基于ANSYS的扣件式钢管模板高支撑架计算模型_修改稿)

1基于ANSYS的扣件式钢管模板高支撑架计算模型陈海浪，王欢，张增峰，宋洁人（浙江大学建筑工程学院，浙江杭州，310058）TheCalculationModelofFasten-StyleSteelPipeHigh-ScaffoldingBasedonANSYSChenHailang,WangHuan,ZhangZengfeng,SongJieren(CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058)摘要：本文依据ANSYS有限元计算方法对扣件式钢管模板高支撑架模型进行了模拟计算和分析，考虑了各种施工因素对模板高支撑架的不利影响，得出了一些在搭设和使用模板高支撑架时应给予重视的分析结论。关键词：ANSYS，扣件式钢管架，模板高支撑架，半刚性节点，诱发荷载，计算模型Abstract:Thisarticlesimulatesandanalysesthemodeloffasten-stylesteelpipehigh-scaffoldingaccordingtothecalculationtheoryofANSYSfiniteelement,anddifferentconstructionparametersaretakenintoaccountwhichwouldcausedisadvantagestofasten-stylesteelpipehigh-scaffolding.Finallytheanalyticalresultisbroughtforwardwhichshouldbeconcernedduringtheconstructionanduseoffasten-stylesteelpipehigh-scaffolding.Keywords:ANSYS，fasten-stylesteelpipeframe，high-formworksupport，semi-rigiditynode，inducedload，calculationmodel1引言近些年来，随着我国城市建设的快速发展，在公共建筑中常遇到结构跨度和层高都比较大的梁板结构，如超高门厅、共享空间、多功能厅等顶部现浇混凝土楼盖的工程，在施工时就要用到模板高支撑支架。扣件式钢管模板支架是我国各类混凝土结构施工中最常用的模板支架体系之一，但是钢管构件之间是用扣件连接的，且搭设的方法又属于结构上的不稳定系统，至今还未曾有一种合适的理论计算模型来真实、准确的模拟和计算分析现场施工时模板高支撑架的受力情况。我国的工程技术人员在实际工程中也只是借鉴脚手架的计算方法对其进行设计，即对模板支架的立杆的计算长度L0作了一定的延长来保证立杆的稳定性，而且验算其稳定性也完全按照轴心受压构件来进行，因此，扣件式钢管模板高支撑架的稳定性难以保证。再加上组成高支撑架体系的构件质量难以保证，故而在工程中频繁发生高支撑架坍塌、人员伤亡的重大事故。所以，对扣件式钢管模板高支撑架的研究，还需要进一步地深入下去。本文通过对模板高支撑架的各种施工影响因素进行一定的合理简化，以形成不同的工况来进行施工模拟，施工影响因素如诱发荷载及其大小、扣件扭矩的大小和地基的不均匀沉降等；使用ANSYS有限元计算理论和方法来计算、分析及比较这些影响因素对扣件式钢管模板高支撑架稳定性的影响程度，以期从理论计算上能够得出一些结果，从而能给施工技术人员提供一些重要的参考。2计算模型的选用及建立过程对扣件式钢管支架，目前常见的计算模型有框架模型、排架模型和铰接架模型，其中框架模型是钢管支架计算中最直观的模型，因为支架立杆和横杆的连接节点采用不可旋转的直角扣件连接，其计算是按照空间框架结构形式进行的。但是理想的框架模型的计算值与实验2结果相比误差偏大，所以必须对该计算模型进行一些修正。实际上，在荷载作用下，扣件所连接的两根杆件之间微小的滑移是不可避免的，而且扣件的松紧程度也会对节点的性能产生很大的影响，因此笔者对节点进行了半刚性的处理，以其适应支撑架的实际工作情况。在荷载作用下，扣件结点具有一定的抗转动刚度且抗转动刚度与扣件的质量和拧紧程度密切相关。扣件半刚性特性的模拟是指扣件连接处弯矩—转角M-θ之间的关系，因而，半刚性连接在ANSYS有限元方法中可以用弹簧单元来模拟，在这里选用COMBIN7单元来模拟弹簧。如左图所示：COMBIN7单元是一个3-D的钉销（或弹簧）连接，它可以用来模拟计算模型中两个或者更多的部分在一个共同点上的连接。单元的特性包括：连接的柔性（或刚性）、摩擦、阻尼和一些可选择的特征。当局部坐标系固定时它具有较大的变形能力，而且会随着连接移动。COMBIN7单元在定义时，需要提供一个M-θ的关系和节点的初始刚度，在此，本文借鉴了下述试验结果。浙江大学结构工程研究所鲁征在其硕士论文中对直角扣件进行了抗扭试验，在不同的扣件螺栓拧紧力矩下进行了多组试验。鲁征依据试验结果，采用统计的方法，选择对数模型对不同的拧紧力矩下直角扣件弯矩M-θ关系进行了拟合：M=n×ln(1+Rkiθ/n)式中：n—形状参数Rki—初始刚度（单位：KN•m/rad）其中，对应不同的扣件螺栓拧紧力矩所得到的形状系数和初始刚度如下表：T（N•m）2030405060n1.1660.89510.74470.68770.6692Rki(KN•m/rad）16.8431.6546.8554.0771.27本文的ANSYS有限元模板高支撑架计算模型采用：24跨（X方向）×24跨（Y方向）×12步（Z方向）＝19.2m×19.2m×21.6m，其大小尺寸基本符合施工现场实际，具有一定的代表意义。ANSYS有限元计算模型在建立过程中，如图2、图3所示，笔者对施工现场的实际模板支架做了以下简化：图2模型支架正面图图3模型支架3维图3（1）荷载设置：模板高支撑架一般用于较大跨度结构，楼板的平均厚度较大。虽然梁处的荷载大于楼板的荷载，但实际工程中会采取在梁底加密立杆和其他的一些加固措施以抵御梁的荷载，故我们在建立此计算模型时不区分梁和楼板，而是取一个均布的荷载10KN/m2，即取板厚为400mm（其中包括楼板本身的厚度，考虑梁荷载较大而附加的一个荷载增量以及施工时的器械和人员荷载）。建立计算模型时，将此均布荷载进一步简化为集中荷载作用在每个节点上，大小为F=10KN/m2*0.8m*0.8m=6.4KN（考虑为高支撑模板支架，立杆间距密一点，此处取0.8m），方向竖直向下；同时在这些节点上，作用一力矩M=0.3392KN•m，以模拟支架节点的初始偏心影响（M=F×e=6.4×0.053=0.3392KN*m，其中e=53mm，为直角扣件纵横管的中心距），并且考虑到混凝土泵送管在泵送时产生水平诱发荷载的影响，模拟工程实际，在支架最顶层1/3跨位置（即x=y=19.2/3=6.4m，z=21.6m处）加了5F=32KN的水平力。（2）约束设置：施工现场，在模板支撑架底部，钢管立杆支撑于小垫板上；在高模架四周，竖向每隔2步、水平方向每隔3跨，用钢管（筋）把模架连接在预留的连墙件上。因此，在计算模型底部每个节点设置为铰接，即加UX、UY、UZ方向的约束；在模型的四周每隔2步3跨设置一个“连墙件”，并将这些“连墙件”简化为仅提供水平约束的铰接点。另外，由于在施工过程中，高模架四周结构最顶层的混凝土往往还不具备受力能力，故在计算模型顶部不设置相应的“连墙件”。（3）剪刀撑设置：按照规范要求分别设置竖向和水平剪刀撑。在计算模型四周每隔4跨4步设置一道竖向剪刀撑；每2步设置一道水平剪刀撑，纵横向每隔4跨设置一道。（4）节点设置：在ANSYS有限元计算模型中，各个杆件节点都设为半刚性节点进行模拟。模拟方法为：首先，在模型每一个节点处，都设有三个坐标相同的点，这些节点分别用于生成竖向杆单元、水平横向杆单元和水平纵向杆单元；然后，对这三个节点进行UX、UY、UZ的耦合；最后，假设每个节点扣件的扭矩都取T=40N•m，相应的K值为46.85KN•m/rad。（5）不考虑风荷载和地震荷载：模板高支撑架通常搭设于比较封闭的空间，因此可以忽略风荷载的影响。另外，在模板支架搭设期间发生地震是极小概率的事件，故地震作用亦不考虑。为了方便下面的分析，笔者将按上述要求建立的有限元计算模型定义为标准工况。其它的各种工况在标准工况的基础上进行单因素变化。3分析各种影响因素并对其进行计算模拟3.1刚性节点和半刚性节点模型比较哈尔滨建筑工程学院徐崇宝教授等曾分别采用刚性和半刚性的扣件连接对双排扣件式钢管脚手架的整体稳定性做过理论分析，发现用刚性连接计算的分析结果与临界荷载的试验值相比，要高出很多，而按半刚性连接分析的理论结果与试验值相比较为接近。半刚性节点方理论认为脚手架是由纵向、横向水平杆组成的多层多跨空间框架结构，节点由于采用扣件连接而具有半刚性，且抗扭转刚度与扣件质量和螺栓拧紧程度密切相关。下表为笔者在标准工况时，进行刚性节点模型和半刚性节点模型的ANSYS计算的结果。表3.1刚性结点模型响应和半刚性结点模型响应：工况最大位移（mm）最大转角(rad)最大轴力(N)最大剪力(N)最大弯矩(N•m)Y方向总位移X方向Y方向X方向Y方向刚性1.69862.19120.002394910168486.41486.41263.42264.74半刚6.32417.74900.019291285431139.71139.7674.52667.57数据4性比较3.7倍3.5倍8.05倍2~3倍通过表3.1可以看到，刚性节点模型的位移、转角、杆件内力都要比半刚性节点模型小得多，如果用刚性节点模型模拟模板高支撑架，将会产生比较大的误差。由此可见，半刚性假设比较符合扣件的实际情况。表中最大轴力的杆件为支架下部的杆件轴力。3.2对模板支架诱发荷载的分析所谓诱发荷载是指支撑系统在动荷载的瞬间作用下引发的如风荷载、输送混凝土泵管的水平冲力、混凝土震捣器的震动波对钢管立杆承压能力的削弱乃至扣件滑移与抗扭转的能力的降低等等。众所周知，一个物体突然施加在某个结构上时，即使这个物体本身没有多大的冲力，但引起的结构自身的微小变形所产生的结构内力要远比用静力计算方法所得的结果大。因此，不能忽视诱发荷载对模板支架稳定的影响。为了便于计算，将诱发荷载简化为不同大小的水平静力荷载，通过对四种不同大小的水平荷载下结构中内力的变化和位移来探讨诱发荷载是否会成为结构稳定的控制因素。下表3.2.1为计算模型经过ANSYS计算后得出的结果。工况A：不加水平力工况B：水平力大小为0.5F=3.2KN工况C：水平力大小为2F=12.8KN工况D：水平力大小为5F=32KN工况E：水平力大小为10F=64KN表3.2四种不同水平力作用下的模型响应：工况最大位移（mm）最大转角(rad)最大轴力(N)最大剪力(N)最大弯矩(N•m)Y方向总位移X方向Y方向X方向Y方向工况A5.6497.1980.019167270121133.11133.1670.66663.68工况B5.7167.2520.019180271651133.81133.8671.04664.07工况C5.9187.4150.019217276241135.71135.7672.2665.24工况D6.3247.7490.019291285431139.71139.7674.52667.57工况E7.0078.3210.019414300731146.31146.3678.39671.46比较无明显变化表3.2.2两种不同水平力作用下的作用点附近沿水平力方向各杆件的轴力比较：杆件1519715198151991520015201152021520315204工况A716.39283.75-144.95-577.26882.79451.3924.523-405.36工况D80627713.77397.67106.9-8795.1-9089.8-9413.8-9774.1D/A11倍27