混凝土結(jié)構(gòu)扣件式鋼管模板高支撐體系整體受力研究

■崔 麗 ■江蘇邗建集團有限公司，江蘇 揚州 225100

扣件式鋼管模板是我國建筑施工中比較常見的一種支撐體系，其使用率已經(jīng)達(dá)到使用總量的80%，隨之使用時間的延長，使用過程中的問題也逐漸凸顯出來，模板高支撐體系的坍塌事故隨著支撐架搭設(shè)增高而增多。以某綜合樓工程為例，在該工程建設(shè)期間就曾經(jīng)出現(xiàn)一起模板支撐體系倒塌事故，該綜合樓的支撐架高度當(dāng)時已經(jīng)超過了25m，高度的問題無疑是導(dǎo)致事故發(fā)生的主要原因。我們通過對模板高支撐體系倒塌事故的原因進行分析可以發(fā)現(xiàn)，高空支模支撐體系的側(cè)向變形能力很弱，所以在水平荷載的影響之下就會對穩(wěn)定性造成破壞。由此看來，對于模板高支撐架的受力性進行研究是非常必要的，這樣建立起的計算模型就可以對模板支撐架的實際受力情況進行正確的反映，減少甚至避免類似安全事故的發(fā)生。

1 為何會出現(xiàn)水平荷載

由扣件式鋼管搭設(shè)而成的模板支撐體系作為偏心受壓構(gòu)建，在高空支模的過程中，因為搭設(shè)時會存在一定的偏差，進而會對立桿產(chǎn)生一種水平的作用力，高空支模風(fēng)荷載往往會帶來很大的水平荷載。在運送混凝土的途中，泵管會出現(xiàn)相應(yīng)的水平?jīng)_力，在澆筑混凝土的過程中，振搗器會出現(xiàn)水平方向上的振動力，這些因素都是致使水平荷載的影響因素。除了上文中介紹的幾種原因之外，路徑選擇也是水平荷載產(chǎn)生的一種主要原因，在對稱澆筑路徑作用的影響下，大梁變形也會呈現(xiàn)出對稱的形態(tài)，大梁變形是不會產(chǎn)生支撐體系水平力的，但是在不稱建筑的混凝土路徑作用影響下，大梁不容易產(chǎn)生變形，這樣大梁本身的豎向自重荷載就會對支撐體系產(chǎn)生一種水平的推力，因此在澆筑混凝土的過程中，水平方向的內(nèi)力就會始終存在于支撐架內(nèi)部。但是模板支撐體系中餅里有關(guān)于水平荷載的部分，并沒有將其列入《規(guī)范》中，而只是提出支撐體系中斜桿構(gòu)造上的一些要求，并未要求對斜桿進行相應(yīng)的力學(xué)計算。為了對水平荷載與支撐體系之間存在的關(guān)系進行研究。本文通過ANSYS 有限元軟件建立起模板的支撐體系整體三維模型，進行相應(yīng)的有限元分析。

2 通過有限元法對模板高支撐體系整體受力狀況進行分析

2.1 有限元模型的建立

首先，選擇pipe16 管單元對鋼管支撐架進行模擬，其參照取值以實際使用的鋼管參數(shù)為依據(jù)。然后，通過對solid65 單元的利用對鋼筋混凝土進行模擬，鋼筋的配筋率采用實際設(shè)計值，混凝土彈性模量等相關(guān)參數(shù)主要以早齡期混凝土的相關(guān)性質(zhì)作為參照。

2.2 實例分析

上文中提到的大型綜合樓中的A 區(qū)6 成樓面15—18 軸/F 軸—H軸線區(qū)域，也就是中心劇場的觀眾席上空，共有2 根梁，梁的截面尺寸是600mm×2200mm，跨度為32.5m，與地面之間的距離是30m，高支撐體系主要采用扣件式鋼管模板，立桿搭設(shè)的高度為30m，支撐立桿的步間距和梁長方向都是400mm，沿著高度方向通過水平剪刀每隔二排水平支撐桿就設(shè)置為一道，在水平面中進行連續(xù)的設(shè)置。

2.2.1 模擬水平荷載

在整體支撐體系的有限元模型中，先不用對大梁的豎向荷載作用進行考慮，在自身自重作用下對支撐體系產(chǎn)生影響，再將水平壓力F 施加在大梁的一端，對支撐體系所受水平荷載的影響進行進一步的研究，f 的取值為0.5kN/m2，10kN/m2，20kN/m2，50kN/m2，如圖1 所示，X1的剖面與大梁左端之間的距離是1.2m，X2剖面與大梁左端之間的距離是8.4m，X3剖面與大梁左端之間的距離是16.4m，X4剖面與大梁左端之間的距離是25.2m，X5剖面與大梁左端之間的距離是32.4m。在整個大梁支撐體系中，將兩排垂直剪刀撐布置在梁側(cè)，剪刀撐底部桿件的編號如圖2 所示。

圖1 模板支撐體系在水平荷載作用下示意圖

圖2 模板支撐體系中垂直剪刀撐布置示意圖

2.2.2 有限元計算

圖3—圖8 將水平荷載作用下模板支撐體系準(zhǔn)確的反映了出來，豎向立桿和垂直剪刀撐剖面處的豎向內(nèi)力和水平方向內(nèi)力的實際變化規(guī)律。

圖3—圖6 主要反映的是，模板高支撐體系垂直剪刀撐的實際受力變化情況。從圖中我們可以真實的看出，內(nèi)外排剪刀撐在豎向和水平方向的軸力都明顯發(fā)生了變化，豎向方向和水平方向的軸力隨著水平荷載的不斷增加而增加。垂直剪刀撐底部1—5 點是不同的，在支撐體系的自重作用下，1—5 點主要表現(xiàn)為壓力，但是因為受到水平作用力的影響下，這種壓力會逐漸轉(zhuǎn)變成拉力，其支撐體系呈現(xiàn)出一種上拔的趨勢，同時與水平力作用截面之間的距離越近，這種垂直剪刀撐所受到的壓力會變現(xiàn)的越明顯。但是實際上，在澆筑混凝土的過程中，這種支撐體系壓力還與混凝土自重所產(chǎn)生的內(nèi)力存在密切聯(lián)系。

圖7 與圖8 主要反映的是水平荷載作用影響下支撐立桿軸力的實際變化情況，從圖中我們可以看出，只有在受到支撐體系自重的影響下立桿底部受到的是壓力，而在水平荷載的影響下，在X1和X2剖面(靠近水平力作用點)處立桿軸力所受到的壓力會出現(xiàn)下降的趨勢，所以此處立桿會呈現(xiàn)出上拔的狀態(tài)，并且上拔的程度會隨著水平荷載得到不斷增大，X3剖面(支撐體系中部)處軸力變化不明顯的情況下，剖面X4和剖面X5(遠(yuǎn)離水平力作用截面)處，立桿軸力會表現(xiàn)出增加的趨勢，這就說明了在水平作用之下，此處立桿會受到豎向力的作用(附加)。

因此，支撐體系中剪刀撐和各桿的受力情況在水平荷載作用的影響之下護受到很大的變化，還會產(chǎn)生一種附加的豎向軸力，在這樣的形勢下，立桿受到的軸力會存在更加的差異，特別是在較大水平荷載作用的影響之下，四部一些桿會表現(xiàn)出拉力，如果這時底部的約束不夠，局部桿很容易會出現(xiàn)傾覆的狀況，在水平荷載作用的影響下，一些桿的軸壓會發(fā)生明顯的增加，而且這種軸壓增加會越來越明顯，嚴(yán)重時甚至?xí)咕植織U件發(fā)生損壞，使整體受到損壞。

3 結(jié)語

綜上所述，通過以上實例分析我們可以了解到，水平荷載會對大梁兩端的支撐體系造成非常大的影響，一邊立桿(靠近水平力作用點)存在上拔趨勢，存在傾覆的危險，另外一邊的豎向軸力會增大，立桿會被壓壞，因此應(yīng)該在設(shè)計中優(yōu)化立桿的承載能力。

［1］張學(xué)智，章雪峰，應(yīng)義淼，等.混凝土結(jié)構(gòu)扣件式鋼管模板高支撐體系現(xiàn)場檢測和分析［J］.工業(yè)建筑，2011(1).

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［3］許可軍.論高支撐系統(tǒng)扣件式鋼管腳手架的安全控制［J］.科技信息，2011，2(23).