基于钢结构现浇楼板临时盘扣式模板支架的安全性分析

2020-09-04魏秀瑛袁志文

太原城市职业技术学院学报 2020年7期

■肖毅，魏秀瑛，袁志文，蒋荣

（湖南高速铁路职业技术学院，湖南衡阳 421002）

诱发钢结构现浇楼板临时模板支架动荷载的因素较多，常见有以下几种类型：泵送混凝土对架体产生的水平冲击力；振捣混凝土产生的振捣力；机械吊运材料突然卸载产生的冲击力等[1]。这些荷载作用的特点是历时非常短，但是架体的动力响应比静力大很多，因此动荷载下架体的安全性显得尤为重要。

一、确定动力系数

以吊运材料突然卸载为例，按力学知识推导出动力系数。在架体上方吊运材料时，一般重物离架体平台面约50mm-300mm距离时，吊钩需要降低速度缓慢下降至架体平台面，若有偶发因素也可能造成材料直接下落至平台面，下面将以此不利工况为对象进行研究。按重物自由落体状态计算动力系数，假定模板支架失稳前符合胡克定律，则有：

式中说明：Δ为比值；Pj为物体重量；δj为物体在自重下的静位移；Pd为物体的冲击力；δd为物体冲击力下的动位移；σd为物体冲击力下支架的动应力；ωj为物体自重下支架的静应力。

根据动能定理：物体外力所作的功等于物体动能的变化,由于自由落体作用下重物的初速度和终速度都为零，故有：

式中说明：当架体达到最大位移时δd时，架体的受力由零增到Pd，重物减少的位能等于架体增加的应变能Ud

将（3），（4），（5）式代入（2）式中，得到：

上式中K为动力系数，验算当落距h=0时，δd=2δj即动荷载下产生的位移是静荷载下位移的2倍，而一般落距h约为50mm-300mm，那么在动载下的位移会更大。

二、项目案例

（一）基本资料

某盘扣式支撑架体搭设尺寸：立杆高度6.6m，立杆纵距2.13m，立杆横距2.13m，横杆步距2m，扫地杆至地面距离和立杆自由端距离均为300mm；立杆规格Ф48.3mm×3.2mm,横截面积A=458mm2，截面惯性矩Ix=11.6cm4,截面抵抗矩W=4.8cm3,回转半径i=159cm,弹性模量E=2.06×105N/mm2,一个质量为1kN的重物从高处自由落体撞击架体，计算此工况下架体的动应力和动位移。

（二）计算动力系数

假定架体顶端平台板为刚体，竖向荷载由四根立杆均匀承担，那么P=1kN对立杆产生的静位移为:

验算格构式单元的稳定性，则该单元的惯性矩为：

查阅《钢结构设计标准》（GB50017-2017），该轴心受压构件截面为B类，查规范附录表[2]。

由此可知，重物自由落体50mm高度下动力系数是静力的76.182倍，类比此计算过程，将其他高度的计算结果列表汇总，具体见下附表1。

通过分析表格数据发现，随着高度的增加动位移和动应力的值比静力状态增加很快，当高度为300mm时，动位移和动应力相比静力状态下的值大于180倍。为了验证理论计算结果的可靠性，笔者采用ANSYS有限元软件建立模型来验证结果。

（三）采用ANSYS有限元软件验证结果

采用土木工程领域通用ANSYS有限元软件建立模型分析，盘扣式模板支架节点在插销插进轮盘后拧紧扭矩很大且安全系数高，故在有限元模型中支架节点按刚性节点处理。选用pipe16单元来模拟钢管杆件，此单元具有两个节点，每个节点具有3个自由度，共计6个自由度，分别为沿着节点X,Y,Z三个方向的平动和绕着X,Y,Z轴的转动[3][4]。通过前处理建立模型、求解、后处理，得到了模型的前五阶振型和Y方向位移，下面将一阶振型图（图1）和Y方向位移图（图2）列出。

经过模型的多次计算，发现结构的一阶振型和三阶振型相同，二阶振型和四阶振型相同，这是由于单元模型是空间轴对称结构，所以这个计算结果是很可信的。为了方便有限元结果和理论结果的比较，取一阶振型为对象，一阶振型下结构Y方向动位移为1.363mm,动应力为39.362N/mm2，理论计算和ANSYS计算结果见附表2。通过对比发现，理论计算和ANSYS计算结果高度一致，误差控制在5%以内，满足工程精度的要求，从而验证了理论计算结果的正确性。

采用盘扣式模板支架作为轻型钢结构楼面板临时支撑体系，由于在施工中诱发架体产生动力响应的因素有很多，通过理论计算和有限元模拟发现在动载下架体的动位移和动应力比静力状态下的结果大很多，施工中控制不当可能带来安全隐患，实际工程中一定要采用有效的预防措施降低或减少动荷载的影响，以保证支撑体系的安全。