径小于规范值扣件存在滑丝或变形扣件质量小于规范值计算理论及设计原因计算理论不完善荷载取值错误设计方案不当计算方法或模型错误依靠经验布置，缺乏计算施工原因搭设或拆除不符合技术规程要求施工管理部到位乱堆杂物，严重超载搭设高度超过规定缺少防护设施或防护设施不符合要求地基出现不均匀沉降，造成支撑架倾斜扣件紧固不牢局部钢管松动安全技术不过关监督管理政府及相关部门的监督管理不严监理单位的监理力度不够安全技术交底仅流于形式，实际的指导作用有限现场管理混乱施工队伍管理不严安全专项施工方案没有按规定组织专家进行论证审查根据对表1.1发生的多起高支模事故进行统计分析，发现施工过程是事故最容易发生的阶段。在这个阶段，高支模作为操作工人施工的暂时性设施，它的安全问题对于整个工程的顺利完成起到了至关重要的作用。可是，在种种制度不健全和人为因素非常复杂的情况下，高支模的安全性没有得到相关的关注，在所发生的建筑事故中，高支模事故竟然能达到25%以上，已经严重影响到建筑工程的安全运行，对工人的人生安全有极大的隐患6。因此，对高支模的设计和施工进行全面研究，具有非常重要的现实意义。因此，本文以中冶时代广场高大模板支架作为研究对象，对其进行施工指导并提供足够安全的设计指导书，以期对高支模施工提供有益的参考。1.2扣件式模板支架的组成扣件式钢管脚手架和高支模是采用相同构配件搭设的两种使用目的不同的临时性钢结构支撑体系，其架体的构件组成完全相同，在构造要求和力学性能等方面也有许多相似之处。1钢管12钢管采用3号普通钢管，尺寸建议使用483.5mm，质量检测需要符合相关规范中对Q235-A的相关规定进行。钢管截面尺寸见表1.3。钢管规格（mm）截面积(mm2)惯性矩(mm4)回转半径(mm)每米长重量（kg/m）483.548912190015.783.84513.552214810016.804.10513.045213100017.003.552、扣件目前我国使用的扣件形式有三种，分别是：回转扣件；直角扣件；对接扣件。 (a)直角扣件 （b）旋转扣件 （c）对接扣件图1. 1 扣件的三种形式3、底座底座一般采用厚8mm、边长mm的钢板作为底板，上焊高150mm的钢管。底座形式有内插式和外套式两种，内插式的外径D1，比立杆内径小2mm，外套式的内径D2:比立杆外径大2mm(图l-2)。 a：内插式底座 b：外套式底座 1-承插钢管 2-钢板底座图1. 2 扣件式钢管脚手架底座1.3目前高支模的应用现状20世纪60年代初，我国开始使用扣件式钢管脚手架。扣件式钢管脚手架具有搬运方便、转载灵活、价格便宜、通用性强等优点，在我国运用广泛，使用量占到了60%以上，是目前我国使用量最多的一种脚手架1。但是其存在安全性较低，施工工效低、材料消耗量大等缺点。再加上扣件式钢管脚手架产品质量低，不合格的钢管（数据表明1。不合格的钢管和扣件分别占到使用量的80%和90%左右）给建筑施工带来了严重的安全隐患。发达国家已规定不能使用扣件式钢管脚手架作为模板支架和大型脚手架搭建系统。图1. 3 扣件式钢管脚手架 我国在20世纪80年代初，先后从国外引进门式脚手架、碗扣式脚手架等多种形式的脚手架。门式脚手架曾在国内许多工程中大量应用，取得较好的效果，但是由于门式脚手架的质量问题所以未能得以重用。现在国内又新建了一批门式脚手架生产厂，因其结构合理、技术先进、安全可靠、节省材料，在装修工程中得到大量使用1。图1. 4 碗扣式脚手架碗扣式脚手架是我国多年推广的新型脚手架，在许多桥梁和建筑中经常使用。由于碗扣式脚手架在生产、施工等环节缺乏严格的质量监督管理，大部分厂家生产设备简陋，生产工艺落后，生产质量越来越差。今年来，这种脚手架坍塌事故也不断发生，存在很大的安全隐患1。图1. 5 门式钢管脚手架20 世纪90 年代以来，国内一些企业引进国外先进技术，开发了多种新型脚手架，如插接式脚手架、CRAB 模块脚手架、盘销式脚手架、卡板式脚手架、轮扣式脚手架、方塔式脚手架以及各类爬架。由于这些新型脚手架是国际主流脚手架，结构合理、技术先进、安全可靠、节省材料，在国内许多重大工程中得到大量应用，受到施工企业的普遍欢迎1。国外的脚手架和模板支架品种规格较多，其中钢支柱在国外楼板和梁施工中应用相当普遍，钢支柱大部分为螺纹封闭式，并且在钢支柱的转盘和顶部附件上作了很多改进，使钢支柱的使用功能大大增加。并在施工工程中广泛运用。另外，门式脚手架在欧洲应用也较多，但在结构上已作了改进，门框改为封闭框，提高了门框的刚度。1.4本课题研究的重要性现阶段研究扣件式钢管高支模仍具有重要的理论和现实意义，这是因为:l)模板工程是建筑施工中最主要的必备工序，而高支模是其最重要的组成部分。扣件式钢管由于具有加工简便、搬运方便、拆卸简单、通用性强等特点，是现阶段我国建筑施工中使用最普遍的模架形式，而且在今后很长一段时间内仍将占据主导地位；2) 扣件式钢管高支模安全事故频发的现实，使其己成为建筑施工现场的重要危险源，因此很有必要系统地分析和总结事故的原因和经验教训，针对性地展开系统的理论研究并用于指导工程实践；3)长期以来，业界一直未把高支模当作真正的结构来看待，而是当作临时设施来对待，导致其设计与实际工况相脱节、设计与实际材料性能相脱节、设计与实际计算模型相脱节、实际计算模型与构造措施相脱节、设计与施工及施工与管理相脱节等不正常的情况发生。4)由于以前模板支架的高度较小，加之结构形式简单，荷载也不大，因此一般依靠经验即可保证安全；近年来，随着我国建筑行业的快速发展，高支撑、大跨度、重荷载的混凝上结构施工经常出现，原有的施工经验已很难保证施工质量和安全。5)长期以来，国内扣件式钢管支模架的施工习惯和构造措施与国外差异较大，因此国外的成功经验很难直接为我国所直接吸收应用。因此，开展这方面的研究，不仅有重要的理论意义，而且对推动我国建筑业的安全文明施工和降低工程成本也有重要的工程现实意义。1.5本文的研究重点和主要工作本论文的主要工作内容为:1、分析典型脚手架及模板支撑体系倒塌事故,总结引起脚手架及模板支撑体系结构失效的主要原因以及现存的主要问题。2、总结高支模的相关计算理论。3、通过使用有限元分析软件ANSYS建立支模架的三维有限元计算模型，模拟支架的受力情况，分析扫地杆、水平杆步距、立杆间距、剪刀撑、立杆伸出顶层水平杆长度等各类构造因素和材料初始缺陷、水平荷载非构造因素对支架稳定承载力的影响 。4、对时代广场高大模板支撑体系工程实例的设计分析，提出高大模板支撑体系专项施工方案编制要求。5、针对当今模板工程管理现状，从安全管理和模板工程施工程序方面，论述模板工程安全管理的重要意义，并提出相对应的安全管理措施。2 模板支架的计算理论2.1 脚手架和模板支架计算概述2.1.1.基本设计规定高支模的承载能力应按概率极限状态设计法的要求，采用分项系数设计表达式进行设计，计算构件的强度稳定性与连接强度时应采用荷载效应基本组合的设计值。永久荷载分项系数应取1.2，可变荷载分项系数应取1.47。 根据其荷载、杆件分布和搭设情况，需进行以下验算：1） 纵向横向水平扦等受弯构件的强度和连接扣件的抗滑承载力计算；2） 立杆的稳定性计算；3） 连墙件的强度稳定性和连接强度的计算；4） 立杆地基承载力计算；2.1.2荷载传递路线1.竖向荷载.：2.水平荷载：2.2 脚手架和模板支架计算理论高支模在现行扣件式规范和施工手册中所提出的计算分析方法与扣件式钢管脚手架的计算方法基本相同，该规范对模板支架计算方法和构造要求有专门的叙述。一方面由于都是采用扣件式钢管支架结构，在计算与构造上有基本相似的方面，但另一方面在荷载取值、计算分析、构造措施上也有区别。2.2.1 荷载计算作用于模板支架的荷载可分为永久荷载（恒载）和可变荷载（施工活载）：（1）永久荷载（恒载）a) 模板及支架自重标准值应按表2.1采用。表2. 1模板及支架自重标准值类别标准值KN/m2组合木模0.35组合钢模0.75组合钢模及支架1.1b) 钢筋自重：用钢量大的按工程图实计，板可按每立方米钢筋重，梁每立方米钢筋重计。c) 钢筋混凝土重量取。（2）可变荷载（施工活载）d) 施工荷载：模板及其下楞木取，再以集中荷载计，二者比较取大值。计算楞木下直接支承构件取，支架立杆及其它构件取。e) 振捣荷载：水平面模板取；垂直面模板；设计支模架的承重构件时，应按照使用过程中可能出现的荷载取其最不利组合进行计算，荷载效应应组合宜按表2.2采用。表2. 2荷载效应组合计算项目荷载效应组合纵向、横向水平杆强度与变形永久荷载+施工均布活荷载支模架立杆稳定永久荷载+施工均布活荷载永久荷载+0.85（施工均布活荷载+风荷载）2.2.2 纵向水平杆、横向水平杆计算扣件式钢管模板支架在现行扣件式规范和施工手册中所提出的纵、横向水平杆的计算分析方法与扣件式钢管脚手架的计算基本相同。（1）受弯强度的计算 （式2.2） 式中：作用于受弯杆件上的正应力；M竖向荷载产生的弯矩；W截面模量；f钢材抗压强度设计值；表2. 3钢材强度设计值与弹性模量（N/mm）Q235钢抗拉、抗压和抗弯强度设计值205弹性模量E2.0610（2）挠度计算 （式2.3）式中：竖向荷载作用产生的挠度；受弯构件容许挠度。脚手板、纵向、横向水平杆容许与10mm；悬挑受弯构件，为受弯构件的跨度。（3）计算内力与挠度时取计算跨度横向水平杆按简支梁计算，纵向水平杆取三跨连续梁计算。此处对节点的简化是值得商榷的，但是目前由于研究成果有限，只能做到近似计算。纵横向水平杆通过扣件与立杆相连所产生的节点既非刚接也非铰接，而是介于两者的半刚性连接。（4）立杆扣件抗滑移验算 （式2.4）式中：作用在扣件上的竖向作用荷载设计计算值；抗滑移设计值7。对接扣件抗滑承载力设计值为3.2KN；直角扣件、旋转扣件抗滑承载力设计值为8KN；底座抗滑承载力设计值为40KN。2.2.3 立杆基础承载力计算（1）基础底面平均压力满足： （式2.5） 式中：-基础底面平均压力，； -上部结构传至基础顶面的轴向力设计值； -基础底面积； -地基承载力设计值。（2）地基承载力设计值按下式： （式2.6）式中：-地基承载力调整系数，碎石土、砂土、回填土取0.4；粘土取0.5；对岩石、混凝土取 1.0； -地基承载力标准值，按现行国家标准建筑地基基础设计规范（GB50007-2011）的规定采用8。（3）对搭设在楼面上的支架，应对其承载力进行验算。2.2.4 模板支架立杆稳定性计算（1）规范规定的计算公式为不与风荷载组合时 （式2.7）与风荷载组合时 （式2.8） 式中：-轴心受压构件稳定系数，根据查表取值，当250时，9。 A计算立杆段轴向力设计值N，按下式计算 a）不组合风荷载时 （式2.9） b）组合风荷载时 （式2.10） 式中：-模板支架自重、钢筋自重与新浇混凝土自重产生的轴向力总和； -施工设备荷载标准值和振捣混凝土产生的荷载标准值共同作用轴向力总和；内、外立杆可按一纵距（跨）内施工荷载总和的1/2取值。B立杆计算长度按下式计算 （式2.11）式中： -计算长度附加系数，其值取1.155；-考虑整体稳定因素的单杆计算长度系数，按表2.4取用；-立杆步距。表2. 4 立杆计算长度系数类别立杆横距（m）连墙件布置两步三跨三步三跨双排架单排架1.051.301.551.501.501.551.601.801.701.751.802.00C.由风荷载产生的立杆弯矩，按下式计算 （式2.12）式中：-风荷载产生的弯矩； -风荷载标准值； -立杆纵距。（2）在高层建筑施工手册和安全技术施工手册中，详细讲述了荷载分析的过程，参照脚手架计算也是有两种方法。当不考虑组合风荷载时：施工安全技术手册方法： （式2.13）式中： -立杆杆端伸出顶层长度影响的安全系数-立杆步距影响的安全系数建筑脚手架实用手册方法： （N，为高度调整系数影响的轴压力设计值）。立杆的计算长度，按下式计算： （式2.14）式中：-立杆步距；-立杆顶端伸出长度。2.3 梁板结构在高支模架中的构造和施工要求（1）模板支架构造要求37，38：1）梁板高支模架采用单立杆或双立杆；2）立杆间按步距满设双向水平杆，保证纵横方向满足刚度要求；3）梁板荷载相差较大时，立杆间距只宜在一个方向变距、而另一个方向不变。（2）立杆步距设计：1）当架体构造荷载在立杆不同高度轴力变化不大时，采用等步距设置；2）当中部有加强层或支架很高，轴力沿高度分布变化较大，采用下小上大的变步距设置；3）高支撑架步距以为宜。（3）整体构造层设计：1）当横向高宽比或支撑架高度时，应设置整体单或双水平加强层；2）单水平加强层每沿水平结构层设置水平斜杆或剪刀撑，且与立杆连接，斜杆层数要大于水平框格总数的1/3；3）双水平加强层在支撑架顶部和中部每隔设置，四周和中部每设竖向斜杆，使其形成具有较大刚度和变形约束的空间结构层；4）高支撑架顶部和底部（扫地杆的设置层）应设水平加强层。（4）顶部支撑点设计：1）立杆顶部设置支托板，距离支架顶层横杆的高度；2）顶部支撑点位于顶层横杆时，应靠近立杆，且；3）支撑横杆与立杆的连接扣件需抗滑验算，当设计荷载时用双扣件；时用顶托方式。（5）剪刀撑设计：1）沿支架四周外立面应满设剪刀撑；2）中部可根据构架框格大小，每隔设置。（6）支撑架搭设要求：1）立杆和水平杆的接头均应错开，在不同的框格层中设置；2）立杆垂直偏差和横杆水平偏差应满足要求；3）扣件拧紧力矩控制在40Nm-60Nm即可；（7）施工要求：1）混凝土浇筑顺序需由中部向两边扩展，保证模板支架施工过程中受荷均匀；2）实际施工荷载不能超过设计荷载，对出现超载的情况要提前做出相应控制措施，支架上方只允许堆放正在使用的材料； 3）浇筑过程中，必须有专人检查支架和支撑情况，发现下沉、松动和变形情况及时解决。3 高支模承载能力的有限元分析与对策措施高支模是用扣件连结大横杆和小横杆以及立杆的一种特殊的多跨多层空间框架。它与一般的框架系统主要有下列不同：1、高支模是由柔性很大的钢管构成的结构受力体系；2、由于高支模受到剪刀撑的布置影响、四周约束，所以支撑系统的各个框架的刚度相互之间的差异非常大；3、立杆与水平杆的连接扣件是半刚性，扣件的拧紧程度和转动刚度导致这种半刚性特点非常明显；4、高支模中的纵横水平杆与立杆的直角扣件连接，其轴线由于不在一个水平面上，所以力的传递中含有偏心，偏心距53mm；5、高支模中所使用的扣件和钢管是多次周转使用的，导致质量良莠不齐，存在初始缺陷、较大的疲劳变形、锈蚀、初始弯曲、断面偏差等，都直接影响模板支撑体系的受力性能。3.1 用ANSYS软件进行高支模的稳定性分析ANSYS是目前国际上在工程领域进行有限元分析软件中比较著名的，同样用于支撑体系计算软件还有ALGOR、ABACUS、MARC和NASTRAN等等。ANSYS作为国际上最流行、最广泛的商业有限元分析软件，它具有强大的计算和后处理能力、功能齐备的有限元分析和图形处理能力。模板支撑体系是一个空间结构体系，在各种荷载作用下，各种构件不是单独承担荷载的，而是整体共同工作、共同受力，它的饶曲变形和内力变化在不同时间和工况的情况下随时发生变化，而ANSYS程序可以通过命令流和界面操作共同建立模型，可以从时间、空间综合分析计算，找出模板支撑系统整体结构的稳定性能和静力荷载，这是别的软件做不到的地方，这也是本文选用此软件对支撑系统进行分析的原因所在。ANSYS是融合结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型CAE通用有限元分析软件，可广泛用于工程结构、电磁、流体、声、热等分析计算。在结构有限元分析方面，可以进行各种结构的定力、静力、线性、非线性等问题的求解。ANSYS将前处理模块、计算求解模块、后处理模块很好的结合在一起，集成了所有的有限元单元类型、常见的材料结构以及求解、计算输出、加工处理；同时还有很好的开放性，提供了Macro、APDL等工具，可以按照需要进行以ANSYS为平台的二次开发。 图3.1 建立支模架有限元模型的流程图在第一章中，我们对高支模事故发生的原因进行了分析，高支模坍塌事故的不断发生是因为计算理论及设计不健全、材料不合格、施工管理不到位、监督管理不合格等因素共同作用的后果。针对这些情况，现在运用有限元分析对模板支撑体系进行综合分析。3.2构造因素对稳定承载力的影响用有限元软件对结构进行分析和计算，关键和前提是建立正确的计算模型，如果计算模型脱离实际工程，就没有意义。现在建立模型的难点是对支撑体系节点的模拟，支撑体系的节点是扣件连接，具有一定的转动刚度，属于半刚性特点。不能单纯的看成铰接，因为这样剪刀撑和水平支撑的数量是达不到结构成为“几何不变杆系结构体系”的要求，不是一个可变的结构，不能用于计算；同样也不能单纯的看成刚架，如果把节点看做刚性连接，分析处理的结果要比实际施工的结果要大，脱离实际，没有借鉴价值。图3.2 支模架的有限元分析模型我们所希望的结果是建立一种半刚性节点模型，这样最贴近实际工程情况，但是具体节点的抗扭刚度是很复杂的问题，不仅需要做相关的实验，还需要考虑许多因素。扣件和钢管的质量、扭紧度都会影响节点的抗扭刚度，而且它们是重复回收利用的，扣件的拧紧情况也是施工现场工人操作的，所以种种的不确定因素，使我们得到接近实际工况的节点M-关系曲线是很困难的。另外，钢管属于焊接管，内部含有残余应力，多次使用后，必然产生弯曲、变形、锈蚀；扣件、水平杆、立杆不在同一水平面上，含有初始偏心；所有这些因素对高支模的稳定承载力都有影响，在模型建立、计算过程中无法全部考虑。由于本文的主要目的是了解高支模的力学特性、分析高支模的稳定承载力，因此在运用ANSYS建立高支模的计算模型时，做以下简化：高支模节点按照刚接处理。模板支撑体系与脚手架不同，除去最上层水平杆承担愣条传送的荷载，其它各层的水平杆作为立杆的侧向支撑，承担的弯矩不大；高支模与地面为铰接；不考虑风荷载的影响。高支模，一般都搭设比较封闭，而在施工时也可避开大风天气，所以忽略风荷载的影响；忽略地震荷载的影响。因为发生地震是小概率事件；不考虑动力荷载的影响。在各立杆顶部施加等量的轴压。架体的最不利工况就是各立杆承受相同的轴压。忽略水平杆对立杆的偏心影响。因为一般情况下，此偏心产生的附加弯曲应力不大，而且通过合理的构造措施，可以将此不利影响降低到最低，因此予以忽略。国外相关的同类标准(如英、日、法等国)对此项偏心的影响也做了相同处理。3.2.1构造措施的必要性和重要性目前的两本国家行业规范对扣件式钢管支模架的构造措施的要求主要体现在对扫地杆、剪刀撑上。为了对这些构造要求的必要性和重要性有一直观的认识，本章对基本架体(纵、横向立杆间距lm，步距1.6m，扫地杆距支撑面0.2m)在分别按构造要求添加上各类构造措施后的稳定承载力作分析对比，分析中按构造措施的不同共分六种工况：不设扫地杆，纵向水平杆每层设置，横向水平杆自顶层往下隔层设置；不设扫地杆，纵横向水平杆每层设置；增设横向扫地杆；纵横向均设置扫地杆；在四周立面增设竖向剪刀撑；在架体内纵横方向上每隔4排增设竖向剪刀撑；这六种工况分别从架体构造措施严重不足渐次递增到构造措施基本符合规范要求。在ANSYS下按上面的的简化处理建模后可分别算得在各种工况下的架体立杆稳定承载力，并且还可以了解不同工况下的架体屈曲变形模态。表3.1 不同工况下支模架的立杆稳定承载力（KN/m2）工况123456稳定承载力11.0827.54227.54997.511139.45168.73图3.3不同工况下支模架的立杆稳定承载力图3.4 工况的屈取模态 图3.5 工况的屈取模态图3.6 工况的屈取模态 图3.7 工况的屈取模态图3.8工况的屈取模态 图3.9 工况的屈取模态经过对不同构造措施组合下的支模架的三维有限元分析，可初步得出以下结论：1、合理的构造措施可以很大地提升模板支撑体系的稳定承载力。从上图可以看出，同样的外观尺寸、同样的立杆间距、水平杆步距和不同的构造措施组合产生的模板支撑体系的稳定承载力，差距很大。从构造措施不合格的模板支撑系统到基本符合规范的要求，它的承载能力提高了将近4倍。可见构造措施对模板支撑体系的稳定承载力的重要性。2、扣件钢管支撑体系中，扫地杆、剪刀撑和侧向支撑约束是构造措施中最主要三个环节。3、扫地杆是最基本和最重要的构造措施。合理的扫地杆设置使模板支撑系统的稳定承载能力提高了1倍。4、合理的剪刀撑设置明显地提高了模板支撑系统的稳定承载能力，但仅竖向的剪刀撑提高稳定承载力比较大，水平剪刀撑的作用似乎不明显。5、侧向支撑约束设置对模板支撑系统的稳定承载能力也具有直接的作用。鉴于模板支撑系统的构造因素对稳定承载能力存在如此重要的影响，所以，深入的对模板支撑系统的各种构造措施的分析研究有重大的现实意义。3.2.2扫地杆对高支模稳定承载力的影响为了分析此问题，我们先分析不设剪刀撑的模板支撑系统在不设扫地杆，先设横向扫地杆、纵向扫地杆、纵横向扫地杆都设的情况下，模板支撑系统的稳定承载力。然后分析扫地杆高度对模板支撑系统的稳定承载力影响，具体计算结果见表。通过分析发现：1、如图所示，没有扫地杆时，模板支撑系统屈曲发生在最下面的一步架体。经过表3.3中的数据分析对比，以立杆纵横距为1.0来看，没有扫地杆时模板支撑系统的稳定承载力仅为有扫地杆时的1/3。可见，扫地杆非常重要。图3.10无扫地杆时的失稳模态图表3.2 无剪刀撑时不同扫地杆设置情况下支架立杆的稳定承载力（104N）扫地杆设置情况无扫地杆横向扫地杆纵向扫地杆纵横向均设扫地杆稳定承载力（104N）11.0827.54227.54997.5112、只在一个方向上设置扫地杆，立杆稳定承载力相比于不设扫地杆没有得到很大的提高。因此，扫地杆设置应该在纵横2个方向同时设置，否则意义不大。当前的规范对设置扫地杆做了强制性要求，在施工过程中必须严格设置，但是从安全事故分析中发现，不设或者漏设扫地杆很普遍，我们必须对此付出足够的重视。图3.11 没有设扫地杆3.2.3立杆间距和水平杆步距对高支模稳定承载力的影响在模板支撑体系搭设过程中，立杆间距一般在0.6m到1.4m之间，水平杆步距为1.2m到1.5m之间。现在研究立杆间距和水平杆步距对模板支撑系统的立杆稳定承载力的影响，设置不同的步距和立杆间距组合的情况进行计算研究；在分析过程中模板支撑系统不设置剪刀撑、立杆伸出顶层长度为零。计算结果见表：表3.3 立杆间距和水平杆布距对立杆稳定承载力的影响（104N）水平杆步距(m)立杆纵横间距（m）0.60.811.21.41.61.277.39870.71965.05659.98257.30651.1181.459.78955.14855.10147.28744.12440.8451.647.50444.15344.18938.35935.98633.5831.838.68636.18933.95431.79329.96528.096从上表可以得出：立杆稳定承载力伴随着立杆纵横间距的变大而降低，随着步距的变大同样在降低。对比图可以发现，水平杆件步距增减20cm比立杆纵横间距影响更大，因此，水平杆步距的设置非常重要。图4.12 立杆间距对稳定承载力的影响3.2.4水平剪刀撑对高支模稳定承载力的影响规范规定：对于高于4m的模板支撑架，它的两端与中间每隔4排立杆从顶层开始往下每隔2层设置一道水平剪刀撑。从表的数据来看，水平剪刀撑对稳定承载力的影响不大，现在进一步研究这个问题，对表中不同步距和立杆间距的模板支撑系统按照上述规范分别设置水平剪刀撑，再进行计算，计算结果如下：表3.4 设置水平剪刀撑后立杆的稳定承载力（104N）水平杆步距(m)立杆纵横间距（m）0.60.811.21.41.61.277.77471.19565.40964.41155.78651.7761.460.10355.52451.45747.60344.45641.1621.647.78944.45841.47838.62136.23533.8181.838.95336.44334.18332.02130.17928.277对比表3.3和表3.4可以发现，水平剪刀撑对模板支撑系统的稳定承载力的贡献不图4.13 水平杆步距对稳定承载力的影响是很显著。对于这个现象。传统的水平剪刀撑设置可能是不合理的，如果将水平剪刀撑设置在立杆步距的中心位置，对于模板支撑系统的稳定承载能力会有一定的提高。下面将水平剪刀撑设置到步距中点位置然后进行分析，取水平杆步距为1.6m时与不同立杆间距构造组合情况，计算结果如下表所示。通过表和表的数据，我们可以发现：表3.5 步距中点处设置水平剪刀撑后立杆的稳定承载力（104N）剪刀撑间隔水平杆步距(m)立杆纵横间距（m）0.60.811.21.41.6隔2步1.649.11245.69342.6339.86737.53334.769隔1步50.68747.2344.11441.06638.79436.1031.在步距中点设置水平剪刀撑这一构造方法对立杆的稳定承载力相比常规的设置偶显著提高，以较常规步距1.6m，立杆间距为1.2m的模板支撑系统来说，这样设置，它的稳定承载力提高了7%；2、随着水平剪刀撑间距的减小，模板支撑系统立杆的稳定承载力得到提高。现在我国相关规范规程对水平剪刀撑的设置都有所要求，但具体的设置位置没有明确的规定，常规的设置方法都是设置在节点处，但是通过上述有限元分析，在立杆步距中间附近设置更合理。3.2.5竖向剪刀撑对高支模稳定承载力的影响关于竖向剪刀撑的设置，规范规定：模板支撑系统四边与中间每隔四排立杆设置一个纵向剪刀撑。这里按照规范设置竖向剪刀撑设计，计算结果如下表：表3.6 设置竖向剪刀撑后立杆的稳定承载力情况（104N）水平杆步距(m)立杆纵横间距（m）0.60.811.21.41.61.2103.43995.47186.42783.32175.30867.8471.480.493575.47168.39664.76360.08955.9271.664.33760.50156.94551.76748.63744.8431.852.55848.84347.15842.18441.02137.347图4.14 水平杆步距对稳定承载力的影响对比表3.3和表3.6可以看出，竖向剪刀撑对立杆稳定承载力的影响很大，安装了竖向剪刀撑后，模板支撑体系的稳定承