碗扣式钢管模板支撑架结构及Midas建模计算

碗扣式钢管模板支撑架结构及Midas建模计算一、结构基本介绍1、碗扣式钢管脚手架分类碗扣式钢管脚手架分为两类：双排脚手架和模板支撑架。（1）双排脚手架即狭义的脚手架，是由内外两排立杆及大、小横杆、斜杆等构配件组成的脚手架，主要承受的荷载是人员、施工机具及设备、小型材料堆放等荷载，荷载通过脚手板传递给立杆，立杆受力是偏心受压。（2）模板支撑架即施工时所讲的支架，是由多排立杆及横杆、斜杆等构配件组成的支撑架，主要承受的荷载是上部现浇混凝土结构自重及其他施工荷载，荷载通过可调顶托传递给立杆，立杆受力是轴心受压。以下所讲的内容都是以模板支撑架为主进行介绍的，双排脚手架可以参考。图为2#风亭侧墙外侧双排脚手架(扣件式钢管脚手架，也可以用碗扣式)图为1仓顶板碗扣式钢管模板支撑架2、模板支撑架的基本结构碗扣式模板支撑架的基本结构：立杆、横杆、剪刀撑、可调底托、可调顶托。立杆，垂直于地面的竖直杆件，是模板支撑架的主要受力杆件，将上部结构所受荷载通过底部底托垫板传递给基础。横杆，平行于地面的水平杆件，包括纵向、横向横杆，主要起支撑、连接作用，增加模板支撑架的整体刚度。剪刀撑，成对设置的十字形交叉斜杆，包括水平、竖向剪刀撑，作用是将模板支撑架连接成整体，增加模板支撑架的整体稳定性。可调底托、顶托，通过丝杆上的螺母可调节支撑高度的托座，主要起传递荷载作用。模板支撑架的各个结构部位见后图所示。3、杆件间的连接（1）立杆连接立杆连接采用同轴心承插，立杆一端端头有10cm长，内径为52mm的套管，立杆之间或立杆与托座之间通过承插套管连接。（2）立、横杆连接立杆、横杆间通过碗扣连接。碗扣由上碗扣、下碗扣、横杆接头和限位销等组成。其中下碗扣和限位销直接焊在立杆上，连接时，把横杆接头插入下碗扣内，将上碗扣的缺口对准限位销后，压紧和旋转上碗扣，利用限位销固定上碗扣。碗扣接头最多可同时连接4根横杆。4、构造要求（《建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范》）（1）可调底托与顶托的丝杆与调节螺母的啮合长度不少于6扣，插入立杆内长度不少于15cm；（2）底层纵、横向横杆（扫地杆）距地面高度不大于35cm；（3）立杆上端顶托托板顶距顶层横杆的高度不大于70cm；（4）当立杆间距≤1.5m时，模板支撑架四周从底到顶连续设置竖向剪刀撑，中间纵、横向从底到顶连续设置竖向剪刀撑，间距不大于4.5m；（5）剪刀撑与地面间的夹角应在45°-60°之间，斜杆与立杆每步扣接；（6）模板支撑架高度大于4.8m，顶端和底部必须设置水平剪刀撑，中间水平剪刀撑间距不大于4.8m。上述几条是规范规定的模板支撑架的基本构造要求，编制方案及施工时仅遵守上述几条构造要求即可，相关人员提出的其他构造要求都是没有依据的。二、材料及力学性质介绍材料及力学性质主要目的是材料的进场检验及验收控制。1、材料特性钢管：材质为Q235A钢，截面Φ48×3.5mm（外径×壁厚），立杆长度为60cm的倍数，横杆长度为30cm的倍数，钢管的壁厚允许偏差为（0~0.25mm），立杆外套管与立杆间隙≤2mm，套管长度不得小于16cm，外伸长度不得小于11cm；上碗扣、可调底座、可调顶托：材质为可锻铸铁或铸钢，上碗扣应能上下串动、转动灵活；底托钢板厚度不得小于6mm，顶托钢板厚度不得小于5mm；上碗扣抗拉强度应不小于30KN,底座抗压强度不得小于100KN；下碗扣、横杆接头、斜杆接头：材质为碳素铸钢，下碗扣组焊后的剪切强度不应小于60KN，横杆接头剪切强度不应小于50KN，横杆接头焊接剪切强度不应小于25KN；2、截面、力学特性钢材的力学性质及截面特性见下表，强度设计值为强度验算的依据，截面特性为计算时运用的参数，也反映了材料的力学性能。三、模板支撑架结构与受力以1仓顶板模板支撑架为例进行分析。1、模板支撑架结构组成面板：18mm厚木胶板；次楞：50×100mm方木，顺线路方向布置，支撑面板，横向间距15cm；主楞：双拼Φ48×3.5mm钢管，垂直于线路方向布置，放着顶托托板上，纵向间距90cm；立杆：纵向间距90cm，横向间距60cm，纵向为顺线路方向，横向为垂直线路方向；横杆：步距120cm，步距为竖向距离；2、传力路径：面板→次楞→主楞→立杆→基础，面板、次楞、主楞是受弯构件，立杆是压弯构件。从上图可以看出：受弯构件承受的荷载位于垂直于轴线的纵向平面内，构件受力后的变形为竖向扰度，面板、次楞、主楞都是受弯构件；压弯构件承受的荷载是轴力和垂直于轴线的横向力，构件受力后的变形是横向屈曲，立杆即属于压弯构件。1、荷载、荷载效应、抗力、分项系数概念荷载是指直接施加在结构上的力，比如自重、风荷载。荷载效应S是指由荷载引起的效应，比如结构的内力、应力、变形等。抗力R是指结构本身承受效应的能力，比如承载能力、刚度、抗裂能力等。分项系数ϒ是指结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率（也可称为可靠度，但不同于容许应力设计法中的可靠度），通过概率统计方法得到。结构验算，要使其具备使用功能，就必须满足抗力能够承受效应，即：ϒ×S≤R对于模板支撑架结构而言，主要验算其强度（承载能力或抵抗破坏的能力）、刚度（抵抗变形的能力）、稳定性（抵抗失稳的能力）。当效应由不同的荷载控制时，效应计算用不同荷载乘以不同的分项系数累加。验算承载能力即强度时，恒载分项系数取1.2，活载分项系数取1.4；验算刚度时，恒载分项系数取1.0。四、结构验算相关概念2、荷载标准值作用在模板支撑架上的荷载分为以下5种：(1)模板支撑架自重标准值Q1，软件自动计算；(2)新浇钢筋混凝土自重标准值Q2，取25KN/m³（作用在面板上时转化为压力荷载为25×0.8=20KN/m2）；(3)施工人员及设备荷载标准值Q3，取1.0KN/m2；(4)浇筑和振捣混凝土时产生的荷载标准值Q4，1.0KN/m2；(5)风荷载标准值Q5，根据基本风压、地形取值，本工程不考虑。3、荷载效应组合（1）验算强度、稳定性：1.2×（Q1+Q2）+1.4×（Q3+Q4）（2）验算刚度：1.0×Q1+1.0×Q2五、模型建立及计算1、建立模型面板受弯，采用板单元；次楞、主楞为受弯构件，采用梁单元；立杆、横杆和斜杆为弯拉、压构件，也采用梁单元；钢管杆件之间连接均采用共节点连接；方木次楞与钢管主楞之间连接采用弹性连接；立杆底部节点约束x、y、z三向平动。建立模型如下图：1仓顶板模板支撑架实际结构1仓顶板模板支撑架实际结构2、输入荷载除了模板支撑架体系自重外，上部结构荷载都作用在面板上，输入面板承受的压力荷载，如下图所示。3、荷载工况组合荷载工况组合分两种情况：（1）强度验算；（2）刚度验算。查看结构内力、应力、支座反力时选择第一种组合；查看结构的变形时选择第二种组合。对于荷载分项系数的取值：强度验算时，恒荷载的分项系数取值1.2，活荷载分项系数取值1.4；刚度验算时，恒荷载分项系数取值1.0，如下图所示。4、查看结果（1）面板与方木次楞a.最大组合应力0.5N/mm2＜15.0N/mm2，强度满足要求；b.最大扰度0.64mm＜600mm/400=1.5mm，刚度满足要求；（木材抗压强度设计值fc：15N/mm2；抗弯强度设计值fm：17N/mm2；抗剪强度设计值fv：1.6N/mm2）（2）杆件a.杆件的最大组合应力为91.4N/mm2＜205N/mm2,杆件的强度满足要求；b.杆件的最大扰度为0.64mm＜600/400mm=1.5mm，杆件的刚度满足要求；(Q235A钢的抗弯、压、拉强度设计值f=205N/mm2)Midas中能将立杆、横杆、剪刀撑、主楞、次楞、面板分别激活查看其内力、应力及变形，此处为了简便，查看了杆件整体的计算结果。（3）立杆稳定性从图例中可以看出立杆承受的最大反力为23.22KN。立杆主要验算其在压力作用下的稳定性。在不考虑整体抗倾覆稳定性的情况下，细长压杆的稳定性问题是模板支撑架结构中最重要的一环，强度和刚度都能满足要求，稳定性不满足，结构仍然会失稳破坏，支架坍塌绝大部分都是稳定性不足或是失稳造成的。以下是一些支架失稳、坍塌的照片。a.压杆稳定性验算的意义压杆在压力作用下除产生压缩变形外，还产生附加弯曲变形，举一个最简答的例子，取一根30cm长的钢尺，对其顶端施加轴向力，钢尺会显著变弯，如果轴力很小，撤去轴力，变形就会消失，如果轴力足够大，则变形不会消失，此时即处于失稳状态，如下图所示。因此细长压杆的承载能力不取决于杆件的轴向压缩强度，而是取决于杆件横截面的抗弯刚度。保证压杆稳定性必须满足N/(ΨA)＜f,N为压杆所受的轴向力，Ψ为压杆的稳定性系数，A为受压杆件的截面积，f为材料的抗压强度设计值。b.压杆稳定性概念从图中可知单根立杆的最大轴向力N为23.22KN，立杆稳定性满足要求需要满足N/(ΨA)＜f根据《建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范JGJ166-2008》5.1.7条立杆的截面积A=4.89cm2，回转半径i=1.58cm；根据5.6.3条立杆的计算长度l0=h+2a=0.9+2×0.6=2.1m。计算长细比λ=l0/i=133＜230（立杆的最大允许长细比，规范5.1.4条），根据上述规范附录E，查得稳定系数Ψ=0.381。N/(ΨA)=23.22KN/(0.381×4.89cm2)=124.6N/mm2＜f（=205N/mm2）立杆的稳定性满足要求（f为立杆的抗压、弯强度设计值）。c.本例中立杆稳定性验算六、现场一些隐患上碗扣未落到位，影响整体结构稳定性（尤其是抗震），应该紧扣下碗扣，并被限位销锁紧。底托垫板部分悬空，垫板不能完全受力，而且会造成偏心受压，立杆容易失稳。立杆下部没有插入到底托丝扣内，容易造成偏心受压失稳。支撑架底部没有设置扫地杆。底托垫板部分破损，受力不均匀，集中受力容易造成基础混凝土表面裂缝。支撑架没有设置竖向剪刀撑，会降低横向刚度和支撑架稳定性。底托垫板未垫平，会造成偏心受压，稳定性降低顶托支撑脱空，造成支撑架整体受力不均