金國輝,趙換云,郝增奎

1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010

2.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院,河北 石家莊 050000

風(fēng)荷載對扣件式鋼管高支撐架承載力的影響

金國輝1,趙換云1,郝增奎2

1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010

2.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院,河北 石家莊 050000

隨著越來越多的高大建筑工程的建造，施工過程中大跨度、高支撐體系的運(yùn)用隨處可見。目前，扣件式鋼管支模體系占據(jù)大多數(shù)，但針對高支撐架體系的安全規(guī)定尚未有明確的規(guī)范，針對高支撐體系的安全問題亟待解決。現(xiàn)有的對支撐體系承載力研究往往沒有考慮風(fēng)荷載的影響，文章在分析高支撐架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出了考慮風(fēng)荷載對扣件式鋼管高支撐架體系穩(wěn)定承載力的有限元分析，證實(shí)了風(fēng)荷載這一因素對扣件式鋼管高支撐架穩(wěn)定承載力的影響，為今后搭設(shè)扣件式鋼管高支撐架的設(shè)計(jì)提供有價值的參考。

風(fēng)荷載；扣件式鋼管；高支撐架

隨著我國綜合國力的不斷提升、現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，隨之而來的大跨度、大空間建筑的增多，施工過程中所需實(shí)用的模板支撐架的安全問題也日益突出。對于模板支撐，國內(nèi)大部分使用的是扣件式鋼管腳手架。施工單位對高度較低的支撐架搭設(shè)有比較成熟的經(jīng)驗(yàn)，但高大支撐架體系屬于危險性較大的部分分項(xiàng)工程，應(yīng)先編制相對應(yīng)的專項(xiàng)施工方案，但若對此種支撐架不編制或按照一般支撐架的設(shè)計(jì)，往往考慮有所缺失，給施工帶來重大安全隱患。因此，對扣件式鋼管高大模板支撐架承載力的研究已引起廣泛的關(guān)注與探討[1-5]。

國內(nèi)很多學(xué)者對此種支撐體系都進(jìn)行了一些理論或?qū)嶒?yàn)方面的研究：陸征然對扣件式鋼管滿堂支撐體系的整體受力性能進(jìn)行了研究，對直角扣件的轉(zhuǎn)動剛度進(jìn)行了有限元分析和試驗(yàn)研究[6]。張永春對作用于扣件式鋼管高支撐架的混凝土澆筑過程中產(chǎn)生的泵管脈沖力的動力反應(yīng)進(jìn)行了理論研究和有限元分析[7]。在實(shí)際中，自然因素產(chǎn)生的風(fēng)荷載對高支撐架也有一定的影響，而很多學(xué)者在對支撐體系研究過程中往往不考慮風(fēng)荷載的作用，因此，有必要對風(fēng)荷載作用于高支撐架的受力性能進(jìn)行深入研究。

1 有限元分析參數(shù)選取

本文建立桿縱橫間距48跨、步距8步的有限元模型。由于模板支架桿件之間是用扣件連接，縱橫向水平桿與立桿連接處桿件中心不在同一個節(jié)點(diǎn)上，按照J(rèn)GJ130—2011的搭設(shè)要求，建立各個桿件對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)有限元模型。桿件連接處的節(jié)點(diǎn)具有半剛性性質(zhì)，因此采用彈簧單元Combin14模擬扣件的半剛性性質(zhì)，支撐架模型的立體圖和立面圖如圖1，2所示。

圖1 扣件式鋼管支架模型Fig.1 The 3D model of fastener-type steel tubes

圖2 扣件式鋼管支模架模型的立面Fig.2 The vertical model of fastener-type steel tubes

按照規(guī)范要求模型鋼管截面采用外徑為48.3 mm、壁厚為3.6 mm的普通鋼管，屈服強(qiáng)度為235 MPa，彈性模量為2.06105MPa，密度為7.810-6kg/mm3，泊松比為0.3，彈簧剛度的取值參考文獻(xiàn)［8～10］中對于直角扣件剛度性質(zhì)的研究成果。

2 風(fēng)荷載對支撐體系承載力的影響分析

根據(jù)《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》JGJ 130—2011的要求，作用于腳手架上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)按下式計(jì)算：wk=μz·μs·w0

式中：

wk—風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值（KN/m2）

μz—風(fēng)壓高度變化系數(shù)，按照國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009規(guī)定取值，本文取1.0

μs—腳手架的風(fēng)載體型系數(shù)，按規(guī)范本文取0.1625

w0—基本風(fēng)壓值（KN/m2），按照國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009的規(guī)定取值，重現(xiàn)期取n=10，按照規(guī)范本文取0.35

故wk=μz·μs·w0=1.0×0.1625×0.35=0.057 KN/m2

對支撐架承載力進(jìn)行分析，首先定義模型的邊界條件，結(jié)構(gòu)與地面的約束為鉸接，豎向荷載作用于頂端節(jié)點(diǎn)上，風(fēng)荷載作用于一側(cè)面的節(jié)點(diǎn)上，不考慮偏心的影響，然后對結(jié)構(gòu)進(jìn)行考慮有初始缺陷的非線性有限元分析，以立桿縱橫間距為1.0 m、立桿間距為1.2 m、水平掃地桿設(shè)置高度為0.3 m、立桿頂端伸出高度為0.3 m為基本模型得出不同搭設(shè)參數(shù)條件下支撐架的承載力，結(jié)果如下。

2.1 不同縱橫間距的支撐架承載力

保持模型基本參數(shù)不變，只改變立桿縱橫間距，按照規(guī)范搭設(shè)要求立桿縱橫間距從0.4 m～1.2 m變化時考慮風(fēng)荷載與不考慮風(fēng)荷載的支撐架模型非線性有限元分析承載力如表1所示，不同搭設(shè)參數(shù)條件下支撐架承載力的變化趨勢如圖3所示。

表1 不同縱橫間距的支撐架承載力Table 1 The bearing capacity of support framework with different distances

從表1可以看出，相同搭設(shè)參數(shù)條件下，考慮風(fēng)荷載與不考慮風(fēng)荷載相比，支撐架的承載力下降了大約30%，結(jié)合圖1所示，無論是否考慮風(fēng)荷載的影響，支撐架承載力都隨立桿縱橫間距的增大而下降，但有風(fēng)荷載作用時，立桿縱橫間距為0.4 m時反而引起承載力的下降，間距為0.6 m～1 m時差別不大，考慮施工的方便適用、經(jīng)濟(jì)合理，建議搭設(shè)間距不宜大于1.2 m。

2.2 不同步距對支撐架承載力

保持模型基本參數(shù)不變，只改變立桿步距，按照規(guī)范搭設(shè)要求立桿步距從0.6 m～1.8 m變化時考慮風(fēng)荷載與不考慮風(fēng)荷載的支撐架模型非線性有限元分析承載力如表2所示，不同搭設(shè)參數(shù)條件下支撐架承載力的變化趨勢如圖4所示。

表2 不同立桿步距的支撐架承載力Table 2 The bearing capacities of support framework with different steps

圖3 支撐架隨立桿縱橫間距變化的承載力Fig.3 The change of bearing capacity with vertical and horizontal spaces

圖4 支撐架隨立桿步距變化的承載力Fig.4 The change of bearing capacity with steps

從表2可以看出，相同搭設(shè)參數(shù)條件下，考慮風(fēng)荷載與不考慮風(fēng)荷載相比，支撐架的承載力下降了大約25%～30%，最大下降了40.76%。結(jié)合圖4所示，無論是否考慮風(fēng)荷載的影響，支撐架承載力都隨立桿步距的增大而下降，并且在有風(fēng)荷載作用時，支撐架的承載力在隨著步距的增大時下降的更快。因此施工搭設(shè)時不宜搭設(shè)步距過大。

2.3 不同掃地桿設(shè)置高度對支撐架承載力

保持模型基本參數(shù)不變，只改變水平掃地桿設(shè)置高度，按照規(guī)范搭設(shè)要求水平掃地桿設(shè)置高度從0.2 m～0.9 m變化時考慮風(fēng)荷載與不考慮風(fēng)荷載的支撐架模型非線性有限元分析承載力如表3所示，不同搭設(shè)參數(shù)條件下支撐架承載力的變化趨勢如圖5所示。

表3 不同掃地桿設(shè)置高度的支撐架承載力Table 3 The bearing capacities of support framework with different heights

從表3可以看出，相同搭設(shè)參數(shù)條件下，考慮風(fēng)荷載與不考慮風(fēng)荷載相比，支撐架的承載力下降了大約25%～32%。結(jié)合圖4所示，無論是否考慮風(fēng)荷載的影響，支撐架承載力都隨水平掃地桿設(shè)置高度的增大而下降。

2.4 不同頂端伸出長度對支撐架承載力

保持模型基本參數(shù)不變，只改變立桿頂端伸出長度，按照規(guī)范搭設(shè)要求立桿頂端伸出長度從0.2 m～0.9 m變化時考慮風(fēng)荷載與不考慮風(fēng)荷載的支撐架模型非線性有限元分析承載力如表4所示，不同搭設(shè)參數(shù)條件下支撐架承載力的變化趨勢如圖6所示。

表4 不同頂端伸出長度的支撐架承載力Table 4 The bearing capacities of framework with different stretches on tops

圖5 支撐架隨掃地桿設(shè)置高度變化的承載力Fig.5 The changes of bearing capacities with floor tube heights

圖6 支撐架隨立桿頂端伸出長度變化的承載力Fig.6 The changes of bearing capacities with stretches on tops

從表4可以看出，相同搭設(shè)參數(shù)條件下，考慮風(fēng)荷載與不考慮風(fēng)荷載相比，支撐架的承載力下降了大約20%～27%。結(jié)合圖4所示，無論是否考慮風(fēng)荷載的影響，支撐架承載力都隨立桿頂端伸出長度的增大而下降，在不考慮風(fēng)荷載作用時，支撐架承載力隨頂端伸出長度的增長而下降的更快，風(fēng)荷載對頂端伸出長度的變化引起承載力變化的影響較小。

2.5 不同風(fēng)載對支撐架承載力

保持模型基本參數(shù)不變，只改變風(fēng)荷載作用的大小進(jìn)行模板支撐架模型的非線性有限元分析，得出相對應(yīng)的支撐架承載力如表5所示，相應(yīng)的變化趨勢圖如圖7所示。

表5 不同風(fēng)荷載作用下支撐架承載力Table 5 The bearing capacity of framework under different wind loads

圖7 支撐架隨風(fēng)荷載變化的承載力Fig.7 The changes of bearing capacities with wind loads

由表5和圖7可以看出，模型支撐架承載力隨風(fēng)荷載作用的增大而下降，并且下降速度較快。綜上所述，扣件式鋼管高支撐架承載力受到各種因素的影響。支撐架承載力與搭設(shè)參數(shù)、外界自然因素緊密相關(guān)，在施工過程中由支撐架承載力引起的安全問題應(yīng)引起我們的重視。

3 結(jié)論

（1）在自然界中，風(fēng)荷載對模板高支撐架的影響是不容忽視的，考慮具有初始缺陷的模板支撐架非線性有限元分析應(yīng)該計(jì)算這一因素對模板支撐架承載力的影響。

（2）在扣件節(jié)點(diǎn)半剛性的基礎(chǔ)上，對大量不同搭設(shè)參數(shù)條件下分別是否考慮風(fēng)荷載作用的影響進(jìn)行非線性有限元分析。從分析結(jié)果可以得出，考慮風(fēng)荷載的作用時，支撐架承載力比不考慮風(fēng)荷載作用時要低，說明了忽略風(fēng)荷載這一因素是偏于不安全的。

（3）對于考慮風(fēng)荷載作用的影響后，從得到的承載力變化趨勢圖中可以看出，支撐架承載力對立桿步距變化和水平掃地桿設(shè)置高度變化較為敏感，在實(shí)際施工過程中應(yīng)予以重視。

（4）風(fēng)荷載對模板高支撐架承載力的影響比較明顯，在多風(fēng)季節(jié)或者多風(fēng)地區(qū)施工應(yīng)予以考慮。

[1]陳志華,王 剛,劉紅波,等.扣件式鋼管支撐體系承載力影響分析[J].施工技術(shù),2015,44(2):96-101

[2]Peng JL,Yen T,Kuo CC,et al.Analytical and Experimental Bearing Capacities of System Scaffolds[J].Journal of Zhejiang University ScienceA,2009,10(1):82-92

[3]陳園卿,章雪峰,胡威詣.水平荷載作用下混凝土結(jié)構(gòu)扣件式鋼管模板高支撐體系受力分析[J].建筑技術(shù),2007,38(8):612-614

[4]宋建學(xué),史 瑞.腳手架扣件抗滑移試驗(yàn)及分析[J].建筑技術(shù),2011,42(10):937-938

[5]陸征然,陳志華,王小盾,等.扣件式鋼管滿堂支撐體系穩(wěn)定性的有限元分析及試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報,2012,45(1):49-60

[6]陸征然.扣件式鋼管滿堂支承體系理論分析與試驗(yàn)研究[D].天津:天津大學(xué),2010

[7]張永春.扣件式鋼管模板支架動力特性及抗倒塌研究[D].西安:長安大學(xué),2010

[8]胡長明,車佳玲,張化振,等.節(jié)點(diǎn)半剛性對扣件式鋼管模板支架穩(wěn)定承載力的影響分析[J].工業(yè)建筑,2010,40(2):20-23

[9]曹 深.扣件式鋼管模板支架節(jié)點(diǎn)半剛性受扭機(jī)制試驗(yàn)研究[D].西安:長安大學(xué),2011

[10]陳志華,陸征然,王小盾.鋼管腳手架直角扣件剛度的數(shù)值模擬分析及試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報,2010,43(9):100-108

TheEffectofWindLoadontheBearingCapacityofHighFramework FastenedwithSteelTubes

JIN Guo-hui1,ZHAO Huan-yun1,HAO Zeng-kui2
1.School of Civil Engineering/Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,China
2.School of Civil Engineering/Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050000,China

As more and more tall building engineering construction,the construction process of large span,the use of high support system can be seen everywhere.At present,the fastener type steel tube shuttering system make up the majority,but for high support frame system safety regulations are not yet have a clear standard,safety problems to be solved with high support system.Existing research often bearing capacity of support system without considering the influence of wind load, based on the analysis of high brace structure is proposed on the basis of considering the wind load of fastener type steel tube high brace system stability bearing capacity of the finite element analysis,confirmed the wind load this factor for fastener type steel tube high brace stable bearing capacity,the influence of the set-up of fastener type steel tube for the future high valuable reference for the design of support frame.

Wind load;the fastener type steel tube;high racks

TU14

:A

:1000-2324(2017)02-0219-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2017.02.011

2016-07-14

:2016-08-05

內(nèi)蒙古自治區(qū)安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局:礦山高大跨混凝土結(jié)構(gòu)高支模體系施工重大安全事故防治關(guān)鍵技術(shù)研究(2013-5-2)

金國輝(1966-),男,碩士,教授,研究方向:土木工程建造與管理.E-mail:jinguohuimba@163.com