浅析节点转动刚度及斜杆构造对模架承载力的影响

浅析节点转动刚度及斜杆构造对模架承载力的影响

陈亮  杨家伟

云南大力神金属构件有限公司    云南  昆明  650000

【摘要】模板支撑架中立杆作为主要的竖向荷载受力杆件，其承载力是建立在压杆稳定的理论上。立杆的承载能力是以横杆间的“步距”为自由受压长度，并考虑横杆与立杆的节点作为受压立杆的杆端约束，以此来进行局部稳定性验算。架体的稳定和承载能力是通过其空间格构水平面、立面的空间三维约束实现的，形成空间几何不变体系来保证模架体系的稳定性。本文通过有限元建模分析节点转动刚度和斜杆构造对模架承载力的影响，为施工提供一定的理论基础作为参考。

【关键词】模架；节点转动刚度；斜杆构造；承载力；

0 前言

随着建筑行业的发展，充分体现了分工细化和专业化。在涉及使用临时支撑的领域，已经不再是无论什么场合均使用钢管和扣件的传统方式，而是发展形成了专业的工具式支架门类，包括新型碗扣式、盘扣式、轮扣式、传统碗扣式等。支架作为混凝土现浇工程中常用结构，其结构安全尤为重要，每年因为支架垮塌造成的群死群伤事件屡见不鲜。从结构上来说，支架的力学模型属于有侧向位移的无限自由度压杆，和无侧向位移的压杆相比，屈曲失稳时的半波长度大于支架步距。侧向位移的大小取决于支架体系的抗侧移刚度，而架体自身的抗侧移刚度取决于节点转动刚度和斜杆构造，因此节点转动刚度和斜杆构造直接影响架体的承载力。本文以几种不同类型的模架工况为研究对象，结合有限元计算分析节点转动刚度和斜杆构造对模架承载力的影响。

1 节点转动刚度对模架承载力的影响

所有支架体系节点均为半刚性节点，是介于刚接与铰接之间的半刚性约束形式，其刚度指标为节点转动刚度数值。节点转动刚度即支撑结构中的立杆与水平杆连接节点发生单位转角（弧度制）所需弯矩值。

各类支架的区别关键在于其节点形式不同，也就是节点转动刚度不同。以下是几种不同支架体系的节点转动刚度，如表1.1所示：

表1.1： 节点转动刚度值K

采用Midas Civil对几种不同节点刚度值的支架建立有限元模型，支架间距、材料选择、荷载及边界条件均一致。支架间距为1.2m，步距为1.5m，荷载按1KN集中荷载施加在立杆顶部。详细工况如表1.2所示：

表1.2： 有限元建模工况

图1.1 第一阶屈曲模态（工况1）

图1.2 第一阶屈曲模态（工况2）

图1.3 第一阶屈曲模态（工况3）

图图1.4第一阶屈曲模态（工况4）

图1.5 第一阶屈曲模态（工况5）

不同工况下第一阶屈曲特征值如表1.2所示：

表1.2 不同工况下屈曲分析特征值

结果表明，在不同节点刚度值工况下，一阶屈曲失稳特征值不同，节点刚度值越大，其一阶屈曲特征值越大，说明节点转动刚度直接影响架体的稳定性承载力。但从各工况失稳情况来看，均表现为整体侧向失稳，且失稳荷载较小，说明支架自身的半刚性节点所提供的抗侧移刚度有限，如要保证支架体系的承载力，还要增加斜杆构造措施。

2斜杆构造对模架承载力的影响

斜撑杆或大剪刀撑是保证支撑架整体稳定、传递水平荷载、增强架体整体刚度的主要杆件，也是架体的加固件，不可缺失。

采用Midas Civil和Ansys对斜杆样式、间距及节点刚度不同的几种工况进行有限元建模，分析对支架稳定性承载力的影响。详细工况如表2.1所示：

表2.1： 有限元建模工况

大剪刀撑 专用斜杆

图2.1斜杆样式示意图

有限元屈曲模态分析结果如表2.2所示：

表2.2 不同工况下屈曲分析特征值

图2.2 第一阶屈曲模态图（专用斜撑杆）

图2.3 第一阶屈曲模态图（大剪刀撑）

对比工况1与工况2、工况3与工况4、工况5与工况6、工况7与工况8，可知在相同的斜杆构造工况下，支架节点刚度对支架承载力影响很大；

对比工况1与工况3、工况2与工况4、工况5与工况7、工况6与工况8，可知在相同的节点刚度工况下，斜撑杆或剪刀撑布置间距对支架承载力影响很大；

对比工况1与工况5、工况2与工况6、工况3与工况7、工况4与工况8，

可知在节点刚度和斜杆间距相同的工况下，斜杆的样式对对支架承载力影响较大，并且从他们的一阶屈曲模态图上来看，专用斜撑杆的失稳半波长度要小于大剪刀撑的失稳半波长度，根据结构力学压杆稳定的知识可知，小波长失稳要好于大波长失稳；

对比工况1与工况4、工况5与工况8，可知在节点刚度较小的工况下，需增加更多的斜杆来提高承载力；

结果表明，有了斜杆构造的工况下，一阶屈曲特征值有了很大的改变，说明斜撑杆或钢管扣件剪刀撑是保证支撑架整体稳定、传递水平荷载、增强架体整体刚度的主要杆件，也是架体的加固件，不可缺失。在立杆间距和水平杆步距不变的情况下，剪刀撑或斜撑杆加密设置可显著地提高架体的承载力。实际工程中应优先优先设置斜撑杆，这是因为定长的专用斜撑杆穿过架体节点，并与节点连接牢固，相比大剪刀撑，对架体的约束性能要更优越。

3结语

本文通过有限元软件分析了不同工况下，节点刚度和斜杆构造对架体承载力的影响，为施工实践提供一定的理论基础作为参考。

架体的稳定和承载力是通过其空间格构水平面、立面的空间三维约束实现的，形成了空间几何不变体系来保证稳定的，从结构力学原理来讲，支架的力学模型属于有侧向位移的无限自由度压杆，压杆失稳是由几何不变体系向几何可变体系转变的结果，整体稳定性取决于支架体系的抗侧移刚度，而架体自身的抗侧移刚度取决于节点转动刚度和斜杆构造。

（1）模板支撑架应满足沿立杆轴线（包括X、Y两个方向）的每行每列网格结构竖向每层不得少于一根斜杆，并尽量选用专用斜撑杆作为斜杆构造。

（2）节点转动刚度直接影响架体的承载力，施工中应充分注意不同类型支架节点转动刚度差异较大，节点刚度小的支架体系应加密设置斜杆构造保证承载力。

参考文献：

[1] 刘东跃 -.施工临时支撑结构专项技术方案[M].辽宁科学技术出版社,2013.[2] 程海潜,宗伟,旷新辉.基于半刚性节点的桥梁临时支撑结构承载力研究[M].武汉理工大学出版社,2022.

[3] 张凌博,刘京红,李兵兵,等.盘扣式钢管脚手架节点转动刚度及稳定承载力研究[J].北京理工大学学报自然版, 2023, 43(12):1224-1231.DOI:10.15918/j.tbit1001-0645.2022.184.