碗扣式鋼模板支架的穩定承載力分析

葉恒梅 胡凱 姜川

摘 要：近年來，碗扣式鋼模板支架在各類工程中被廣泛應用，本文在分析碗扣式鋼模板支架的基本構造、穩定參數、承載力計算方法及失穩類型的基礎上，對剛接碗扣式鋼模板支架與鉸接碗扣式鋼模板支架的穩定承載力進行了檢測分析與比較，并通過分析結果來指導碗扣式鋼模板支架的合理設計。

關鍵詞：碗扣式；模板支架；穩定承載力

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.024

1 碗扣式鋼模板支架的基本構造

進行碗扣式鋼模板支架的穩定承載力分析之前應掌握其基本結構，其核心構件是碗扣接頭，它由上碗扣、下碗扣、橫桿插頭和限位銷組成，如圖1所示。

碗扣式鋼模板支架的主要組成構件包括立桿、頂桿、水平桿、剪刀撐、底座，如圖2所示。立桿主要用來承受豎向荷載，并把荷載傳遞給底座，再由底座傳給地基。頂桿是立桿最上端連接可調頂托的部分，可將模架搭設成任意高度。水平桿有橫向和縱向水平桿，水平桿端部帶有碗扣接頭，不僅將各個桿件連接成一個受力的整體，還可以傳遞水平荷載。支架底部的水平桿稱為掃地桿，一般要求距地面20～30mm。剪刀撐有水平和豎向兩類，主要用來提高支架的整體穩定性和剛度。底座不僅將立桿傳來的荷載傳給了地基，而且通過擴大立桿的受力面積，可以防止架體不均勻沉降。

2 碗扣式鋼模板支架穩定參數及失穩分析

2.1 參數的計算

通過軟件分析碗扣式鋼模板支架的結構穩定性參數，且主要通過線性屈曲分析和非線性屈曲分析來獲取穩定性參數。

2.1.1 線性屈曲分析

2.2 碗扣式鋼模板支架失穩分析

結構失穩的類型根據不同性質可分為三類，第一類失穩是結構失穩時，雖然發生很大的變形，但不會出現新的變形形式，即平衡狀態不發生質的改變，其失穩時的荷載就是構件實際的極限荷載，故也稱極值點失穩。工程中大多數碗扣式鋼模板支架的失穩問題都屬于這類情況。第二類失穩稱平衡分岔失穩或分枝點失穩，是理想化情況，即荷載達到某個特定值時，除了原來的平衡狀態必定存在以外，可能還會出現另一個平衡狀態，這在數學處理上是求解特征值問題，故定義為特征值屈曲分析。第三類失穩稱為跳躍失穩，是當荷載達到某個特定的臨界值時，結構的平衡狀態會發生明顯的改變，突然過渡到一個非鄰近的具有很大位移的平衡狀態。綜上所述，研究各種情況下失穩的臨界荷載值是碗扣式鋼模板支架承載力檢測與分析的關鍵條件。

3 碗扣式鋼模板支架穩定承載力分析

3.1 檢測條件的確定

（1）單元選取：鉸接體系采用beam44，剛接體系采用beam188，半剛性體系采用beam188，立桿采用beam188，支撐體系采用link8。（2）約束條件：采用底部鉸接約束三個方向的平動自由度，頂部不施加約束。（3）節點處理：節點處理方法分鉸接、剛性和半剛性連接三種。下面針對連接點為剛接和鉸接這兩種情況進行設計模擬和承載力分析，分析采用前面所述的穩定性參數作為實驗條件。

3.2 節點為剛性連接的模板支架承載力分析

本文應用ANSYS軟件建立模板支架的整體模型并進行特征值屈曲分析，支架的豎桿與水平桿之間的連接為理想的剛性連接。模型設計：在支架底部，約束三個方向的平動自由度，利用beam188單元，頂桿高度為0.3m，立桿間距均為1.2m，掃地桿高度是0.3m，4×4跨，步距是1.2m，模型圖如圖3所示。然后通過特征值屈曲分析獲得屈曲荷載值與第一階模態，如圖4所示。屈曲承載力為 87.14 KN，由于支架頂部無約束，失穩模式為四分之一波失穩。根據靜力失穩時的豎桿應力云圖得到支架失穩時，豎桿仍處于彈性狀態，橫桿僅發揮支撐作用，且長度比豎桿小得多，故不分析。在非線性屈曲分析中不考慮材料的非線性，并將特征值屈曲第一階模態的 1/400作為初始缺陷，得到承載力-位移曲線，分析曲線。

可知，支架失穩有著明顯的分叉點，在模型中隨著調節施加的荷載、幾何缺陷和荷載步等的不同，其分叉點和曲線也不相同。模板支架失穩承載力大約為70 KN，經過與試驗結果對比發現假定剛性連接時的屈曲承載力值明顯偏高，支架易失穩而不安全。

3.3 節點為鉸接的模板支架承載力分析

假定模板支架的豎桿和水平桿之間的連接為理想的鉸接，豎桿之間仍然是剛接，采用ANSYS軟件建立支架的整體模型，并添加斜桿以保證其幾何不變性，然后進行特征值屈曲分析，得到屈曲荷載值為36KN，并得到第一階模態，其基本形式與節點為剛接時的情況一致。同理，這時的最大等效應力會遠小于桿件的屈服應力，桿件失穩時仍處于彈性狀態，故在非線性屈曲分析中可不考慮材料的非線性。將特征值屈曲第一階模態的 1/400作為初始缺陷，得到承載力-位移曲線，分析曲線可知，同樣是明顯的分叉點失穩，在模型中隨著調節施加的荷載、幾何缺陷和荷載步等的不同，其分叉點和曲線也不相同，但可判斷出失穩承載力為28KN，和試驗結果對比發現假定鉸接時的屈曲承載力值明顯偏小。

4 結語

通過以上分析可知，理想的鉸接不會傳遞彎矩，但理想的剛接是在夾角不改變的情況下傳遞彎矩。而實際情況是既傳遞彎矩，又會產生一定的轉角，這屬于中間狀態的半剛性節點。根據剛接非線性屈曲分析，支架的屈曲承載力比試驗結果大很多，而鉸接的特征值屈曲結果與試驗結果相差較小。所以，碗扣式鋼模板支架的節點形式更接近于鉸接，故按照鉸接的特征值屈曲結果和參數化建模方法進行碗扣式鋼模板支架的穩定承載力分析更為合理。

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作者簡介：葉恒梅（1983-），女，湖北黃石人，碩士，講師，研究方向：道路與橋梁工程。