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扣件式钢管模板支撑体系高宽比对稳定性影响研究 扣件式钢管模板支撑体系高宽比对稳定性影响研究* 扣件式钢管模板支撑体系高宽比对稳定性影响研究* 刘 莉1 储诚明2 武 一3 (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 230012； 3.中建八局天津公司， 天津 300450) 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 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用方便快捷、承载力高、整体刚度好等优点，目前已得到广泛应用。但是由于设计和搭设过程中存在许多不确定、不安全因素，导致该种支撑体系塌倒事故频频发生，严重影响了施工安全，造成生命和财产损失。国内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1-4。但对扣件式钢管模板支撑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。 1 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。若临界荷载值再增加一个微小的量，则支撑体系平衡位置的形状将会发生很大的变化。特征值屈曲分析是以小位移、小应变线性理论为基础来预测一个理想弹性结构的理论屈服强度。有限元计算得出的屈曲系数与施加的外荷载乘积为屈曲荷载。 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软件建立扣件式钢管模板支撑体系的有限元分析模型。采用Beam 188单元模拟支撑体系中的立杆、水平杆、剪刀撑，Combin 14单元模拟支撑体系中的节点半刚性连接。Beam 188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单元具有多维的轴向和扭转性能。轴向的弹簧阻尼器是具有一维的拉伸或者压缩的单元。不考虑弯曲或扭转。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，x、y、z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 kNm/rad。 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5。试验中对中间单根立杆加载，预载阶段施加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2.06105 MPa,泊松比为0.3，密度为7.810-6 kg/mm3。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 mm试验模型立杆纵距立杆横距水平杆步距模型1120012001800模型2120012001350模型312001200900 1.2.4 试验结果与模拟结果对比分析 三组试验模型失稳模态见图1。立杆屈曲荷载见图2。 a模型1；b模型2；c模型3。图1 失稳模态示意 图2 立杆屈曲荷载 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1 350 mm时，屈曲荷载由38 kN增加到44 kN，屈曲荷载增加了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%。施工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 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模型编号高宽比水平杆步距立杆间距111500100021 51500100032150010004315001000 a模型1;b模型2;c模型3;d模型4。图3 失稳模态示意 图4 支撑体系屈曲荷载随高宽比的变化 从图4可以得出看出，在水平杆步距和立杆间距相同的情况下，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2.0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 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。 参考文献 1 张健，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. 3 王娜. 混凝土结构模板支撑体系施工控制技术研究J. 安徽建筑工业学院学报,2012,20(2):35-38. 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):116-119. 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,2013:11-42. STUDY ON THE INFLUENCE OF THE FASTENER STEEL PIPE FORMWORK SUPPORT SYSTEM ASPECT RATIO STABILITY LIU Li1 CHU Chengming2 WU Yi3 (1.Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China； 2.Anhui Urban & Rural Planning and Design Institute, Hefei 230012, China； 3.Tianjin Branch, China Construction Eighth Engineering Division Co. Ltd， Tianjin 300450, China) ABSTRACT：The finite element analysis model of fastener steel pipe formwork support system was established according to the test, through the comparison of experimental data and finite element analysis results, the correctness of the finite element model had been verified, The influence of depth-width ratio on the stability of support system has been further analyzed. The results showed that the reduction of the horizontal lever can improve the buckling load of the support system; With the increase of depth-width ratio, the yield load decreased obviously, It was suggested that the depth-width ratio should not be more than 2, and less than 1.5. KEY WORDS：fastener steel tub