高大模板支架模型試驗受力分析

張標，劉艷兵，孔令召，程樺

(1.濟寧市規劃設計研究院，山東 濟寧，272000；2.中藍地產發展集團有限公司青島分公司，山東 青島，266000；3.安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥，230601)

0 引言

合肥市渡江戰役紀念館船頭懸挑結構施工高大模板支架結構體系的搭設最高高度為40 m，該模板支架所能承受的總重量約為7500 t，該工程結構形式較復雜。目前由于支架體系設計或施工不當引起的坍塌事故[1-8]時有發生，為研究高大模板支架的受力分析[4]，為相似工程提供工程經驗，綜合考慮各種因素采用架體模型試驗，該試驗的幾何相似常數:SL=1/3。(綜合考慮各種因素，該試驗忽略剪刀撐的作用。)

1 試驗方案

1.1 試驗目的

由于渡江戰役紀念館結構形式復雜，為了確保模板支架體系的穩定與安全，進行縮尺模型試驗，通過試驗測量立桿軸力沿立桿分布受力規律和橫桿受力分析，研究模型的受力特點，為相似工程提供工程經驗。

1.2 試驗設計

原模板支架采用φ48×3.0鋼管，模板支架立桿縱、橫向距離均是600 mm，模型步距1200 mm。

試驗鋼管用 φ16×1.0(mm)焊接鋼管[9]，鋼管的彈性模量E的相似系數:SE=1。

立桿縱、橫向距離均是200 mm，模型步距400 mm，模型支架整體為 400 mm×400 mm×2067 mm，掃地桿高出地面67 mm，立桿頂外伸33 mm，模型詳見圖1。模型試驗桿件連接節點采用扣件里面加入45號鋼(兩個采用線切割成8 mm半圓孔)。

1.3 試驗內容

1.3.1 測立桿軸力

在模型的每層立桿中部布置應變片測立桿軸力，應變片位置詳見圖2、圖3，YE2539高速靜態應變測試系統采集試驗數據。

1.3.2 測橫桿應力

每一層橫桿中部貼應變片測其應力，應變片位置詳如圖2、圖3。

1.4 試驗加載方案

在模型的立桿頂以集中力的形式加載[10]，集中力通過二級分配梁使立桿頂均勻受力，加載分預加載和分級加荷。

(1)預加載:為確保試驗設備能進行正常工作，預加集中力:2.5 kN。

(2)分級加荷:每級加載2.5 kN；上一級穩定后(加載3 min左右，施加集中力變化控制在0.1%，否則，再加載3 min)，再加載下一級；注意模型變形，加到40 kN，整個架體發生失穩。

圖3 應變片在立桿、橫桿位置

2 試驗數據分析

2.1 試驗模型

該模型四周均未布設垂直剪刀撐，試驗模型詳見圖4所示。

2.2 立桿軸力試驗數據

該模型中測得各個立桿軸力，立桿應變片詳見圖2、圖3。立桿L1、L4、L5軸力詳見圖5～圖7。

根據實測各個立桿軸力，得出結論:

(1)在試驗模型發生失穩之前，該試驗立桿的力值從上到下基本沒有變化，直至加到40 KN時，各個立桿的軸力才發生較大的變化。

圖4 試驗詳圖

圖5 立桿L1測點軸力圖

圖6 立桿L4測點軸力圖

圖7 立桿L5測點軸力圖

(2)模型失穩無征兆，模型整體變形非常小，立桿呈S型變形，由于加載加大，模型整體扭轉失穩破壞。

3、模型失穩時，立桿軸力受力不同，最大軸力出現在中部立桿；各個立桿軸力相等，立桿軸力自上到下基本相等。

2.3 模型橫桿試驗數據

該模型中測得各個橫桿的應力，橫桿的應變片詳見圖2、圖3。以2、4、6層橫桿為研究對象，橫桿應力如圖8～圖10。

圖8 6層橫桿應力圖

圖9 4層橫桿應力圖

圖10 2層橫桿應力圖

根據測得的各橫桿軸力數據，可得以下結論:

(1)橫桿在加載中，各橫桿應力變化較小，在加載過程中，橫桿的承受力較小，橫桿上應力不是架體失穩的主要原因。

(2)橫桿所受應力為拉、壓應力，在加載過程中，模型產生了扭轉的變形，對模型整體穩定不利。

(3)加載時橫桿對立桿的協調變形效果不好，模型失穩時，橫桿應力較大跳躍，架體整體失穩時，橫桿對立桿約束效果比較好。

3 數值模擬分析

3.1 幾何模型建立

根據現場架體搭設方案:立桿橫距、縱距均為0.2 m，立桿步距0.4 m。

3.2 材料

鋼管 φ16×1.0 mm，彈性模量 E=2.06e11，密度7850 kg/m3。

3.3 計算結果分析

立桿與立桿的連接為剛接，橫桿與立桿的連接為半剛接，符合實際工程情況；本試驗未考慮初始缺陷。

經過3D3S數值模擬分析，得該模型的軸力、應變圖(圖11)。

圖11 立桿L5、L6、L9軸力、應變圖

3.4 數值模擬結論

通過試驗值與有限元計算值對比可知:

(1)從3D3S有限元進行的模擬結果，大部分架體立桿應力為95.56 MPa，最大112.47 Mpa發生在模型的立桿頂部，小于設計值205 MPa。這表明模型立桿所承受力安全儲備較大。

(2)有限元分析的荷載—軸力曲線成線性關系，且各個立桿上、中、下軸力值基本相等，與試驗結果相符。

(3)模型計算的荷載—軸力擬合曲線可看出:在各個立桿的頂端施加同樣大小的豎向荷載時，中間立桿的軸力要比邊緣立桿的軸力大，這與試驗結果相符。

4 結論

通過模型試驗，得如下結論:

(1)在模型失穩前，該試驗立桿的力值從上到下基本沒有變化；模型失穩無征兆，模型整體變形非常小，立桿呈S型變形，由于加載加大，模型整體扭轉失穩破壞。立桿軸力受力不同，最大軸力出現在中部立桿；各個立桿軸力相等，立桿軸力自上到下基本相等。

(2)橫桿在加載過程中，所受應力變化較小，并出現了拉、壓力。模型失穩時，橫桿對架體的立桿約束比較明顯。

(3)有限元分析的荷載—軸力曲線成線性關系，與試驗結果相符。

(4)模型計算的結果可看出:在立桿的頂端施加同樣大小的豎向荷載時，中間立桿的軸力要比邊緣立桿的要大，這與試驗結果相符。

(5)該模型試驗數據可為相似工程設計、施工提供工程經驗。