扣件式钢管模板支撑体系高宽比对稳定性影响研究扣件式钢管模板支撑体系高宽比对稳定性影响研究*扣件式钢管模板支撑体系高宽比对稳定性影响研究*刘莉1储诚明2武一3(1.沈阳建筑大学，沈阳110168；2.安徽省城乡规划设计研究院，合肥230012；3.中建八局天津公司，天津300450)摘要：根据试验情况建立扣件式钢管模板支撑体系有限元分析模型，通过试验数据与有限元分析结果对比，验证了有限元模型的正确性，进一步分析架体高宽比对支撑体系稳定性影响。研究表明：减小架体水平杆的步距可以提高支撑体系的屈曲荷载；随着架体高宽比的增加，屈服荷载明显下降，建议在施工中架体高宽比不应大于2，以小于1.5为宜。关键词：扣件式钢管模板支撑体系；屈曲分析；有限元分析；高宽比随着“一带一路”倡议的提出，国家基础设施建设得到大力发展。扣件式钢管模板支撑体系具有使用方便快捷、承载力高、整体刚度好等优点，目前已得到广泛应用。但是由于设计和搭设过程中存在许多不确定、不安全因素，导致该种支撑体系塌倒事故频频发生，严重影响了施工安全，造成生命和财产损失。国内外学者对模板支撑体系初始缺陷影响、混凝土浇筑顺序影响、立杆间距影响承载力计算方法等问题进行了研究[1-4]。但对扣件式钢管模板支撑体系稳定性影响因素缺少系统研究。本文通过有限元模拟，分析架体高宽比对屈曲荷载和失稳模态的影响，为相关规范的修订提供参考。1模板支撑体系有限元模型1.1ANSYS屈曲分析屈曲荷载是一个临界的荷载值，在屈曲荷载作用下，未达到材料强度之前，支撑体系开始变得不稳定。若临界荷载值再增加一个微小的量，则支撑体系平衡位置的形状将会发生很大的变化。特征值屈曲分析是以小位移、小应变线性理论为基础来预测一个理想弹性结构的理论屈服强度。有限元计算得出的屈曲系数与施加的外荷载乘积为屈曲荷载。1.2模板支撑体系有限元模型的建立1.2.1单元的选取本文采用ANSYS软件建立扣件式钢管模板支撑体系的有限元分析模型。采用Beam188单元模拟支撑体系中的立杆、水平杆、剪刀撑，Combin14单元模拟支撑体系中的节点半刚性连接。Beam188单元适用于分析细长的梁，能很好地应用于线性分析、大偏转、大应力的非线性分析。Combin14单元具有多维的轴向和扭转性能。轴向的弹簧阻尼器是具有一维的拉伸或者压缩的单元。不考虑弯曲或扭转。扭转的弹簧阻尼器是一个纯扭转单元。其每个节点具有3个自由度，x、y、z方向的旋转，不考虑弯曲或者轴向力。本文选用扭转弹簧阻尼器模拟所有杆件之间的连接，立杆底部边界条件为铰接。1.2.2半刚性节点的模拟杆件之间的连接通常有3种连接方式：刚性连接、半刚性连接、铰接。刚性连接节点可以承受和传递弯矩的作用。半刚性连接是一种介于铰接和刚性连接之间的一种连接方式，它可以承受和传递一定的弯矩。铰接不能承受和传递弯矩。本文在对扣件式钢管模板支撑体系建模时，支撑体系的上、下层立杆之间的连接为刚性连接。支撑体系的纵横向水平杆和立杆之间的连接、立杆和竖向剪刀撑之间的连接、水平杆和水平剪刀撑之间的连接均为半刚性连接。通过试验和模拟对比，本文半刚性连接转动刚度取15kN·m/rad。1.2.3计算模型的建立运用ANSYS有限元分析软件对3组试验模型进行模拟研究[5]。试验中对中间单根立杆加载，预载阶段施加2kN荷载，正式加载阶段，由千斤顶施加的每级荷载为10kN，每级荷载持续5min。当荷载达到30kN时，每级降为2kN，直至结构发生失稳破坏。钢管的外径为48mm，内径为42mm，弹性模量为2.06×105MPa,泊松比为0.3，密度为7.8×10-6kg/mm3。扫地杆距地面为200mm，立杆顶端伸出顶层水平杆长度为100mm。各模型立杆间距与水平杆步距见表1。表1立杆间距与水平杆步距mm试验模型立杆纵距立杆横距水平杆步距模型1120012001800模型2120012001350模型3120012009001.2.4试验结果与模拟结果对比分析三组试验模型失稳模态见图1。立杆屈曲荷载见图2。a—模型1；b—模型2；c—模型3。图1失稳模态示意图2立杆屈曲荷载由图1试验模型失稳模态可以看出，扣件式钢管模板支撑体系发生变形最大的位置是顶端伸出部位。无论水平杆的步距如何变化，总是支撑体系的顶层立杆伸出端的侧移最大...