混凝土结构扣件式钢管模板高支撑体系整体受力研究

■崔 丽 ■江苏邗建集团有限公司，江苏 扬州 225100

扣件式钢管模板是我国建筑施工中比较常见的一种支撑体系，其使用率已经达到使用总量的80%，随之使用时间的延长，使用过程中的问题也逐渐凸显出来，模板高支撑体系的坍塌事故随着支撑架搭设增高而增多。以某综合楼工程为例，在该工程建设期间就曾经出现一起模板支撑体系倒塌事故，该综合楼的支撑架高度当时已经超过了25m，高度的问题无疑是导致事故发生的主要原因。我们通过对模板高支撑体系倒塌事故的原因进行分析可以发现，高空支模支撑体系的侧向变形能力很弱，所以在水平荷载的影响之下就会对稳定性造成破坏。由此看来，对于模板高支撑架的受力性进行研究是非常必要的，这样建立起的计算模型就可以对模板支撑架的实际受力情况进行正确的反映，减少甚至避免类似安全事故的发生。

1 为何会出现水平荷载

由扣件式钢管搭设而成的模板支撑体系作为偏心受压构建，在高空支模的过程中，因为搭设时会存在一定的偏差，进而会对立杆产生一种水平的作用力，高空支模风荷载往往会带来很大的水平荷载。在运送混凝土的途中，泵管会出现相应的水平冲力，在浇筑混凝土的过程中，振捣器会出现水平方向上的振动力，这些因素都是致使水平荷载的影响因素。除了上文中介绍的几种原因之外，路径选择也是水平荷载产生的一种主要原因，在对称浇筑路径作用的影响下，大梁变形也会呈现出对称的形态，大梁变形是不会产生支撑体系水平力的，但是在不称建筑的混凝土路径作用影响下，大梁不容易产生变形，这样大梁本身的竖向自重荷载就会对支撑体系产生一种水平的推力，因此在浇筑混凝土的过程中，水平方向的内力就会始终存在于支撑架内部。但是模板支撑体系中饼里有关于水平荷载的部分，并没有将其列入《规范》中，而只是提出支撑体系中斜杆构造上的一些要求，并未要求对斜杆进行相应的力学计算。为了对水平荷载与支撑体系之间存在的关系进行研究。本文通过ANSYS 有限元软件建立起模板的支撑体系整体三维模型，进行相应的有限元分析。

2 通过有限元法对模板高支撑体系整体受力状况进行分析

2.1 有限元模型的建立

首先，选择pipe16 管单元对钢管支撑架进行模拟，其参照取值以实际使用的钢管参数为依据。然后，通过对solid65 单元的利用对钢筋混凝土进行模拟，钢筋的配筋率采用实际设计值，混凝土弹性模量等相关参数主要以早龄期混凝土的相关性质作为参照。

2.2 实例分析

上文中提到的大型综合楼中的A 区6 成楼面15—18 轴/F 轴—H轴线区域，也就是中心剧场的观众席上空，共有2 根梁，梁的截面尺寸是600mm×2200mm，跨度为32.5m，与地面之间的距离是30m，高支撑体系主要采用扣件式钢管模板，立杆搭设的高度为30m，支撑立杆的步间距和梁长方向都是400mm，沿着高度方向通过水平剪刀每隔二排水平支撑杆就设置为一道，在水平面中进行连续的设置。

2.2.1 模拟水平荷载

在整体支撑体系的有限元模型中，先不用对大梁的竖向荷载作用进行考虑，在自身自重作用下对支撑体系产生影响，再将水平压力F 施加在大梁的一端，对支撑体系所受水平荷载的影响进行进一步的研究，f 的取值为0.5kN/m2，10kN/m2，20kN/m2，50kN/m2，如图1 所示，X1的剖面与大梁左端之间的距离是1.2m，X2剖面与大梁左端之间的距离是8.4m，X3剖面与大梁左端之间的距离是16.4m，X4剖面与大梁左端之间的距离是25.2m，X5剖面与大梁左端之间的距离是32.4m。在整个大梁支撑体系中，将两排垂直剪刀撑布置在梁侧，剪刀撑底部杆件的编号如图2 所示。

图1 模板支撑体系在水平荷载作用下示意图

图2 模板支撑体系中垂直剪刀撑布置示意图

2.2.2 有限元计算

图3—图8 将水平荷载作用下模板支撑体系准确的反映了出来，竖向立杆和垂直剪刀撑剖面处的竖向内力和水平方向内力的实际变化规律。

图3—图6 主要反映的是，模板高支撑体系垂直剪刀撑的实际受力变化情况。从图中我们可以真实的看出，内外排剪刀撑在竖向和水平方向的轴力都明显发生了变化，竖向方向和水平方向的轴力随着水平荷载的不断增加而增加。垂直剪刀撑底部1—5 点是不同的，在支撑体系的自重作用下，1—5 点主要表现为压力，但是因为受到水平作用力的影响下，这种压力会逐渐转变成拉力，其支撑体系呈现出一种上拔的趋势，同时与水平力作用截面之间的距离越近，这种垂直剪刀撑所受到的压力会变现的越明显。但是实际上，在浇筑混凝土的过程中，这种支撑体系压力还与混凝土自重所产生的内力存在密切联系。

图7 与图8 主要反映的是水平荷载作用影响下支撑立杆轴力的实际变化情况，从图中我们可以看出，只有在受到支撑体系自重的影响下立杆底部受到的是压力，而在水平荷载的影响下，在X1和X2剖面(靠近水平力作用点)处立杆轴力所受到的压力会出现下降的趋势，所以此处立杆会呈现出上拔的状态，并且上拔的程度会随着水平荷载得到不断增大，X3剖面(支撑体系中部)处轴力变化不明显的情况下，剖面X4和剖面X5(远离水平力作用截面)处，立杆轴力会表现出增加的趋势，这就说明了在水平作用之下，此处立杆会受到竖向力的作用(附加)。

因此，支撑体系中剪刀撑和各杆的受力情况在水平荷载作用的影响之下护受到很大的变化，还会产生一种附加的竖向轴力，在这样的形势下，立杆受到的轴力会存在更加的差异，特别是在较大水平荷载作用的影响之下，四部一些杆会表现出拉力，如果这时底部的约束不够，局部杆很容易会出现倾覆的状况，在水平荷载作用的影响下，一些杆的轴压会发生明显的增加，而且这种轴压增加会越来越明显，严重时甚至会使局部杆件发生损坏，使整体受到损坏。

3 结语

综上所述，通过以上实例分析我们可以了解到，水平荷载会对大梁两端的支撑体系造成非常大的影响，一边立杆(靠近水平力作用点)存在上拔趋势，存在倾覆的危险，另外一边的竖向轴力会增大，立杆会被压坏，因此应该在设计中优化立杆的承载能力。

［1］张学智，章雪峰，应义淼，等.混凝土结构扣件式钢管模板高支撑体系现场检测和分析［J］.工业建筑，2011(1).

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