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盘扣式模板支撑架斜杆布置力学性能及经济性分析

2025-03-27 92 上传者：管理员

摘要：盘扣式模板支撑架因其较高的承载能力和安装效率，在实际工程中应用越来越广泛，斜杆作为支撑架结构的关键组成部分，对整体稳定性与承载力起着至关重要的作用。现有安全技术标准为斜杆布置设定了最低要求，但是过于严格的规范可能牺牲结构的实用性和经济效率。为在性能与成本之间寻找最优解，通过数值模拟的方法，构建了8个不同高度的模板支撑架的有限元模型，系统地考察了不同斜杆间隔对力学性能的影响。结果表明，斜杆的增加可以提高支撑架承载能力，但过密的斜杆布置可能降低其经济性。通过屈曲分析，发现整体稳定性是影响承载能力的关键因素。创新性地引入水平加强层的优化方式，发现在垂直斜杆与水平加强层的协同作用下，特别是在四周都实施此种组合时，可同时保证模板支撑架的力学性能及经济性。

关键词：
承载力
斜杆布置
水平加强层
盘扣式模板支撑架
经济性
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盘扣式模板支撑体系在建筑施工中展现出显著的优越性,这主要得益于其便利的安拆机制及出色的负荷承载能力[1-4]｡斜杆配置方式对支撑架的力学性能,包括承载力和刚度,具有决定性影响｡参照JGJ/T231—2021《建筑施工承插型盘扣式钢管脚手架安全技术规程》[5],斜杆的布置通常被规定为安全性的最低标准,但严格的规范也对支撑架的实用性和经济性构成了潜在的约束｡过于密集的斜杆布置可能会压缩工人的操作空间､降低施工效率,甚至对支撑架的经济效益产生负面影响｡于松平等[6]分别计算了6种竖向斜杆的布置情况,发现斜杆的布置方式不仅需参考支架搭设高度,更需根据所支撑对象荷载情况及所设计的支架单根承载能力进行选取,提高竖向斜杆的有效利用率,以保证支架承载能力｡李茂昆等[7]提出架体设计应优先保证稳定性,其次再考虑承载能力,主张支架单元设计时应优先控制高宽比,再根据荷载分布特点,选取合适的立杆间距｡严再春等[8]对60m的盘扣式作业脚手架结构进行多方案对比,发现控制结构高宽比是首要任务,在变截面处增加斜杆有助于减小构件应力,均衡结构内力分布｡然而,目前多数学者的研究仅停留在单因素参数阶段,未能在平衡安全､效率和成本等因素之后给出综合的优化建议｡

1、盘扣式模板支撑架斜杆的构造要求

JGJ300—2013《建筑施工临时支撑结构技术规范》[9]将模板支架整体分成框架式与桁架式,而盘扣式模板支架属于桁架式｡盘扣式模板支撑架的斜杆有别于框架式钢管脚手架的剪刀撑,可通过焊接在立杆上的连接盘,在同一步距和跨距内进行对角连接,并自底至顶连续布置,形成一跨垂直方向的桁架加强带[10]｡斜杆的布置可以起到约束构件局部位移的作用[11]｡

依据JGJ/T231—2021《建筑施工承插型盘扣式钢管脚手架安全技术规程》,盘扣式模板支撑体系根据架体的高度和立杆轴向力设计值,确定布置斜杆布置间隔｡

2、盘扣式模板支撑架斜杆验算模型

2.1有限元模型的建立

2.1.1构件的建立

根据验算支撑架模型参数建立有限元模型(图1),面板选用板单元,立杆选用梁单元,水平杆与斜杆选用桁架单元｡

2.1.2构件的链接

盘扣式模板支撑体系有限元模型的核心,在于精确地模拟立杆､水平杆及斜杆间的连接特性,三者通过连接盘插销连接,是一种介于铰接与刚接之间的一种半刚性连接状态｡根据已有的试验数据,模型中该类型节点的转动刚度为20kN·m/rad｡立杆间的连接设计采用内外套管机制,模型中将该类型节点设置为刚性连接｡

盘扣式模板支撑架由面板､小梁､主梁､立杆､水平杆､斜杆等构件组成,自上而下有序堆叠,形成了明确的传力路径｡在模型中,面板､小梁与主梁之间采取弹性连接方式,架体立杆底部与地面采用三向铰接的连接方式,进一步优化了结构的稳定性[12-15]｡

2.1.3模型的计算假定

模型的屈曲分析属于线性屈曲分析,用于在不考虑各构件的初始缺陷的条件下,求解桁架单元､梁单元或板单元构成的结构临界荷载系数[16-17]｡

2.2验算模型参数确定

模型立杆的纵向间距900mm､横向间距900mm,立杆步距为1500mm､立杆顶部步距为1000mm,支架可调托座支撑点至顶层水平杆中心线的距离为500mm,扫地杆离地高度200mm,小梁间距450mm｡面板选用20mm厚的木胶合板,小梁选用50mm×100mm的木长方形截面,主梁选用100mm×100mm×5mm的Q355方钢管,立杆､水平杆､斜杆选用Q355圆钢管,截面为⌀48mm×3.0mm｡根据JGJ/T231—2021《建筑施工承插型盘扣式钢管脚手架安全技术规程》的标准型支撑架竖向斜杆布置方式布置(表1)｡

图1验算支撑架有限元模型

表1标准型支撑架竖向斜杆布置形式

为覆盖表1内的间隔跨数和搭设高度,架体搭设宽度统一设置为13跨,即架体搭设宽度为11.7m,保持架体搭设宽度不变,共建立8个验算模型｡架体搭设高度分别为6.2､7.7､9.2､13.7､18.2､22.7､27.2､31.7m｡

2.3验算方法确定

由于模板支撑杆件为薄壁细长杆件,对杆件施加一定荷载后将产生相应的变形｡在此基础上,荷载会继续作用在已变形杆件上,导致二阶变形｡

利用屈曲分析研究结构在特定荷载下的稳定性,确定结构的失稳临界荷载,用以确定结构的临时承载力｡有限元软件的屈曲分析过程即求解静力平衡方程:

当[K+λKG]=0时,方程有特殊解｡按照特征值问题求解,得到λ值及其对应的特征向量,即结构的临界状态,λ为临界荷载系数,对应的特征向量为屈曲模态[18]｡

3、盘扣式模板支撑体系力学性能有限元分析

利用数值模拟的方法对模型进行屈曲分析,共设定9个屈曲模态,以第一阶屈曲模态作为结构的整体失稳状态,获得临界荷载系数,并将其作为评估支撑架临界荷载能力的关键指标,验算结果见表2｡

表2验算支撑架临界荷载系数代表值

对表2分析后可知,斜杆间距愈小,支撑架的临界荷载系数就愈大,支撑架的承载力也随之增大｡然而,承载力的提升与斜杆数量的增加是正相关的｡

斜杆布置间隔影响模板支撑架的经济性,可以通过对支撑架斜杆的增加率与临界荷载提高率进行验算,研究斜杆布置间隔影响模板支撑架经济性的影响｡

依据表2中的数据,逐一计算上述模型1~模型8斜杆间隔从3跨减小至2跨､再至1跨,直至每跨都布置斜杆,即斜杆数量增加25%､50%及75%时,支撑架临界荷载系数的提高率,计算结果见表3｡

表3验算支撑架斜杆的增加率与临界荷载系数提高率

分析表3数据可知,随着斜杆数目的逐步增加,支撑体系的临界荷载呈上升趋势｡然而,通过对比斜杆增加率从50%提升至75%的情况,可以得到临界荷载的提升幅度并未能完全匹配斜杆增加率的增幅,说明加密竖向斜撑虽能增强支撑结构的承载能力,但随着间隔的不断减小,其增强效果却呈下降趋势,只有选择合适的斜杆布置间隔,才能在保证承载力的前提下提高经济性｡

当减小斜杆布置间隔对支撑架的承载能力增强效果不能满足预期效果时,可考虑提高设置水平加强层｡在模型1~模型8中,通过在不同高度设置加强层来提升其整体稳定性｡具体来说,加强层的布置分为4种不同的方案:①方案一是在支架高度的1/2处,满布1层竖向斜杆;②方案二是在支架高度的1/3和2/3位置,各满布1层竖向斜杆;③方案三则是在支架高度的1/2处,沿该层四周布置竖向斜杆;④方案四是在支架高度的1/3和2/3位置,沿着这2层的四周分别布置竖向斜杆｡通过对上述4种布置方案进行详细的验算和对比分析,得到了如表4所示的验算结果｡

表4验算支撑架临界荷载系数代表值

由表4可知,设置加强层可显著提高架体的承载力;在1/3､2/3高度满布2个水平层的竖向斜杆作为加强层(方案二),对架体承载力的提升效果最为显著｡相较于在每跨都布置竖向斜杆,这种布置方式的承载力提升效果更优｡进一步对比不同竖向斜杆加强层的布置方式,发现在1/3､2/3高度沿四周布2层(方案四)对架体承载力的提升效果几乎等同于在架体1/2高度满布1层(方案一);且前者所需斜杆的数量远远小于后者｡因此,在设置加强层时,采取沿四周布置斜杆的方式对增强架体整体稳定性作用更加明显｡

4、结语

本文构建了8组不同高度的模板支撑架有限元模型,对间隔3跨､间隔2跨､间隔1跨及每跨布设斜杆时模板支撑架有限元模型的承载能力分别进行验算,得到以下结论:

1)整体稳定性是影响模板支撑架承载力的主要因素,验算支撑架临界荷载系数代表值可评估其承载力｡

2)通过加密斜杆,可增强支撑架的整体稳定性,进而提高承载能力;但随着间隔不断减小,增强效果却呈下降趋势,过密的斜杆布置也会导致经济性能下降｡

3)设置水平加强层可提高支撑架承载能力｡对水平加强层不同布置方案的模板支撑架模型进行验算,可得:在1/3､2/3高度满布2个水平层的竖向斜杆作为加强层,对架体承载力的提升效果最为显著;采取沿四周布置斜杆的方式对增强架体整体稳定性作用更加明显｡

参考文献:

[1]焦振新,王波,李振宇,等.盘扣悬挑式模板支撑系统技术研究[J].建筑技术,2023(23):2867-2870.

[2]郭子君,李万坤.平台法盘扣架模板支撑体系施工技术[J].建筑技术,2024(11):1292-1295.

[3]杨军伟,张友杰,李均,等.大型地铁停车场上盖结构平台板模板支撑体系设计及安装[J].建筑技术开发,2020(8):15-17.

[4]林斌兴.住宅项目盘扣架模板工程施工技术[J].散装水泥,2023(6):161-163,166.

[5]江苏省市场监督管理局,江苏省住房和城乡建设厅.建筑施工承插型盘扣式钢管脚手架安全技术规程:JGJ/T231—2021[S].北京:中国建筑工业出版社,2021.

[6]于松平,田明华.竖向斜杆对承插盘扣支架稳定性的影响研究[J].市政技术,2018,36(3):191-193.