徐琳1  張  軍2

（1．江蘇工程職業技術學院，江蘇南通226007；2．江蘇中南建筑產業集團有限責任公司，江蘇南通226100）

摘  要：國內發生的多起扣件式鋼管支模架結構坍塌事故，對扣件式鋼管支模架結構計算理論以及施工安全性提出了更高的要求。考慮扣件式鋼管支模架作為整體受力的三維鋼框架結構體系，采用有限元軟件ANSYS編制了扣件式鋼管支模架的分析程序，并通過分析給出了扣件擰緊力矩、水平桿步高、水平桿搭設步數、立桿間距等對扣件式鋼管支模架整體結構穩定性的影響。對于扣件式鋼管支模架，在進行單根立桿承載能力驗算的基礎上，仍應根據現場支模架的搭設尺寸及構造措施，對整架承載力進行分析研究，確定支模架結構的安全性。

關鍵詞：鋼管；支撐架；承載力；有限元分析D01:10.13206/j. gjg201606015

1概述

 扣件式鋼管高大模板支撐結構作為一種臨時性的支撐結構形式，其結構體系由現場人工組拼基本構（配）件而成，因此其結構形式布置非常靈活。這種特殊的半剛性空間鋼框架結構的穩定承載力由其幾何參數、節點連接情況以及構造條件決定，JGJ162-2008《建筑施工模板安全技術規范》和JGJ130-2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》對于支架的穩定性均是通過單根立桿承載能力的評價進行評定。但這一分析方法將立桿從整架模型中分離出來，僅驗算單個構件的承載能力，無法體現支架整體的安全性。受現場施工技術人員水平的限制，僅單根桿件進行驗算合格仍會導致整體坍塌事故的發生。多起事故調查結果表明，未設縱向剪刀撐，及上下步高處單向設置水平桿，導致了在泵送混凝土管給予初始水平沖擊力下，支撐結構的抗側剛度嚴重不足，出現了支架的連片傾斜倒塌。為研究扣件式鋼管高大模板支撐結構的穩定承載力，須建立以結構整體承載極限狀態為目標的結構分析方法。

 有限元技術的發展為深入研究扣件式鋼管高大模板支撐結構的穩定承載力提供了有力的支持。在相關扣件式鋼管模板支架結構整架抗側移試驗的基礎上，結合扣件式鋼管高支模架結構典型受力形式，利用有限元軟件進行大量的計算機數值模擬，提出了基于整體模型的扣件式鋼管支撐架承載力分析方法。2基本假定

 扣件式鋼管支模架計算模型的基本假定如下：

 1)模板支撐結構為三維空間桿系框架結構，立桿支座底部與地面鉸接，立桿頂部為自由端。

 2)水平桿與立桿之間半剛性連接，節點剛度在結構失穩前保持不變，不考慮扣件連接節點偏心作用。

 3)對于支撐結構立桿軸壓形式，支撐結構立桿頂端受大小相等的軸心豎向力P作用；對于頂部支撐結構立桿偏壓形式，即支撐結構最頂層水平桿與立桿相交點處，受大小相等的軸心豎向力P以及彎矩M= P e作用，并且e=53 mm。

 4)剪刀撐與立桿之間鉸接連接。

 5)不考慮桿件截面翹曲及剪切效應。

 6)假定鋼材是理想彈塑性材料，鋼材本構關系服從von Mises屈服準則。

3  整體分析模型的建立

3.1  構件模型

 根據前面的基本假定，采用有限元分析軟件ANSYS的APDL語言編制了扣件式鋼管支模架建模的可視化程序。其中立桿、水平桿均采用Beam 188模擬，剪刀撐采用Link 8模擬，水平桿與立桿半剛性連接用Combin 14模擬。該分析模型中未考慮水平橫桿對立桿的偏心作用。

3.2  初始缺陷的引入方法

 扣件式鋼管支模架作為一種施工臨時性結構，通過現場人工組合各個構件形成支（模）架，其初始缺陷與常規建筑結構相比更加復雜。支撐結構的缺陷包括幾何缺陷和物理缺陷兩種，具體有：鋼管、扣件周轉使用造成的桿件初彎曲或者鋼管截面尺寸的偏差，模板支架搭設偏差，水平桿與立桿之間連接的初偏心；鋼材銹蝕造成的材性損失或缺陷等因素。由于初始缺陷必然對模板支架結構的穩定承載力產生影響，因此在模板支撐結構計算分析中必須要考慮模板支架的缺陷影響，然而作為臨時性結構，各個構配件搭設組合成支撐結構體系，初始缺陷不易直接測量確定。

 本文在進行扣件式鋼管支架的非線性承載能力分析中，采用假想水平荷載法來考慮模板支架結構的初始缺陷影響。借鑒英國規范及美國規范的有關規定采用假想水平荷載法，在架體結構頂部節點處施加水平荷載，荷載大小取2.5%的豎向荷載，綜合考慮初始缺陷及各種復雜因素產生的水平荷載作用。

3.3  支模架整體有限元模型

 參數分析的基本模型布置如圖1所示，基本模型的尺寸：支架水平桿的步距h =1 800 mm，立桿水平間距la=lb=1 000 mm，底部掃地桿距離地面高度H3=300 mm，立桿頂部懸臂長度a=300 mm；水平桿X、Z向的跨數均為6跨，支架豎向（Y，向）共有6步，豎向剪刀撐僅在架體四周布置。鋼管截面按中48×3.0計算．材料彈性模量E=2. 06×105 M Pa，鋼材屈服強度f y =235 M Pa，泊松比v=0.3。

 后續參數分析計算模型均是在該模型的基礎上改變有關參數進行計算分析。整架有限元模型見圖2。

4  節點抗扭剛度的取值建議

 直角扣件連接節點剛度的大小主要由扣件擰緊力矩決定，JGJ 130-2011要求支架每個扣件的擰緊力矩不小于40 N. m，然而由于扣件擰緊力矩受人為因素影響較大，其擰緊力矩常不能滿足JGJ 130-2011的要求。施工調查結果表明：施工現場扣件擰緊力矩一般為5~ 50 N .m，且支架最頂層的扣件擰緊力矩明顯高于其他層。

 在上述基本模型基礎上，考慮立桿軸壓（頂層立桿懸臂長度a= 300 mm）這種典型結構受力形式，保持其他參數不變，依照參數分析方案改變直角扣件的抗扭剛度進行分析。分別進行了扣件式鋼管支架節點抗扭剛度的試驗研究，研究成果見表1，但因試驗研究方法、節點試件質量等差異，導致扣件螺栓擰緊力矩與節點抗扭剛度的對應關系離散性較大，因本文采用的是整架分析模型，故基于反演試驗得出了整架中節點抗扭剛度與擰緊力矩的對應關系。參數分析結果如表1表2所示。

 計算結果表明，支撐結構穩定承載力隨扣件擰緊力矩的增加而相應增加，當扣件擰緊力矩不小于40 N .m時，由于其節點剛度增加較小，其相應的穩定承載力增加也較小；節點半剛性計算的穩定承載力小于節點剛接時計算的穩定承載力，因此，建議對于扣件式鋼管支模架整體承載能力分析時，采用半剛性分析模型，即考慮橫桿與立桿節點直角扣件的抗扭剛度。對于節點抗扭剛度的取值可根據相關試驗研究成果確定，研究節點抗扭剛度與擰緊力矩之間對應關系的試驗方法均為單節點的單側加載試驗，但從相關的試驗結果來看，單個節點加載受試驗加載裝置、加載方法、節點試件質量等影響較大，不同研究人員所得結果不同，最大偏差達615%（擰緊力矩30N.m時，提出了一種考慮整架效應的反演分析方法，其節點抗扭剛度建議取值綜合考慮縱向水平桿、橫向水平桿、立桿、剪刀撐之間的相互影響，考慮國內扣件式鋼管支架常見的構件質量差、扣件螺栓擰緊不到位等因素，在進行整架承載力分析時建議取節點抗扭剛度為55kN．m/rad（整架反演試驗對應的扣件擰緊力矩為30N.m）。

5  有限元模型參數分析

5.1  水平桿搭設步距對整架承載能力的影響

 1)為了研究水平桿步高h對扣件式鋼管模板支撐結構穩定性的影響，在基本模型基礎上，保持其他參數不變，依據常規支模架的搭設形式，分別調整水平桿搭設步距分別為1500，1600，1700，1 800 mm，分析結果見表3。

 2)從表3可以看出，水平桿搭設步距對整架結構的承載力有較大的影響，這與單根立桿承載能力變化規律基本一致，但單根立桿的承載能力較整架分析結果大得多，因此，對于扣件式鋼管支模架，應進行整架分析。另外，參數分析結果表明，扣件式鋼管模板支撐結構穩定承載力隨步高減小而增大，呈線性變化規律。

5.2  水平桿搭設步數對整架承載能力的影響

 1)調整基本模型的水平桿搭設步數分別為6、12、1 8、24，同時增加支模架的平面尺寸，即縱、橫向跨數調整為12×12，水平桿的步距h分別取為1 500，1 800 mm，立桿水平間距la=lb=1 000 mm，其他參數不變。對扣件式鋼管支模架的整架結構進行非線性極限承載能力分析，結果見表4。

 2)從表4可以看出，在不考慮重力的情況下，扣件式鋼管支模架的非線性極限承載能力隨搭設步數增加而減少一，基本呈線性變化。

5.3  立桿搭設間距對整架承載能力的影響

 1)水平桿作為立桿的水平支撐桿件，能夠起到減小立桿計算長度的作用，立桿搭設間距的大小直接決定了水平桿的約束剛度，因此，為了研究水平立桿搭設間距對扣件式鋼管支模架結構的整架非線性承載力的影響，在基本模型的基礎上，保持其他參數不變，分別取水平桿搭設步距為1 500，1 800 mm，立桿縱橫向搭設間距分別為500，600，700，800，900，

1 000 mm，分析結果見表5、表6。

 2)從表5、表6可以看出，對于扣件式鋼管高大模板支撐結構而言，當水平桿搭設步距一定時，其立桿間距越小，穩定承載力越大。當水平桿搭設步距為1 500 mm時，立桿間距為500 mm×500 mm的非線性極限承載力比1000 mm x1000 mm的高約12%；當水平桿步距為1800 mm時，立桿間距為500 mm×500 mm的非線性極限承載力比1000 mm×1000 mm的高約11%，即變化規律基本一致，但從分析結果來看，整架分析所得的承載能力遠小于單根立桿的承載能力。因此，對于扣件式鋼管高大支模架結構而言，當水平桿步距一定時，立桿間距的減小（立桿布置數量增多）并不能顯著提高其極限穩定承載力，考慮經濟性因素，不能一味地通過減小立桿間距來提高承載力，對于局部受力較大的區域可直接采用雙立桿措施來提高立桿的承載能力。

6  結束語

 鋼管高大模板支撐結構廣泛應用在現澆混凝土結構工程施工中，本文對扣件式鋼管支模架結構承載能力的相關問題進行了分析研究，在此基礎上采用計算機數值模擬的方法，著重針對軸心受壓的受力模式，采用參數分析方法，對單根立桿和整架的承載能力進行了分析，主要結論如下：

 1)支撐結構穩定承載力隨扣件擰緊力矩的增加而相應增加，整架計算分析時應考慮節點的半剛性；支架承載力隨步距減小而增大；支架承載能力隨搭設步數的增加而減小；水平桿搭設步距一定時，支架立桿間距越小，其穩定承載力越大，但整架分析結果表明：立桿間距的變化并不能顯著影響其極限穩定承載力，這一特點區別于單根立桿分析結果。

2)根據分析結論得出，在按照JGJ 130-2011進行扣件式鋼管支模架單根立桿承載能力驗算合格的基礎上，還應根據支模架的實際搭設尺寸和構造措施進行整架承載力的分析研究，最終確定扣件式鋼管支模架的安全性。