葉恒梅 胡凱 姜川

摘 要：近年來，碗扣式鋼模板支架在各類工程中被廣泛應(yīng)用，本文在分析碗扣式鋼模板支架的基本構(gòu)造、穩(wěn)定參數(shù)、承載力計(jì)算方法及失穩(wěn)類型的基礎(chǔ)上，對剛接碗扣式鋼模板支架與鉸接碗扣式鋼模板支架的穩(wěn)定承載力進(jìn)行了檢測分析與比較，并通過分析結(jié)果來指導(dǎo)碗扣式鋼模板支架的合理設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：碗扣式；模板支架；穩(wěn)定承載力

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.024

1 碗扣式鋼模板支架的基本構(gòu)造

進(jìn)行碗扣式鋼模板支架的穩(wěn)定承載力分析之前應(yīng)掌握其基本結(jié)構(gòu)，其核心構(gòu)件是碗扣接頭，它由上碗扣、下碗扣、橫桿插頭和限位銷組成，如圖1所示。

碗扣式鋼模板支架的主要組成構(gòu)件包括立桿、頂桿、水平桿、剪刀撐、底座，如圖2所示。立桿主要用來承受豎向荷載，并把荷載傳遞給底座，再由底座傳給地基。頂桿是立桿最上端連接可調(diào)頂托的部分，可將模架搭設(shè)成任意高度。水平桿有橫向和縱向水平桿，水平桿端部帶有碗扣接頭，不僅將各個(gè)桿件連接成一個(gè)受力的整體，還可以傳遞水平荷載。支架底部的水平桿稱為掃地桿，一般要求距地面20～30mm。剪刀撐有水平和豎向兩類，主要用來提高支架的整體穩(wěn)定性和剛度。底座不僅將立桿傳來的荷載傳給了地基，而且通過擴(kuò)大立桿的受力面積，可以防止架體不均勻沉降。

2 碗扣式鋼模板支架穩(wěn)定參數(shù)及失穩(wěn)分析

2.1 參數(shù)的計(jì)算

通過軟件分析碗扣式鋼模板支架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性參數(shù)，且主要通過線性屈曲分析和非線性屈曲分析來獲取穩(wěn)定性參數(shù)。

2.1.1 線性屈曲分析

2.2 碗扣式鋼模板支架失穩(wěn)分析

結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的類型根據(jù)不同性質(zhì)可分為三類，第一類失穩(wěn)是結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)，雖然發(fā)生很大的變形，但不會(huì)出現(xiàn)新的變形形式，即平衡狀態(tài)不發(fā)生質(zhì)的改變，其失穩(wěn)時(shí)的荷載就是構(gòu)件實(shí)際的極限荷載，故也稱極值點(diǎn)失穩(wěn)。工程中大多數(shù)碗扣式鋼模板支架的失穩(wěn)問題都屬于這類情況。第二類失穩(wěn)稱平衡分岔失穩(wěn)或分枝點(diǎn)失穩(wěn)，是理想化情況，即荷載達(dá)到某個(gè)特定值時(shí)，除了原來的平衡狀態(tài)必定存在以外，可能還會(huì)出現(xiàn)另一個(gè)平衡狀態(tài)，這在數(shù)學(xué)處理上是求解特征值問題，故定義為特征值屈曲分析。第三類失穩(wěn)稱為跳躍失穩(wěn)，是當(dāng)荷載達(dá)到某個(gè)特定的臨界值時(shí)，結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)會(huì)發(fā)生明顯的改變，突然過渡到一個(gè)非鄰近的具有很大位移的平衡狀態(tài)。綜上所述，研究各種情況下失穩(wěn)的臨界荷載值是碗扣式鋼模板支架承載力檢測與分析的關(guān)鍵條件。

3 碗扣式鋼模板支架穩(wěn)定承載力分析

3.1 檢測條件的確定

（1）單元選取：鉸接體系采用beam44，剛接體系采用beam188，半剛性體系采用beam188，立桿采用beam188，支撐體系采用link8。（2）約束條件：采用底部鉸接約束三個(gè)方向的平動(dòng)自由度，頂部不施加約束。（3）節(jié)點(diǎn)處理：節(jié)點(diǎn)處理方法分鉸接、剛性和半剛性連接三種。下面針對連接點(diǎn)為剛接和鉸接這兩種情況進(jìn)行設(shè)計(jì)模擬和承載力分析，分析采用前面所述的穩(wěn)定性參數(shù)作為實(shí)驗(yàn)條件。

3.2 節(jié)點(diǎn)為剛性連接的模板支架承載力分析

本文應(yīng)用ANSYS軟件建立模板支架的整體模型并進(jìn)行特征值屈曲分析，支架的豎桿與水平桿之間的連接為理想的剛性連接。模型設(shè)計(jì)：在支架底部，約束三個(gè)方向的平動(dòng)自由度，利用beam188單元，頂桿高度為0.3m，立桿間距均為1.2m，掃地桿高度是0.3m，4×4跨，步距是1.2m，模型圖如圖3所示。然后通過特征值屈曲分析獲得屈曲荷載值與第一階模態(tài)，如圖4所示。屈曲承載力為 87.14 KN，由于支架頂部無約束，失穩(wěn)模式為四分之一波失穩(wěn)。根據(jù)靜力失穩(wěn)時(shí)的豎桿應(yīng)力云圖得到支架失穩(wěn)時(shí)，豎桿仍處于彈性狀態(tài)，橫桿僅發(fā)揮支撐作用，且長度比豎桿小得多，故不分析。在非線性屈曲分析中不考慮材料的非線性，并將特征值屈曲第一階模態(tài)的 1/400作為初始缺陷，得到承載力-位移曲線，分析曲線。

可知，支架失穩(wěn)有著明顯的分叉點(diǎn)，在模型中隨著調(diào)節(jié)施加的荷載、幾何缺陷和荷載步等的不同，其分叉點(diǎn)和曲線也不相同。模板支架失穩(wěn)承載力大約為70 KN，經(jīng)過與試驗(yàn)結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)假定剛性連接時(shí)的屈曲承載力值明顯偏高，支架易失穩(wěn)而不安全。

3.3 節(jié)點(diǎn)為鉸接的模板支架承載力分析

假定模板支架的豎桿和水平桿之間的連接為理想的鉸接，豎桿之間仍然是剛接，采用ANSYS軟件建立支架的整體模型，并添加斜桿以保證其幾何不變性，然后進(jìn)行特征值屈曲分析，得到屈曲荷載值為36KN，并得到第一階模態(tài)，其基本形式與節(jié)點(diǎn)為剛接時(shí)的情況一致。同理，這時(shí)的最大等效應(yīng)力會(huì)遠(yuǎn)小于桿件的屈服應(yīng)力，桿件失穩(wěn)時(shí)仍處于彈性狀態(tài)，故在非線性屈曲分析中可不考慮材料的非線性。將特征值屈曲第一階模態(tài)的 1/400作為初始缺陷，得到承載力-位移曲線，分析曲線可知，同樣是明顯的分叉點(diǎn)失穩(wěn)，在模型中隨著調(diào)節(jié)施加的荷載、幾何缺陷和荷載步等的不同，其分叉點(diǎn)和曲線也不相同，但可判斷出失穩(wěn)承載力為28KN，和試驗(yàn)結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)假定鉸接時(shí)的屈曲承載力值明顯偏小。

4 結(jié)語

通過以上分析可知，理想的鉸接不會(huì)傳遞彎矩，但理想的剛接是在夾角不改變的情況下傳遞彎矩。而實(shí)際情況是既傳遞彎矩，又會(huì)產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)角，這屬于中間狀態(tài)的半剛性節(jié)點(diǎn)。根據(jù)剛接非線性屈曲分析，支架的屈曲承載力比試驗(yàn)結(jié)果大很多，而鉸接的特征值屈曲結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差較小。所以，碗扣式鋼模板支架的節(jié)點(diǎn)形式更接近于鉸接，故按照鉸接的特征值屈曲結(jié)果和參數(shù)化建模方法進(jìn)行碗扣式鋼模板支架的穩(wěn)定承載力分析更為合理。

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作者簡介：葉恒梅（1983-），女，湖北黃石人，碩士，講師，研究方向：道路與橋梁工程。