超高大跨度脚手架支撑体系施工力学性能研究

王勇培

（浙江工商职业技术学院，浙江 宁波 315012）

超高大跨度脚手架支撑体系施工力学性能研究

王勇培

（浙江工商职业技术学院，浙江 宁波 315012）

以某商业楼大型舞台的脚手架支撑体系为研究对象，采用现场实测和有限元模拟分析的方法，研究了施工过程中超高大跨度脚手架支撑体系的动力和静力性能特征，得出一些有用结论，可以更好的指导超高大跨度脚手架的设计与施工。

超高大跨度；脚手架体系；施工动力；现场实测；有限元

近年来，模板支撑体系倒塌事故呈逐年增加的趋势，而“高度超过8m，或跨度超过18m，施工总荷载大于10kN/m2，线荷载大于15kN/m”的高大模板支撑体系占了倒塌事故总数的98%，高支模架的施工力学行为引起工程界的广泛关注。其实，只要能保证高支模架的稳定性、强度和刚度，并保证其在混凝土浇筑过程中不变形、不位移，就可以避免施工过程倒塌事故的发生。文章以某超高大跨度脚手架支撑体系为研究对象，探讨该类脚手架在自重、施工荷载、风荷载等因素共同作用下的力学性能，以期为该类支撑体系的设计与施工提供参考。

1 工程概况

某商业楼为框剪结构，高度72m，地上19层，地下2层，总建筑面积近50000m2。在该办公楼地上一层夫人轴线18～21/R～U轴处有一个平面轴间尺寸为18m×18m、净高为15m的架空空间，今后作为大型汇演舞台用，屋面板厚150mm。舞台屋顶混凝土浇筑所需的模板支撑体系属于超高大跨度结构，对施工安全和搭设质量要求很高，施工单位组织技术力量编制了、并组织专家论证通过的专项施工方案如下：

现浇150mm厚屋面板的支撑板为18mm厚九夹板。九夹板用钉子固定在50mm×70mm方木上，方木间距为200mm一道。方木搁置在钢管横楞上。钢管横楞用扣件固定在钢管立杆上，立杆间距为纵横向不大于750mm（按平面图布置立杆间距一般为650mm，在柱旁和梁底部按250mm进行加密）。在支撑系统中梁板在超高部分中间设置16道纵横水平拉杆，并设置7道水平剪刀撑，步距为1.5m一道，但在大梁二侧的立杆必须设置剪刀撑，与地面夹角为45-60度。立杆基础为地下室顶板，顶板厚度为200mm，地下室底板支模架不拆除。具体如图1和图2所示。

图1 脚手架体系平面布置图

图2 脚手架体系搭设效果图

2 脚手架体系的施工动力性能现场监测

2.1 脚手架施工监测方案

为了及时掌握超高大跨度脚手架支撑体系在施工过程中的动力特性，项目组采取现场实测脚手管动力特性的方法。测量的设备和耗材有：XL2118C静态应变仪、位移计、笔记本电脑、电阻应变片、导线和环氧树脂等。

经过讨论，认为舞台支模体系的结构和受力均对称，故只取1/4面进行监测，并分析得出S轴和20轴交叉处L形处的受力和挠度变形最大，应作为重点监测部位，共有立杆10根。根据压杆受力特点，每根立杆沿高度方向分别在柱底、1/3L、2/3L、柱顶4个位置贴应变片共计40个，监测其应力应变的变化情况，应变监测点布置如图3所示。

图3 监测点布设平面示意图

应变和挠度监测自高支模架搭设完毕开始，直到混凝土浇筑完毕并养护48小时结束，共计50小时。

2.2 数据处理

根据采集的应变和挠度数据，现场绘制部分监测点的应变随时间变化图如图4所示。

图4 典型监测点的应变（位移）随时间变化图

2.3 应力计算和分析

2.3.1 该脚手架体系具有足够的安全性。

在混凝土浇筑过程及浇筑后的监测中，脚手架的竖杆应变值波动较大，但对数据处理后所得应力值较小，最大压应力值为77.2N/mm2，具体计算为：

由采集的数据得出最大的压应变在35监测点，ε=-377×10-6，由公式 σ=Eε，求出应力值。

其中，σ—监测点的应力，单位为N/mm2；

E—钢材的弹性模量，其值为 2.05×105N/mm2；

ε—监测点的微应变。

相应的应力为 σ=Eε=2.05×105×（-377）×10-6=-77.2N/mm2≤310N/mm2

显然，本脚手架支撑体系在自重和各种施工荷载作用下，具有足够的安全储备。

2.3.2 从应变-时间图来看，脚手架管的应变随施工过程的变化而变化，在第24小时（模板支撑到位）和第48小时（混凝土浇筑完毕）时，曲线有突变现象，应重点监控该时间段的脚手架内力和变形变化情况，避免了支撑体系因突然受重荷而失稳破坏。

3 脚手架体系的有限元分析

有限元分析是对真实结构的数值近似，对大型结构物尤其是复杂的、多次超静定结构的动精力计算十分有效。ANSYS软件是目前国际上面向工程领域的大型通用有限元软件之一，具有强的前、后处理器和图形处理功能。针对已获得的脚手架支撑体系的动力监测结果，本文运用ANSYS12.0有限元软件对超高大跨度脚手架支撑体系进行模拟计算分析，并将计算结果与监测结果进行对比分析。

3.1 建立有限元计算模型

3.1.1 基本假定

以尽量与现场监测的脚手架体系相符为原则，建模时作如下基本假定：

（1）立杆、扫地杆等杆件之间的连接作半刚性连接处理；

（2）立杆与支座、拉杆与连墙件的连接作铰接处理。

3.1.2 材料和单元属性

其中，材料属性：鉴于实际工程中采用普通Q235脚手架管，外径48mm，内径45mm，壁厚3mm。运用ANSYS分析时，采用可以将钢材由单向拉伸得到的应力-应变曲线理想化，本文采用文献[24，31]推荐的考虑流幅的三折线模型作，其中屈服强度为fy=235Mpa，极限强度为fu=310Mpa，弹性模量为E=2.06×105Mpa，εy=0.114%，εu=5.02%，泊松比为 0.3。

而屈服准则：考虑Bauschinger效应，脚手架钢管屈服适用随动强化屈服准则。随动强化条件规定，材料在进入塑性以后，加载曲面在应力空间作刚体移动，而其形状、大小均保持不变。假定屈服面的大小保持不变而仅在屈服的方向上移动东，当某个方向的屈服应力升高时，其相反方向的屈服应力应降低。

单元属性：脚手架钢管采用PIPE16单元。该单元为弹性直管单元，是一种可用于承受拉、压、弯、扭的单轴受力单元。该单元在每个节点有六个自由度，即x、y、z三个方向的线位移和绕x、y、z三个轴的角位移，可用于计算应力硬化及大变形的问题，通过一个相容切线刚度矩阵的选项用来考虑大变形的分析。在本计算模型中，用PIPE16单元来模拟立杆、横杆、斜杆和扫地杆等。经过网格划分后的有限元计算模型如5所示。

3.1.3 约束和荷载输入

第一，施加约束

在底座x-y平面内，约束x向最外一侧的底支座的UX、UY和UZ，共约束19个底座；其余底座均约束UZ，共约束342个。

在x-z和y-z平面内，按照连墙件“两步三跨”的设置原则，并结合现场连墙件的安装情况，分别约束x、y方向的位移，即分别为UX和UY。

第二，荷载计算和输入

模板（kN/m2） 0.3主楞（kN/m） 0.033次楞（kN/m） 0.01支架（kN/m） 0.15梁侧模板自重标准值（kN/m2） 0.5新浇筑混凝土自重标准值（kN/m3） 24.0钢筋自重标准值（kN/m3） 梁1.5板1.1施工人员及设备荷载标准值（kN/m2） 1.5模板及支架自重标准值振捣混凝土时产生的荷载标准值（kN/m2） 2.0风荷载标准值（kN/m2） 0.44

经过荷载组合之后，直接施加到计算模型的上节点（NODES）上；并在 ANSYS 中输入重力系数（gravity=9800），ANSYS会根据模型特征自动计算脚手架体系的自重。

图5 脚手架有限元计算模型

图6 施工过程脚手架应力图（z向）

3.2 有限元分析

经过ANSYS计算，经后处理器输出的经换算的模型z向应力图如图6所示。显然，有限元计算的轴应力最大值为74.015Mpa，与现场实测值的误差为4%，吻合较好。

从图6中可以看出该脚手架支撑体系具有明显的核心柱效应，变形趋势与混凝土轴心受压试件破坏的特征相类似。之所以产生这样的趋势，主要是有两个原因，一时由于该模型的长宽高尺寸相差不大，类似一个立方体试件，其次是由于立柱、横杆、斜撑等杆件的间距小，密度分部均匀。这显然是有利于整个支撑体系的受力和变形。

4 结论

通过对上述模型的现场实测和有限元模拟分析，可以得出如下结论：

（1）按常规尺寸设计的超高大跨度脚手架支撑体系可以满足施工荷载（含自重）的承载要求，但是该类脚手架体系的稳定性需要通过优化脚手架结构形式（以对称为宜）、加密水平和竖向斜撑、强化连墙件的设置等措施来实现。

（2）从图4可以看出，脚手架体系的轴力随施工荷载的变化而变化。其中，当脚手架支撑体系受到钢筋模板铺设、混凝土浇筑等短期动荷载作用时，曲线图产生了较大突变，此阶段应作为超高大跨度脚手架体系的重点设计和施工监测阶段。

（3）从图6可以看出，在各类施工动荷载的作用下，结构对称性强、杆件密度大（以不小于700为宜）的脚手架支撑体系表现出明显的核心柱效应，对于承受自重、施工动载等表现出良好的性能。

[1]王雪艳，梅源，欧阳斌.AHP和模糊综合评判在高支模体系安全评估中的应用[J].建筑安全，2010，（2）：16-20.

[2]佘步银，郭正兴.高支模架结构安全策略思考及设计方法[J].工业建筑，2011，（1）：1-5.

[3]赖辉普.大跨度高支模技术在建筑工程中的应用[J].四川建筑，2010，（4）：159-161.

[4]刘永标.门式钢管脚手架稳定承载力的有限元分析[J].科技向导，2011，（9）：68-69.

[5]张朝晖.ANSYS 12.0结构分析工程应用实例解析[M].北京：中国铁道出版社，2010.

【责任编辑：熊荣生】

On Construction Mechanics Performance of Ultra-high Span Scaffolding System

WANG Yong-pei
（Zhejiang Business Technology Institute， Ningbo 315012， China）

Field measurement and FEA has been conducted to a large stage scaffolding system of a commercial building.The dynamic and static performance characteristics of ultra-high span scaffolding system in construction have been concluded， which can better guide the design and construction of ultra large-span scaffolding.

ultra-high span； scaffolding system；construction dynamic； field measurement； FEA

TU755.2

A

1671-9565（2014）01-093-04

2014-02-23

王勇培（1959-），男，浙江宁波人，浙江工商职业技术学院教师，主要从事基建管理方面研究。