高大模板碗扣式高支撑体系节点位移模拟研究

孙建国

摘 要：碗扣式高支撑体系以其施工方便、承载力高、受力性能良好的优势，在施工中得到广泛应用。但是由于人们对该体系的认识不足，导致近年来我国许多地方模板支撑坍塌事故。文章以碗扣式高支撑体系为研究对象，以实际工程中碗扣式高支撑体系为背景，建立正确的有限元模型，模拟实际受力情况，分析高支撑体系变形情况，提高实际工程中高支撑体系的安全工作。

关键词：碗扣式；高支撑体系；节点位移

引言

随着我国建筑行业的高速发展，模板支撑架体系的应用越来越频繁和普遍，其中，碗扣式模板支架在高架桥梁和一系列高层建筑施工中得到了广泛应用。但是，然而模板支架本身的工程事故时常发生，究其原因，是由于设计计算错误、构配件质量问题、施工质量问题或者管理上的疏忽等方面造成的。哈尔滨工业大学刘宗仁教授提出扣件式钢管脚手架临界力下限计算法。认为扣件式钢管脚手架的纵向或横向水平杆与立杆用扣件连接的节点属于半刚性节点[1]。文章以阜新某工程为例，进行仿真分析。建立有限元模型，对模型加载，分析高支撑体系模型在施工荷载作用下体系中节点的位移值，确保工程中的高支撑体系安全可靠地工作。

1 高大模板支撑体系模拟分析

1.1 高大模板支撑体系概况

高大模板支撑体系是指搭设高度超过8m、支撑跨度超过18m、施工总荷载大于10kN/m2或集中线荷载大于15kN/m的模板支撑系统。在阜新乐天玛特超市工程中有一处已到达高大模板支撑规模。工程中C-F/8-11轴处顶板标高12.30米，下方为一层大厅大面，顶板模板支撑高度为12.15米，典型梁截面尺寸：4500mm×1000mm，跨长9.6米，梁底模板支撑高度11.15米。

1.2 半刚性框架理论

此种方法认为节点由于采用扣件连接而具有半刚性。在荷载作用下，扣件连接具有一定的转动刚度，且转动刚度与扣件的质量和拧紧程度密切相关，半刚性特点表现得非常明显。哈尔滨建筑工程学院徐崇宝教授等曾分别采用刚性和半刚性的扣件连接对双排扣件式钢管脚手架的整体稳定做过理论分析，发现按半刚性连接分析的理论值与试验值比较接近[2]。

1.3 高大模版支撑体系设计

以梁截面450mm×1000mm进行设计，设计参数如下：

模板：15mm厚多层板；梁侧：水平背楞为50×100木方，设置8道，间距150mm，端部为100×100木方；竖向钢楞为φ48.3×3.6双钢管，间距600mm设置；梁底：次龙骨为10×100木方，设置6道，间距200mm；托梁为φ48.3×3.6钢管，间距600mm设置；

立杆：梁两侧立杆间距1200mm，梁底加两根立杆顶撑，纵向按间距600mm设置钢管与两侧立杆拉结，并伸进梁两侧架体两跨，沿梁长方向设通长水平杆，水平杆竖向间距600mm一道；对拉螺栓：2根M16间距500设置，距梁底分别为200mm、400mm。预应力梁不适用穿梁PVC套管，所有对拉螺栓一次性投入，无法周转。沿梁方向间距600mm设置；斜撑：采用φ48.3×3.6与梁底横杆连接，间距按600mm设置。梁下采用φ48.3×3.6钢管设置剪刀撑，将梁底顶撑立杆与整体脚手架架体连接为一个整体；竖向由底到顶剪刀撑，剪刀撑的斜杆与地面夹角应在45°～60°之间，斜杆应每步与立杆扣接；梁两侧设置连续竖向剪刀撑[3]。

1.4 梁模板及支架计算

1.4.1 荷载组合

q1=1.2×（51.00+0.30）+1.4×2.0=64.30kN/m2（由荷载效应控制的组合产生的荷载设计值）

q2=0.30+51.00=51.30kN/m2（恒荷载标准值）

q3=1.35（51.00+0.30）+1.4×0.70×2.0=71.22kN/m2（永久荷载效应组合产生的荷载设计值）

永久荷载及可变荷载组合值最大，取36.79kN/m2进行计算。

1.4.2 面板

kN·m（按单跨简支梁模型

计算）

N/mm2<12.0N/mm2（木材抗弯强度

设计值）

mm>■=0.5mm

挠度验算，对结构表面外露的模板，其最大变形值不超过计算跨度的1/400。

1.4.3 龙骨

按简支梁计算：

kN·m

N/mm2<13.0N/mm2

mm<■=2.25mm

1.4.4 托梁

按简支梁计算：

kN·m

N/mm2<205N/mm2

mm<■mm=0.8mm

符合要求。

1.5 模型建立

以C～F轴交8～11轴中450mm×1000mm预应力梁下高支撑为例，运用ANSYS有限元软件建立碗扣式高支撑体系实体模型。有限元模型见图1。

分别在梁L/4、2L/4、3L/4跨度下方的三根附加立杆中设置测点，这三根立杆标高11.15m、7.55m、3.95m、1.2m上各设置一点，共计36个点作为研究对象，节点编号命名为1～36，节点下方的立杆编号命名为1-1～1-36。对高支撑体系模型进行加载，以模拟混凝土浇筑的情况，进而可以对加载后计算模型中测点的位移进行分析。

2 结果分析

对碗扣式高支撑体系模型进行加载，其中加载值P=24.2KN，加载后变形图见图2。碗扣式高支撑体系模型两次加载后各个测点竖向位移值见图3。

图3 模型中梁下测点竖向位移值

在图3中正值表示位移向下，表明碗扣式高支撑体系在加载过程中节点位移计算值远小于体系屈曲时节点位移值，这说明碗扣式高支撑体系在实际施工中节点位移值很小，没有达到高支撑体系屈曲时位移值，足以保证高支撑体系安全工作。

3 结束语

（1）高支撑体系模型在施工荷载作用下体系中节点的位移值数值模拟分析可行，依据半刚性理论，模拟效果较好。

（2）选取模型中梁下方关键部位的节点及杆件，通过对有限元模型加载，模拟施工中高支撑体系的受力情况，得出高支撑体系模型加载后节点的位移值没有超过高支撑体系模型屈曲情况下相应的数值，进而验证实际工程中高大模板支撑体系的安全性及稳定性，确保施工安全。

（3）碗扣式的基本构造与扣件式的模板构造除了节点构造外，基本一致。但是它们的稳定性不同，由上面对高支撑体系节点位移的研究，表明碗扣式高支撑体系的节点性能稳定。同时，碗扣式的模板支架在市场的份额呈递增趋势。

参考文献

[1]刘宗仁，涂新华，丁永胜.扣件式钢管脚手架临界力下限计算方法[J].建筑技术2001，2（5）：65-72.

[2]徐崇宝，黄宝魁.双排扣件式钢管脚手架工作性能的理论分析与试验研究[J].哈尔滨建筑工程学院学报，1989，22（2）：28-34.

[3]杜荣军.脚手架结构的稳定承载能力[J].施工技术，2001，30（4）：8-15.