高大模板支架模型试验受力分析

张标，刘艳兵，孔令召，程桦

(1.济宁市规划设计研究院，山东 济宁，272000；2.中蓝地产发展集团有限公司青岛分公司，山东 青岛，266000；3.安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥，230601)

0 引言

合肥市渡江战役纪念馆船头悬挑结构施工高大模板支架结构体系的搭设最高高度为40 m，该模板支架所能承受的总重量约为7500 t，该工程结构形式较复杂。目前由于支架体系设计或施工不当引起的坍塌事故[1-8]时有发生，为研究高大模板支架的受力分析[4]，为相似工程提供工程经验，综合考虑各种因素采用架体模型试验，该试验的几何相似常数:SL=1/3。(综合考虑各种因素，该试验忽略剪刀撑的作用。)

1 试验方案

1.1 试验目的

由于渡江战役纪念馆结构形式复杂，为了确保模板支架体系的稳定与安全，进行缩尺模型试验，通过试验测量立杆轴力沿立杆分布受力规律和横杆受力分析，研究模型的受力特点，为相似工程提供工程经验。

1.2 试验设计

原模板支架采用φ48×3.0钢管，模板支架立杆纵、横向距离均是600 mm，模型步距1200 mm。

试验钢管用 φ16×1.0(mm)焊接钢管[9]，钢管的弹性模量E的相似系数:SE=1。

立杆纵、横向距离均是200 mm，模型步距400 mm，模型支架整体为 400 mm×400 mm×2067 mm，扫地杆高出地面67 mm，立杆顶外伸33 mm，模型详见图1。模型试验杆件连接节点采用扣件里面加入45号钢(两个采用线切割成8 mm半圆孔)。

1.3 试验内容

1.3.1 测立杆轴力

在模型的每层立杆中部布置应变片测立杆轴力，应变片位置详见图2、图3，YE2539高速静态应变测试系统采集试验数据。

1.3.2 测横杆应力

每一层横杆中部贴应变片测其应力，应变片位置详如图2、图3。

1.4 试验加载方案

在模型的立杆顶以集中力的形式加载[10]，集中力通过二级分配梁使立杆顶均匀受力，加载分预加载和分级加荷。

(1)预加载:为确保试验设备能进行正常工作，预加集中力:2.5 kN。

(2)分级加荷:每级加载2.5 kN；上一级稳定后(加载3 min左右，施加集中力变化控制在0.1%，否则，再加载3 min)，再加载下一级；注意模型变形，加到40 kN，整个架体发生失稳。

图3 应变片在立杆、横杆位置

2 试验数据分析

2.1 试验模型

该模型四周均未布设垂直剪刀撑，试验模型详见图4所示。

2.2 立杆轴力试验数据

该模型中测得各个立杆轴力，立杆应变片详见图2、图3。立杆L1、L4、L5轴力详见图5～图7。

根据实测各个立杆轴力，得出结论:

(1)在试验模型发生失稳之前，该试验立杆的力值从上到下基本没有变化，直至加到40 KN时，各个立杆的轴力才发生较大的变化。

图4 试验详图

图5 立杆L1测点轴力图

图6 立杆L4测点轴力图

图7 立杆L5测点轴力图

(2)模型失稳无征兆，模型整体变形非常小，立杆呈S型变形，由于加载加大，模型整体扭转失稳破坏。

3、模型失稳时，立杆轴力受力不同，最大轴力出现在中部立杆；各个立杆轴力相等，立杆轴力自上到下基本相等。

2.3 模型横杆试验数据

该模型中测得各个横杆的应力，横杆的应变片详见图2、图3。以2、4、6层横杆为研究对象，横杆应力如图8～图10。

图8 6层横杆应力图

图9 4层横杆应力图

图10 2层横杆应力图

根据测得的各横杆轴力数据，可得以下结论:

(1)横杆在加载中，各横杆应力变化较小，在加载过程中，横杆的承受力较小，横杆上应力不是架体失稳的主要原因。

(2)横杆所受应力为拉、压应力，在加载过程中，模型产生了扭转的变形，对模型整体稳定不利。

(3)加载时横杆对立杆的协调变形效果不好，模型失稳时，横杆应力较大跳跃，架体整体失稳时，横杆对立杆约束效果比较好。

3 数值模拟分析

3.1 几何模型建立

根据现场架体搭设方案:立杆横距、纵距均为0.2 m，立杆步距0.4 m。

3.2 材料

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

3.3 计算结果分析

立杆与立杆的连接为刚接，横杆与立杆的连接为半刚接，符合实际工程情况；本试验未考虑初始缺陷。

经过3D3S数值模拟分析，得该模型的轴力、应变图(图11)。

图11 立杆L5、L6、L9轴力、应变图

3.4 数值模拟结论

通过试验值与有限元计算值对比可知:

(1)从3D3S有限元进行的模拟结果，大部分架体立杆应力为95.56 MPa，最大112.47 Mpa发生在模型的立杆顶部，小于设计值205 MPa。这表明模型立杆所承受力安全储备较大。

(2)有限元分析的荷载—轴力曲线成线性关系，且各个立杆上、中、下轴力值基本相等，与试验结果相符。

(3)模型计算的荷载—轴力拟合曲线可看出:在各个立杆的顶端施加同样大小的竖向荷载时，中间立杆的轴力要比边缘立杆的轴力大，这与试验结果相符。

4 结论

通过模型试验，得如下结论:

(1)在模型失稳前，该试验立杆的力值从上到下基本没有变化；模型失稳无征兆，模型整体变形非常小，立杆呈S型变形，由于加载加大，模型整体扭转失稳破坏。立杆轴力受力不同，最大轴力出现在中部立杆；各个立杆轴力相等，立杆轴力自上到下基本相等。

(2)横杆在加载过程中，所受应力变化较小，并出现了拉、压力。模型失稳时，横杆对架体的立杆约束比较明显。

(3)有限元分析的荷载—轴力曲线成线性关系，与试验结果相符。

(4)模型计算的结果可看出:在立杆的顶端施加同样大小的竖向荷载时，中间立杆的轴力要比边缘立杆的要大，这与试验结果相符。

(5)该模型试验数据可为相似工程设计、施工提供工程经验。