扣件式鋼管模板支架搭設(shè)參數(shù)對穩(wěn)定性影響的研究

張裕星 薛瑜

1）陜西建工第三建設(shè)集團(tuán)有限公司710043 西安

2）陜西省建筑科學(xué)研究院 710082 西安

1、引言

隨著我國經(jīng)濟的進(jìn)步，具有架設(shè)與拆除快速便捷、較好的適應(yīng)性和經(jīng)濟性的扣件式鋼管模板支架的應(yīng)用量越來越大，應(yīng)用范圍也越來越廣。但實際工程中，普遍存在對支撐體系重要性認(rèn)識不足、重視不夠的現(xiàn)象，經(jīng)常按習(xí)慣經(jīng)驗搭設(shè)，導(dǎo)致支撐體系的設(shè)計與實際工況不相符。

調(diào)查結(jié)果顯示，發(fā)生事故誘因主要有：

(1) 材料原因。未使用規(guī)范規(guī)定的鋼管及扣件，且材料多是循環(huán)使用，腐蝕較為嚴(yán)重，致使材料性能下降。

(2) 設(shè)計原因。對支撐體系剛度及穩(wěn)定性驗算不足，同時在設(shè)計中進(jìn)行過于簡化，導(dǎo)致理論計算與實際情況差異較大。

(3) 施工原因。由于規(guī)范對相關(guān)搭設(shè)參數(shù)的要求相對簡略，使得一些技術(shù)人員不能恪盡職守的搭設(shè)支撐體系。

2、有限元模型的建立

目前理論已經(jīng)驗證扣件節(jié)點半剛性是影響支撐體系承載力的重要因素[1]，在此基礎(chǔ)上，本文選取了d值、立桿步距、a值三個因素作為搭設(shè)參數(shù)，分析其對扣件式鋼管模板支架穩(wěn)定承載力的影響。

2.1 單元類型的選取

為了較好的模擬扣件節(jié)點的半剛性，文中選擇combin14[2]彈簧單元模擬半剛性。采用beam188單元模擬立桿和水平桿，采用beam44單元模擬豎向和水平剪刀撐。

2.2 有限元模型的建立

鋼管均采用Q235結(jié)構(gòu)鋼，本構(gòu)關(guān)系為理想的彈塑性模型，各向同性，屈服強度為235Mpa，彈性模量2.06×106N/mm2，泊松比0.3。

扣件節(jié)點均采用半剛性節(jié)點，剪刀撐與立桿的連接采用鉸接，支架與地面鉸接，不考慮風(fēng)荷載、地震荷載及動力荷載的影響，同時對結(jié)構(gòu)由于多次使用及初始缺陷取為所加載豎向荷載的1.0%[3]。

有限元模型及材料的本構(gòu)關(guān)系如圖1、圖2所示。

表1 搭設(shè)參數(shù)水平值

圖3 模板有限元模型

3、穩(wěn)定承載力分析

3.1 立桿伸出頂層水平桿長度(a值)

從《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ130-2011)[4]中可知：a值對模板支架的計算長度有著非常大的影響，進(jìn)而對支架的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生決定性的作用，如式1所示。

式中：I0：立桿的計算長度；

K：計算長度附加系數(shù)，按《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ130-2011)相應(yīng)規(guī)定取值；

U：模板支架的步距；

A：考慮腳手架整體穩(wěn)定因素的單桿計算長度系數(shù)

a：立桿伸出頂層的距離。

同時規(guī)定立桿伸出頂層水平桿的長度a值不應(yīng)超過0.5m。

施工單位大多采用頂托來調(diào)節(jié)立桿a值，其長度為0.6m，搭建時將頂托插入立桿頂部，其托盤扣在大楞木下，使得頂托和立桿組成一軸壓桿件。但在實際搭設(shè)中，為了搭建的方便，a值大都超過了0.4m。

鑒于許多學(xué)者在對支撐架體系a值提出了不同的意見和建議，因此，本文將a值作為影響結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的重要搭設(shè)參數(shù)，從理論上探討a值對結(jié)構(gòu)的影響。

有限元計算結(jié)果如表2所示。

表2 a值對支架整體承載力的影響

從表2可知：隨著a值的增加，承載力逐漸的下降。a<0.2m時，下降的趨勢不明顯。當(dāng)a=0.2m時，承載力僅比a=0.0m時下降4.56%，下降幅度不明顯(不大于5%)，而當(dāng)a=0.3m時，下降幅度為8.72%，a>0.3m時，承載力大幅度下降。此時，支架的屈曲形式將會近似于懸臂立柱的屈曲模式，這就是為何a值越大，支架承載力下降幅度越大的原因所在。

《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ130-2011)[4]中6.9.1條規(guī)定：a值不應(yīng)超過0.5m，但模擬結(jié)果顯示，規(guī)范片面強調(diào)施工便利，而忽視了承載力的安全儲備。故本文認(rèn)為a值不宜超過0.2m，不應(yīng)超過0.3m，以保障模板支架具有足夠的安全性。

3.2 立桿伸出底層水平桿長度(d值)

將掃地桿長度設(shè)置為搭設(shè)參數(shù)對模板支架承載力影響的結(jié)果列于表3所示。

表3 d值對支架整體承載力的影響

從表3中可以看出：支架的整體穩(wěn)定承載力隨著掃地桿長度(d值)的逐漸增大而逐漸降低，但是從表3中可知，隨著掃地桿長度的不斷增大，支架體系的承載力變化幅度相對較小，都在5%以內(nèi)。

《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ130-2011)[4]中對掃地桿長度(d值)做了強制的規(guī)定：不應(yīng)大于0.2m。但綜合以上分析：在設(shè)置掃地桿時，現(xiàn)行規(guī)范尚有值得商榷的地方，本文建議將掃地桿長度(d值)的限制應(yīng)有所放松。

3.3 步距

通過對模板支架事故分析發(fā)現(xiàn)，為搭設(shè)方便，許多施工現(xiàn)場未按規(guī)范要求的步距搭設(shè)，從而造成支架坍塌事故層出不窮，故將步距作為影響結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的重要搭設(shè)參數(shù)，從理論上探討步距對結(jié)構(gòu)的影響。

將立桿間距作為一個搭設(shè)參數(shù)進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析的結(jié)果列于表4。

表4 立桿步距對支架整體承載力的影響

從表4可知，隨著步距的增大，支架的承載力呈總體呈減小的趨勢，但減小的幅度不斷縮小。這是由于當(dāng)步距達(dá)到一定的值后，水平桿對立桿的約束能力減小所致。

從表4中不難看出，步距1.2m時，支架的整體承載力105.11kN，比步距1.4m時，提高15.00kN，提高幅度為14.27%，比步距為1.8m時高出31.30kN，提高29.77%。可知：步距對支架承載力的影響十分明顯，這也是許多模板支架事故發(fā)生的一個重要原因。

《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ130-2011)[4]中第6.9.1條及其條文說明明確規(guī)定了步距不宜超過1.8m，本文認(rèn)為規(guī)范對于步距的限制過于寬松，應(yīng)將步距改為不應(yīng)大于1.8m。

4、結(jié)語

文中重點研究分析了掃地桿長度d值、立桿伸出頂層水平桿長度a值，步距三個搭設(shè)參數(shù)對模板整體承載力的影響，得出了一些有用的結(jié)論。

(1) 掃地桿的設(shè)置(d值)對模板支架整體承載力有很大的影響，隨著d值的增加，承載力逐步下降，但在d值不大于0.6m時，承載力下降不明顯。《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ130-2011)[4]對d值做了強制規(guī)定：不應(yīng)大于0.2m，但數(shù)值模擬分析的結(jié)果顯示，掃地桿的設(shè)置高度尚有商榷，建議將d值設(shè)置高度的限制應(yīng)有多放松。

(2) 立桿伸出頂層水平桿長度(a值)對承載力的影響非常明顯，《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ130-2011)[4]對a值的規(guī)定過于考慮施工便利，規(guī)定a值不應(yīng)超過0.5m，但分析結(jié)果顯示，規(guī)范沒有充分考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的安全儲備，故本文認(rèn)為a值的取值應(yīng)更嚴(yán)格限制，建議將a值的取值定為不宜超過0.2m，不應(yīng)超過0.3m，以保障模板支架具有足夠的安全性。

(3) 步距對模板整體承載力有很大影響，隨著步距增大，承載力逐漸減小，并且減小幅度有所緩和。研究認(rèn)為《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ130-2011)[4]對步距的最大限值應(yīng)有所降低，以保證結(jié)構(gòu)的安全，故本文建議應(yīng)將步距改為不應(yīng)大于1.8m。

參考文獻(xiàn)

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[4]《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ130-2011) 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會 文徑網(wǎng)絡(luò)：劉軍 呂琳琳 編輯 劉真 文徑 審核)