扣件式钢管高大模板支架整体稳定试验研究胡长明

扣件式钢管高大模板支架整体稳定试验研究胡长明扣件式钢管高大模板支架整体稳定试验研究胡长明 70施 工 技 术CONSTRUCTIONTECHNOLOGYxx 4月第38卷 第4期扣件式钢管高大模板支架整体稳定试验研究胡长明 董 攀 沈 勤 张化振1121 1 西安建筑科技大学 陕西西安 710055 2 上海宝冶建设有限公司 上海 xx41 摘要 通过扣件式钢管高大模板支架试验结果和有限元计算对 比 表明用取值在一定范围的广义假想水平 来模拟支架的广义初始 缺陷是合 的 而且 在计算广义初始缺陷对架体稳定承载 影响时 可采取在各横杆 和立杆的连接点处施加广义假想水平 来模拟广义初始缺陷 综合试验结果和有限元计算对比分析 可得出 随着初始缺陷的增加 支模架的稳定承载 断降低 且下降趋势较明显 因此要严格按相关 规范进 施工 控制好支架的初始缺陷 是保证支架稳定的关键 关键词 脚手架 扣件式钢管 模板高大支架 试验 稳定性 初始缺陷 TU731 2 A 1002 8498 xx 04 0070 03Experimental ResearchofGlobalStabilityof Fastener styleSteelTubularHigh formwork supportHuChangming1 DongPan1 ShenQin2 ZhangHuazhen1 1 Xi an UniversityofArc hitecture andTechnology Xi an Shaanxi 710055 China 2 Shanghai BaoyeConstructionCo Ltd Shanghai xx41 China Abstract Aording tothe contrastof experimental results of fastener style steeltubular high formwork support andfinite elementmethod FEM analysis it isindicated thatit is rational touse generalized imaginary horizontal force ina certainlimit ofvalue tosimulate generalizedinitialimperfections ofthe frame And it isrationalto applygeneralized imaginaryhorizontal forcein everyjoint ofhorizontal polesand upright stanchionwhen calculatingthe influenceof stability capacity of formwork support formedby generalizedinitial imperfections Combining with the contrastofFEM analysisresults andexperimentalresults itispointedout thatwiththeincrease ofinitial imperfections stabilitycapacityofformworksupportdecrease constantly and thedecline trendis relativelyobvious so somekey measuresare putforward toguarantee thestability ofthe formworksupport such asconstructing aordingto correlativecodes strictly controlling initial imperfections ofscaffold well etc Key words scaffold fastener style steeltubular high formwork support experiment stability initialimperfection 随着工程建设的发展 钢管模板支撑体系因其适应性广 承载 强等 特点在高层建筑 桥 等工程中得到越来越多的应用 然而该体系容 产生整体或局部失稳 造成混凝土浇筑时支架倒塌的 工程事故 特别是一些高度超过4 5m 采用扣件式钢管支撑体系的高大模板支架 工程 是如此 因此如何提高扣件式钢管模板支撑体系的安全可靠性是业内人士共 同面临的一个课题 因钢管的初始弯曲 材 质 的好坏 扣件的拧紧程度 同等因素而造 成的初始缺陷对支架的整体稳定承载能 影响很大 故本文通过试验 从初始缺陷的角度对支架结构的整体稳定性进 说明 1 模板支架的整体稳定性模板支撑体系由立杆 水平杆 剪刀撑 直 角扣件 旋转扣件等组成 当其中一根杆件发生失稳 必然影响与其相连接的其它杆件 1 因此 杆件的稳定性 能就某根杆件孤立地分析 应当综合考虑杆件之 间的约束作用 要确定这种约束作用 必须对结构进 整体稳定性分析 实际工程中 影响模板支撑体系稳定性的因素较多 如立杆在搭设过 程中出现的倾斜 节点上扣件的拧紧程度 一和材 质 参差 齐等 因此 单凭 论计算无法对模板支撑体系进 全面研究 必须结合整架 试验 和 论计算进 比较 对其进 分析 现在 国内对双排扣件式钢管脚手架的试验分析成果较多 而对扣件 式钢管支模架的试验研究则较少 由于双排脚手架的构造和工作状况与支模架有显著差异 2 因此必 须针对支模架特点 通过试验进 较为深入的研究和探讨 为研究扣件式钢管高大模板支撑体系整体承载 笔者在实验室做了 多个整架屈曲试验 该支架是四周没有连墙件的扣件式模板支架体系 所采用的钢管规格 为48mm 3 5mm 弹性模 E 2 06 105N xx 12 24 基金项目 陕西省教育厅专项科研计划项目 08JK333 财政部国 家重点施工新技术研发项目 财企 xx 376号 作者简介 胡长明 西 安建筑科技大学土木工程学院教授 博士 西安市雁塔 13号 710055 电话 029 85015189 E mail hu tm 163 xxNo 4胡长明等 扣件式钢管高大模板支架整体稳 定试验研究 71mm2 通过实验室实测 钢管规格为48mm 3 21mm 弹性模 E 1 94 10N mm 整架试验所有扣件的拧紧 矩均为4 0 104N mm 2 整架稳定性屈曲试验5组试验中 工况 1 2 设剪刀撑 工况 3 4 5设剪刀撑 为了 贴近实际工程情况 本文只对四周都设置剪刀撑的工况 3 4 5进 分析 2 1 试验模型1 工况3 有纵横向剪刀撑 纵距为1160mm 横距为1200mm 步距为1436mm 支架 尺寸为5800mm 3600mm 5994mm 扫地杆距地面距离为150mm 立杆顶 端伸出长度为100mm 见图1 图3 工况4立杆水平向变形Fig 3 Horizontal distortionof uprightstanchion undercondition452图4 试验模型在极限承载 下的屈曲Fig 4 Buckling ofexperimentalmodel underultimate bearingcapacity3 支架整体稳定性计算分析图1 工况3试验模型Fig 1 Experimentalmodelof condition3利用有限元计算软件ANSYS 根据整架试验实际情况建立 了三维有限元模型 将计算结果与试验结果比较 对模板支架的整体 稳定性进 了分析 3 1 建模根据扣件式钢管高大模板的构造情况 用ANSYS建立符合试验情 况的模板支架模型 计算支架的承载能 建模时 首先选取具有塑性性质的PIPE20单元 输入圆管直径和壁厚 单元弹性模 和泊松比以及单元的屈服强度 输入屈服强度是关键 因为当材 达到屈服强度时杆件屈服 即可得出 整架在此屈服强度下的屈服荷载 边界上 下端为x y z三向施加水平约束 上端为x z向施加水平约 束 工况4的三维有限元模型如图5所示 3 2 加载在高大模板支撑体系中 把钢管和扣件的实际质 杆件的初始 缺陷 如钢管的初始弯曲 锈蚀及端面偏差等 搭设质 如搭设的 纵 横向 垂直等 和水平杆与立杆连接节点的扣件拧紧程度等统称 为高支模的广义初始缺陷 3 2 工况4 为考虑步距对剪刀撑的影响 在工况3的基础上将立杆步距改为1148m m 3 工况5 为考虑纵横距对剪刀撑的影响 在工况4的基础上将立杆纵距改为900 mm 2 2 试验装置试验中采用千斤顶 反 和分配 组合方式对支架施加竖向 荷载 见图2 以单调分级的加载方式加载 直至破坏 试验中 对24根图2 加载装置Fig 2 Load device立杆的顶端施加竖向荷载 每级15kN 本试验对主要受 杆件进 数据记录 用感应器测千斤顶压 对立杆测 竖向应 贴一个应 片 试验过程中 每级荷载加完后 持荷10min记录 2 3 试验结果试验中观察到 当整架正常承载时 工况 3 4 5立杆竖向水平变形是一个波长 以工况4为例 立杆水平变形如图 3所示 在整体屈曲时 整个立杆竖向水平变形也是一个波长 如图4所示 图4 为足尺试验模型在极限承载 下的破坏图 整架屈曲的同时 记录下每个千斤顶施加的荷载 然后把荷载平分到 每个千斤顶所控制的立杆上 即可得到支架的立杆极限承载 图5 工况4三维有限元模型Fig 5 Three dimensionalFEM modelundercondition4 这些初始缺陷直接影响模板支架的极限承载 必须充分考虑 由于高支模架体的初始缺陷种类很多 且很难确 72施工技术第38卷定 为了 好地使工程设计和施工人员计算 用广义 假想水平 代替架体广义初始缺陷对高支模架体稳定承载 的影响 为研究 同广义假想水平 即初始缺陷对支架承载 的影响 施加的广 义假想水平 分别取1 0 1 2 1 5 2 0 2 5 的极限荷载 得 出各工况立杆的承载 计算值 3 3 计算计算过程主要分为线性屈曲分析和非线性屈曲分析 因为扣件式 钢管模板支架结构具有明显的非线性特征 如扣件抗扭刚度 钢管的 几何非线性等 而且非线性分析能考虑诸多 利因素 具有一定的安全 度 故在本文中采用非线性屈曲的承载 进 研究 施加 同假想水平 的立杆承载 计算结果与试验得出的立杆承载 结 果如表1所示 表1 各工况施加 同广义假想水平 的立杆极限承载 Table1 Ultimate bearingcapacity inuprightstanchionof everymodelunder differentgeneralizedimaginaryhorizontalforceN工况345试验值7 25008250085000施加的水平 1 P u7539086630878701 2 P u1 5 P u2 0 P u7539083580855807539079530814307293066340765902 5 P u658706634070570计算广义初始缺陷对架体稳定承载 的影响时 可 采取在各横杆和立杆的连接点处施加广义假想水平 来模拟广义初始 缺陷 当广义假想水平 取 1 2 2 5 P u时 有限元计算结果与试验结果基本符合 故建议在进 模板支架设 计时 可依据各分项施工队的技术和管 水平 材 质 以及现场设置 剪刀撑的情况取 1 2 2 5 P u作为架体的广义假想水平 进 高支模架体强度和稳定性验算 且广 义假想水平 参与所有的荷载组合 3 由计算数据表明 随着初始缺陷的增加 支模架的稳定承载 断降 低 且下降趋势较明显 因此要严格按相关规范 4 进 施工 如保证钢 管和扣件质 扣件扭紧 矩应达标 控制好支架的垂直偏差等 以防 止产生过大的初始缺陷 参考文献 1 赵滇生 田兴长 章雪峰 等 扣件式钢管模板高支撑架整体稳定分析 J 浙江工业大学学报 xx 2 78 81 Zhao Diansheng Tian Xingchang Zhang Xuefeng et al Globalstability analysisof highformwork supportingframe withfastener stylesteel pipesystem J Journal ofZhejiang Universityof Technology xx 2 78 81 in Chinese 2 袁雪霞 金伟良 鲁征 等 扣件式钢管支模架稳定承载能 研究 J 土 木工程学报 xx 5 43 50 Yuan Xuexia Jin Weiliang Lu Zheng et al A studyon thestabilitybearing capacityof fastener style tubularsteel formwork supports J China CivilEngineering Journal xx 5 43 50 in Chinese 3 胡长明 扣件联接钢结构试验及其 论研究 D 西安 西安建筑科技大 学 xx Hu Changming Studies onexperiment andtheor