扣件式钢管脚手架满堂支撑体系受力分析及支架体系力学性能研究

扣件式钢管脚手架满堂支撑体系受力分析及支架体系力学性能研究

满堂支撑体系稳定性研究中国正处于经济快速发展的时期，土木工程行业的规模不断扩大，相应项目的事故数量一直占据着主导地位。其中,由于模板支撑体系倒塌所引起的重大工程事故频繁发生本文首先在分析原有《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ130—2001)存在不足的基础上,对大量不同搭设参数下满堂支撑体系进行考虑初始缺陷及直角扣件半刚性性质的非线性屈曲有限元分析。定量地分析了步距、立杆间距、最小搭设跨数、立杆伸出顶层水平杆的长度、剪刀撑设置方式等一系列因素对满堂支撑体系承载力的影响,并对满堂支撑架与满堂脚手架这两种受力机理不同的满堂支撑体系承载力性能进行研究。然后进行了一系列超高满堂支撑架及脚手架(搭设高度大于8m)的原型试验,通过试验模型整体搭设模数上的变化,实际分析影响满堂支撑体系稳定承载力的各种因素。最后,通过总结上述对满堂支撑体系研究的有限元及试验成果,并结合对原《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ130—2001)的修订工作,对满堂支撑体系立杆稳定性的计算方法提出改进。1立杆受力分析扣件式钢管满堂支撑体系是一种由纵、横向水平杆及立杆用扣件连接而成的空间框架体系。立杆是主要承受竖向荷载的构件,纵、横水平杆作为立杆的水平向支撑杆件,分担由结构顶部传下的荷载;竖向剪刀撑是主要的侧向支撑构件,能有效地增加结构的抗侧刚度,抵抗水平荷载作用1.1承力支架的组成此种满堂支撑体系在纵、横方向是由不少于三排的立杆构成,并与水平杆、水平剪刀撑、竖向剪刀撑等构件通过扣件连接形成的承力支架。在该架体顶部浇筑混凝土构件的施工荷载将通过上部可调托撑传给立杆,顶端立杆呈轴心受压状态,其受力形式如图1(a)所示。1.2顶模顶模受力分析此种模板支撑体系在搭设方式上与满堂支撑架相同,所不同的是该架体顶部施工等荷载通过水平杆底模下的木枋传递给立杆,顶部立杆呈偏心受压状态,其受力形式如图1(b)所示。2不同搭设模数下的有限元分析为了研究在无剪刀撑设置情况下扣件式钢管满堂支撑架的承载能力及承载力随步距、立杆间距等参数的变化规律,本文利用有限元软件ANSYS进行了不同搭设模数下的此种支撑架有限元承载力分析计算。有限元计算中,钢管外径取48mm,壁厚3.5mm,钢材的弹性模量2.06×102.1高宽比对满堂支撑架承载力的影响满堂支撑架搭设的高宽比及最小搭设跨数都是影响其承载能力的重要因素。为此分别进行了最小搭设跨数为6、5、4跨时满堂支撑架承载力的有限元分析。步距变化范围为1.5~0.6m,立杆间距从0.9m×0.9m变化到0.6m×0.6m。最小搭设跨数的减小,采用两种方式进行:一种是保持高宽比不变,将整体搭设高度降低;另一种是保持整体搭设高度不变,从而当减小搭设跨数时,将使得高宽比增加。承载力计算结果如表2所示。从表2中可以看出,在步距、立杆间距相同的条件下,高宽比增加,满堂支撑架的承载力将降低。在其余搭设条件相同的情况下,当保持高宽比不变时,最小搭设跨数每减小一跨,满堂支撑架的承载力将降低10%左右,当保持整体高度不变,最小搭设跨数每减小一跨,满堂支撑架的承载力将降低12%左右。2.2满堂支撑体系承载力的数值计算目前现场施工中,为调整立杆高度,经常使用托撑,将其插入立杆钢管顶部,上部自带的托盘作为模板面板下大楞木的支座,形成轴心受压构件。本文以步距为1.5m,立杆间距为1.2m×1.2m的满堂支撑架为研究对象,对立杆伸出顶层水平杆长度分别为0.1~1.0m情况下的满堂支撑架进行了考虑初始缺陷的非线性有限元分析。计算结果如表3所示。从表3中可以看出,满堂支撑架承载力随立杆伸出顶层水平杆长度的增加明显降低。3有剪刀撑扣件式满堂支撑架失稳模态分析模型为了研究设置剪刀撑后扣件式钢管满堂支撑架的承载能力及承载力随步距、立杆间距等参数的变化规律,对不同搭设模数下设置剪刀撑的扣件式钢管满堂支撑架进行承载力的有限元分析。钢管的材料参数取值及初始缺陷数值如第2节所述。按照工程上常用的搭设规格,立杆间距在1.2~0.6m之间变化,相应步距分别为1.8m、1.5m、1.2m、0.9m、0.6m,在纵、横向每隔5跨设置竖向剪刀撑,并且斜杆与地面的倾角保持在45°~60°之间,计算所得到的承载力见表4所示。由有限元的计算结果可以得到有剪刀撑扣件式满堂支撑架的失稳模态,如图3所示。从图中可以看出,有剪刀撑扣件式满堂支撑架失稳时,立件轴线挠曲形状为正弦半波曲线,而拐点出现在竖向剪刀撑交点(或剪刀撑与水平杆有较多交点)水平面处,且波长均与剪刀撑设置、水平约束间距有关。将表1与表4进行比较,可以看到剪刀撑设置与否对扣件式钢管满堂支撑架承载力的影响。两者对比情况如表5所示。从表5可以看出,当立杆间距为0.9m×0.9m,立杆步距在0.9~1.5m之间变化时,若纵、横向每隔5跨设置竖向剪刀撑,满堂支撑架的承载力将提高26%~33%。当立杆间距为0.6m×0.6m,立杆步距在0.6~0.9m之间变化时,若纵、横向每隔5跨设置竖向剪刀撑,满堂支撑架的承载力将提高50%~53%。即当立杆间距一定时,步距较小时,设置剪刀撑对提高满堂支撑架承载能力的作用更加显著。4初始缺陷分析扣件式钢管满堂脚手架的受力形式为:荷载通过水平杆底模下的木枋传递给立杆,顶部立杆呈偏心受压状态,对于这种受力形式的支模架应当研究在偏心竖向荷载作用下的整体稳定性。在有限元分析中,通过在水平杆上施加局部区域上的均布荷载以模拟满堂脚手架受偏心竖向荷载作用效果。钢管的材料参数取值及初始缺陷数值如第2节所述。按照工程上常用的搭设模数,这里分别对步距1.8m、1.5m、1.2m、0.9m时,立杆间距在1.2m×1.2m~0.9m×0.9m范围内变化时的满堂脚手架承载力进行了分析,结果如表6所示。5满堂支撑体系承载能力分析由于两种满堂支撑体系的受力机理不同,所以本节在相同步距及立杆间距情况下对两种满堂支撑体系的承载能力进行比较分析,如表7所示。其中,钢管的材料参数取值及初始缺陷数值如前所述。从表7中可以看到,在其余搭设条件相同的情况下,满堂脚手架的承载力比满堂支撑架的承载力低30%左右。6满堂支撑体系试验模型本试验采用两对超高反力架(高度在10m左右),利用8个液压千斤顶,通过两道H形钢分配梁,将荷载均匀地传至满堂支撑体系上,加载装置的实物图如图4所示。为了保证试验结果的可靠性和通用性,所用钢管及直角扣件均取自施工现场,并对试验中所用钢管的内、外径和壁厚等数值进行实测。随机抽取钢管,进行材料性能试验,材料性能试验装置如图5所示,结果见表8。本次共进行了15个满堂支撑体系的原型试验,其中,在3个试验模型内设置剪刀撑以考察剪刀撑对满堂支撑体系承载力的影响,其余12个均为无剪刀撑的模型。试验模型的临界荷载如表9所示。试验过程中部分足尺模型失稳时情况如图6所示。从图6中能够看出,当模型发生整体失稳时,无剪刀撑扣件式满堂支撑体系出现沿刚度较弱方向的整体大波鼓曲现象,而对于有剪刀撑扣件式满堂支撑体系,则以竖向剪刀撑与水平杆有较多交点处的水平面为分界线,出现局部大波鼓曲现象,波长与剪刀撑设置、水平约束间距有关。试验所得到的满堂支撑体系失稳情况这与上一节中有限元分析结果相一致。从试验过程中测得的各立杆轴向应变来看,由于上部荷载不均匀地作用于立杆,部分立杆首先发生失稳破坏,随后其他立杆发生连锁的失稳破坏。7支架立杆透照厚度的确定如何安全地搭设模板支架在建筑施工中起着至关重要的作用。已颁布实施的《建筑施工扣件式脚手架安全技术规范》(JGJ130—2001),在第5.6节中编制了一节“模板支架计算”,共有3条,作了4项规定,包括要求其荷载、压缩变形、抗倾覆的计算应符合《混凝土结构工程施工及验收规范》(GBY850204—2002)式中:h为支架立杆的步距;a为立杆伸出顶层横向水平杆中心线至模板支撑点的长度。这是在缺少对模板支架进行系统试验研究和使用统计资料的情况下,借鉴和采用了英国标准《脚手架实施规范》(BS5975—82)从表10的比较中可以看出,按照原《建筑施工扣件式脚手架安全技术规范》(JGJ130—2001)中规定的计算方法所得到的满堂支撑架与满堂脚手架的承载力,绝大多数情况下均比有限元非线性分析和原型试验结果高出较多,而且是偏于不安全的,证明了原规范(JGJ130—2001)中的计算方法存在一定的不合理性,相应的计算公式及计算长度系数的取值需要改进。而本文所进行的扣件式钢管满堂支撑架及满堂脚手架的有限元非线性分析与原型试验结果相比较,符合较好,两者之间的误差在-8.05%~7.58%之间,说明了有限元模型建立中考虑直角扣件半刚性性质及初始缺陷后,更能反映模板支架的真实受力情况,符合实际情况,具有准确性。8对满堂支撑体系承载力计算方法的改进对所做的不同搭设模数下扣件式钢管满堂支撑架及满堂脚手架的非线性有限元分析以及15个原型试验结果进行综合分析,并结合脚手架规范的修订工作,对原《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ130—2001)中满堂支撑架及满堂脚手架立杆稳定性的计算方法及剪刀撑布置形式进行了如下改进:8.1满堂支撑架设计(1)满堂支撑架根据剪刀撑的设置不同分为普通型构造与加强型构造。普通型剪刀撑构造要求:1)支架四边与中间每5~8m沿纵、横向设置竖向剪刀撑,由底至顶连续设置,剪刀撑宽度5~8m,如图7所示。2)在竖向剪刀撑顶部交点平面、扫地杆的设置层设置水平剪刀撑,剪刀撑宽度5~8m,水平剪刀撑间距不宜超过8m,见图8。加强型剪刀撑构造要求:1)立杆间距在0.9m×0.9m~1.2m×1.2m之间,满堂支撑架四边与中间每4跨(不大于5m)沿纵、横向设置竖向剪刀撑,由底至顶连续设置,剪刀撑宽度4跨长,如图9所示。2)立杆间距在0.6m×0.6m~0.9m×0.9m之间(含0.6m×0.6m,0.9m×0.9m)满堂支撑架四边与中间每5跨(不小于3m)沿纵、横向设置竖向剪刀撑,由底至顶连续设置,剪刀撑宽度5跨长,见图10所示。3)立杆间距在0.4m×0.4m~0.6m×0.6m之间(含0.4m×0.4m),满堂支撑架四边与中间每隔3~3.2m沿纵、横向设置竖向剪刀撑,由底至顶连续设置,剪刀撑宽度3~3.2m。4)在竖向剪刀撑顶部交点平面、扫地杆的设置层设置水平剪刀撑,水平剪刀撑间距不宜超过6m,剪刀撑宽度4~5跨(或3~5m)长,如图10所示。(2)满堂支撑架立杆的计算长度按下式计算:式中:k为计算长度附加系数,应按表11采用;h为步距;a为立杆伸出顶层水平杆中心线至支撑点的长度,不大于0.5m,a≤0.5m范围内都按0.5m计算;μ为考虑满堂支撑架整体稳定因素的单杆计算长度系数,普通型构造应按表12采用;加强型构造应按表13采用。(3)当满堂支撑架最少跨数小于4跨时,立杆计算长度系数μ可按表12、表13采用,但必须符合如下规定:1)支撑架高度不超过一层(5.2m)2)施工总荷载不大于7.5kN/m3)集中线荷载不大于7kN/m8.2计算长度附加系数满堂脚手架立杆的计算长度应按下式计算:式中:k为计算长度附加系数,应按表14采用;h为步距;μ为考虑满堂脚手整体稳定因素的单杆计算长度系数,应按表15采用。9高宽比对满堂支撑体系承载力的影响(1)对大量不同搭设参数下满堂支撑体系进行考虑初始缺陷及直角扣件半刚性性质的非线性有限元分析,并进行15个满堂支撑体系的原型试验,有限元计算结果与试验结果吻合较好,证明本文有限元计算模型建立的正确。(2)步距及立杆间距对无剪刀撑式满堂支撑体系的承载能力具有显著影响:步距每减少0.3m,满堂支撑架的临界荷载将增加5%~11%,立杆间距每减少0.2m×0.2m,承载力将提高4%~10%。(3)无剪刀撑的满堂支撑体系承载力受高宽比影响:当保持高宽比不变时,最小搭设跨数每减小一跨,满堂支撑架的承载力将降低10%左右,当保持整体高度不变,最小搭设跨数每减小一跨,满堂支撑架的承载力将降低12%左右。(4)无剪刀撑满堂支撑体系的承载力随立杆伸出顶层水平杆长度增加将降低;设置剪刀撑将显著提高满堂支撑体系的承载力。当步距较大时(>1.0m),设置竖向剪刀撑,满堂支撑架的承载力将提高26%~33%。当步距较小时(<1.0m),设置竖向剪刀撑,满堂支撑架的承载力将提高50%~53%,所以剪刀撑的设置对步距较小时的满堂支撑体系承载力影响更大。(5)由于受力机理的不同,相同搭设参数下,满堂脚手架的承载力比满堂支撑架的承载力低30%左右。(6)按照原《建筑施工扣件式脚手架安全技术规范》(JGJ130—2001)