1、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）The Calculation Model of Fasten-Style SteelPipe High-Scaffolding Based on ANSYSChen Hailang, Wang Huan, Zhang Zengfeng, Song Jieren (College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University,Hangzhou 310058)摘 要：本文依据 ANSYS 有限元计算
2、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: This article simulates and analyses the model of fasten-style steel pipe high-scaffolding according to the calculation theory of ANSYS finite element, and different construc
3、tion parameters are taken into account which would cause disadvantages to fasten-style steel pipe high-scaffolding. Finally the analytical result is brought forward which should be concerned during the construction and use of fasten-style steel pipe high-scaffolding.Keywords: ANSYS，fasten-style stee
4、l pipe frame，high-formwork support，semi-rigidity node， induced load，calculation model1 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
5、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
6、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2与实验结果相比误差偏大，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
7、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-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-的
8、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-关系进行了拟合：M=nln(1+Rki/n)式中：n形状参数 Rki初始刚度（单位：KNm/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） 20 30 40 50 60n 1.166 0.8951 0.7447 0.6877 0.6692Rki(KNm/rad） 16.84 31.65 46.85 54.07 71.
9、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 19.2m21.6m，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：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
10、，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=6.4 KN（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=0.3392K Nm ，以模拟支架节点的初始偏心影响（M=Fe=6.40.053=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
11、.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
12、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=40Nm，相应的 K 值为 46.85KNm/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
13、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图 2 模型支架正面图 图 3 模型支架 3 维图43.1 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
14、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：最大位移（mm） 最大剪力(N) 最大弯矩(N m)工况 Y 方向 总位移最大转角(rad)最大轴力(N) X 方向 Y 方向 X 方向 Y 方向刚性 1.6986 2.1912 0.0023949 10168 486.41 486.41 263.42 264.74半刚性 6.3241 7.7490 0.019291 28543 1139.7 1139.7 674.52 667.57比较 3.7 倍 3.5 倍 8.05 倍 23 倍通过表 3.1 可
15、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
16、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：最大位移（mm ） 最大剪力(N) 最大弯矩(N m)工况 Y 方向 总位移最大转角(rad)最大轴力 (N) X 方向 Y 方向X 方向Y 方向工况
17、 A 5.649 7.198 0.019167 27012 1133.1 1133.1 670.66 663.68工况 B 5.716 7.252 0.019180 27165 1133.8 1133.8 671.04 664.07工况 C 5.918 7.415 0.019217 27624 1135.7 1135.7 672.2 665.24工况 D 6.324 7.749 0.019291 28543 1139.7 1139.7 674.52 667.57数据数据5工况 E 7.007 8.321 0.019414 30073 1146.3 1146.3 678.39 671.46比较
18、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15197 15198 15199 15200 15201 15202 15203 15204工况 A 716.39 283.75 -144.95 -577.26 882.79 451.39 24.523 -405.36工况 D 8062 7713.7 7397.6 7106.9 -8795.1 -9089.8 -9413.8 -9774.1D/A 11 倍 27 倍 51 倍 12 倍 10 倍 20 倍 384 倍 24 倍XYZ15978159201520153204水 平 力 作用 点 位 置从
19、表 3.2 可以看出，不同的水平力对支架的最大位移影响不大，整个支架的最大内力也无明显变化；但是在水平力施加位置的周边杆件，内力相差很大，比如工况 D 下水平力作用点附近沿水平力方向杆件轴力工况 A 下普遍增加了 10 倍以上。水平荷载的影响在其作用位置附近最大，随着杆件远离水平力的作用位置，其内力变化也逐渐减少，这种情况值得引起重视，实际工程中应加强混凝土水平泵管作用点处周边的杆件以防支架局部失稳。3.3 对模板支架中水平和竖直剪刀撑的重要性分析在施工规范中要求模板支架纵横方向每隔四个柱距设置一道剪刀撑。但是在实际施工过程中，施工人员总以为这只是一种构造措施，并没有引起足够的重视。根据力学分
20、析，在受到水平荷载作用时支架剪刀撑承担了一部分的内力，但是剪刀撑具体的受力情况以及重要程度都没有得到详细的分析。笔者在计算模型中设置了不同剪刀撑的组合，通过对ANSYS 计算结果的分析比较，来说明水平剪刀撑和竖向剪刀撑对模板支架的影响。工况 A：标准工况（即按本文中前面所述的同时设置竖向剪刀撑和水平剪刀撑）工况 B：只设置竖向剪刀撑，不设水平剪刀撑工况 C：竖向剪刀撑和水平剪刀撑都不设表 3.3.1 不设水平剪刀撑单因素分析：最大位移（mm ） 最大剪力 (N) 最大弯矩(N m)工况 Y 方向 总位移最大转角(rad)最大轴力(N) X 方向 Y 方向 X 方向 Y 方向工况 A 6.324
21、1 7.749 0.019291 28543 1139.7 1139.7 674.52 667.57工况 B 6.5427 6.5558 0.031472 25331 1832.6 1832.6 962.79 1047（B/A ） 103% 85% 163% 89% 161% 161% 143% 157%通过对工况 B 和工况 A 的计算分析比较，可以看到，不设水平剪刀撑时的杆件内力普遍比设有剪刀撑时高出很多，可见水平剪刀撑对于减小内力具有非常重要的作用。故在实际施工中，模板高支撑架的水平剪刀撑必须引起工程施工人员的足够重视，切莫因贪图方便或者节约成本而取消设置。表 3.3.2 竖直剪刀撑单因
22、素分析：数据轴力（N）图 5 杆件位置图6最大位移（mm ） 最大剪力(N) 最大弯矩(N m)工况 Y 方向 总位移最大转角(rad)最大轴力 (N) X 方向 Y 方向X 方向Y 方向工况 B 6.5427 6.5558 0.031472 25331 1832.6 1832.6 962.79 1047工况 C 6.526 6.5392 0.032794 21895 1751.4 1751.4 1050.4 1037.8C / B 无明显变化模板支架不设竖向和水平剪刀撑与只设竖向剪刀撑时的位移和内力变化不大，这说明，模板支架的竖向剪刀撑对结构的受力影响不是很明显，其作用主要是增加结构的整体稳
23、定性，防止结构失稳破坏。3.4 扣件扭矩的大小对模板支架稳定的影响分析对于常规的梁板结构，其模板支架的承载力由扣件的抗滑承载力控制，而不是由支架立杆稳定承载力控制。在钢管扣件安装的螺栓拧紧力矩为 4065Nm 时，单扣件抗滑移设计承载力取 8KN，双扣件抗滑移设计承载力取 12KN。若继续加大螺栓拧紧力矩到70Nm，大部分螺栓已滑丝失效，甚至会突然断裂。因此螺栓的拧紧程度，对支架的承载能力、稳定程度和安全有很大的影响。如前所述，在对扣件所在节点的半刚性模拟时，COMBIN7 单元之间弹簧需要一个初始刚度 K 值，节点弯矩 M=K，且节点扣件不同的扭矩对应于一定的 K 值。K 的取值参照前述浙江
24、大学结构工程研究所鲁征硕士论文中的 Rki ，在转角很小的情况下，K 值等于 Rki 。通过对不同扭矩的取值，即不同的半刚性 K 值来分析各种情况下所产生的滑移力，从而模拟计算出最不利情况下的扭矩值。根据工程经验分别取五个扭矩值来模拟五种工况，分别为：工况 A：T=20Nm；工况 B；T=30 Nm；工况 C：T=40Nm ；工况 D ：T=50Nm；工况 E：T=60N m。下表为不同扭矩下支架模型 ANSYS 的计算结果。表 3.4 不同扭矩（不同 K 值）下的模型响应：最大位移（mm） 最大剪力(N) 最大弯矩(N m)工况 Y 方向 总位移最大转角(rad)最大轴力(N) X 方向 Y
25、 方向X 方向Y 方向工况 A 9.1111 10.151 0.038718 29398 944.98 944.98 561.61 557.85工况 B 7.3569 8.6131 0.025128 28842 1068.5 1068.5 635.19 629.54工况 C 6.3241 7.749 0.019291 28543 1139.7 1139.7 674.52 667.57工况 D 5.9734 7.4648 0.017996 28448 1162.7 1162.7 687.02 679.59工况 E 5.3486 6.9728 0.015784 28291 1201.9 1201.
26、9 708.03 699.73E/A 59% 69% 41% 96% 增加C/A 69% 76% 50% 97% 增加由表 3.4 可知，随着扭矩 T 值的增大，支架模型的最大内力增大，但位移和转角都显著减小，这表明增大扣件扭矩 T 的大小虽不能减小内力峰值，但却对模板支架的位移有控制性作用，并保证扣件不易产生滑移。工况 C 为规范要求的扭矩 T 值40Nm 下的模型响应，可以看到，其总位移比工况 A（T=20KN ）减少了 24%，最大转角减少了 50%。另外，计算所得出的剪力远远小于扣件的抗滑移承载力，最大位移值接近于 10mm，这在实际工程中是可以接受的。 3.5 考虑地基不均匀沉降对模
27、板高支撑架稳定性的影响在实际的施工过程中，往往会因为某些突发原因（如地下水的浸泡，支架地基受载重数据数据7车辆等动荷载的影响等等）导致地基的不均匀沉降。这种情况会导致模板支架的一小部分或个别竖杆不能参与受力，会对结构的整体稳定性产生影响。澳门机场架空跑道就曾因雨水浸湿地基而使模板支架坍塌。在本文的计算模型中，笔者在模板高支撑架的底部中央和边角部位考虑地基的局部沉降，即去掉部分竖杆在模板支架的中部或边角的约束，使之能够自由变形来模拟实际工程中的局部地基不均匀沉降。下表为不同沉降位置下模板支架模型 ANSYS 的计算结果。 工况 A：沉降位于模板支撑架底部中央工况 B：沉降位于模板支撑架底部边角工
28、况 C：没有沉降下的标准工况表 3.5 不同沉降位置下的模型响应：最大位移（mm） 最大剪力(N) 最大弯矩(Nm)工况 Z 方向 总位移最大转角(rad)最大轴力(N) X 方向 Y 方向 X 方向 Y 方向工况 A 43.804 44.009 0.02722 52330 7176.6 7176.6 2028.5 2021.1工况 B 57.265 57.326 0.04089 73716 3791.1 3791.1 2000.5 2572.7工况 C 4.4678 7.749 0.01929 28543 1139.7 1139.7 674.52 667.57A/C 980% 568% 14
29、1% 183% 630% 630% 301% 303%B/C 1282% 740% 212% 258% 333% 333% 297% 385%从表 3.5 和图 6 可以看出，当沉降位于支架底部中央时，支架杆件 Z 方向的最大位移增加为 10 倍，最大转角也为原来的 1.4 倍，最大轴力、最大剪力和最大弯矩都增加了26 倍。当沉降位于支架底部边角时，支架杆件 Z 方向的最大位移增加为原来的 13倍，最大转角为原来的 2 倍，最大轴力、最大剪力和最大弯矩都增加了 24 倍。由此可见，支架底部的不均匀沉降对于支架的稳定是极为不利的，它不仅大大增加了杆件的竖向位移，也使得杆件的内力急剧增加。通过对
30、ANSYS 输出结果中的各杆件位移和内力的分析，可以发现在沉降部位周围的杆件位移和内力要比远离沉降部位的杆件大，一旦沉降部位周围的杆件失稳或者连接扣件被剪坏，将会发生连锁反应，最终导致整个支架的坍塌。因此，在施工过程中，特别是在底层支模架时，应特别注意地基的处理，要绝对避免模板支架底部基础发生不均匀沉降或者底部局部杆件被架空等现象的发生。4 结论（1）扣件式钢管支架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的多，如果用刚性节点模型模拟模板高支撑架，将会产生比较大的工程误差。因此，半刚性节点假设比较符合扣件的实际工作情况。（2）水平荷载对于其作用点周边杆件的内力影响较大，这种情况值
31、得引起重视，实际工程中应加强混凝土水平泵管作用点处周边的杆件以防局部失稳。数据图 6 沉降工况下杆件轴力分布图8（3）水平剪刀撑对于减小模板高支撑架的杆件内力具有非常重要的作用，实际施工中，水平剪刀撑必须引起工程施工人员的足够重视。（4）随着扣件螺栓拧紧力矩 T 值的增大，支架 Y 方向最大位移、总位移和最大转角都会显著减小，表明扣件螺栓拧紧力矩 T 的大小对模板支架的位移有控制性作用。（5）支架底部地基的不均匀沉降对于支架的稳定是极为不利的，它不仅会大大增加杆件的竖向位移，也会使得杆件的内力急剧增加。施工时要绝对避免模板支架底部地基发生不均匀沉降或者底部局部杆件被架空等现象的发生。参考文献（
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