碗扣式钢模板支架的稳定承载力分析

叶恒梅 胡凯 姜川

摘 要：近年来，碗扣式钢模板支架在各类工程中被广泛应用，本文在分析碗扣式钢模板支架的基本构造、稳定参数、承载力计算方法及失稳类型的基础上，对刚接碗扣式钢模板支架与铰接碗扣式钢模板支架的稳定承载力进行了检测分析与比较，并通过分析结果来指导碗扣式钢模板支架的合理设计。

关键词：碗扣式；模板支架；稳定承载力

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.024

1 碗扣式钢模板支架的基本构造

进行碗扣式钢模板支架的稳定承载力分析之前应掌握其基本结构，其核心构件是碗扣接头，它由上碗扣、下碗扣、横杆插头和限位销组成，如图1所示。

碗扣式钢模板支架的主要组成构件包括立杆、顶杆、水平杆、剪刀撑、底座，如图2所示。立杆主要用来承受竖向荷载，并把荷载传递给底座，再由底座传给地基。顶杆是立杆最上端连接可调顶托的部分，可将模架搭设成任意高度。水平杆有横向和纵向水平杆，水平杆端部带有碗扣接头，不仅将各个杆件连接成一个受力的整体，还可以传递水平荷载。支架底部的水平杆称为扫地杆，一般要求距地面20～30mm。剪刀撑有水平和竖向两类，主要用来提高支架的整体稳定性和刚度。底座不仅将立杆传来的荷载传给了地基，而且通过扩大立杆的受力面积，可以防止架体不均匀沉降。

2 碗扣式钢模板支架稳定参数及失稳分析

2.1 参数的计算

通过软件分析碗扣式钢模板支架的结构稳定性参数，且主要通过线性屈曲分析和非线性屈曲分析来获取稳定性参数。

2.1.1 线性屈曲分析

2.2 碗扣式钢模板支架失稳分析

结构失稳的类型根据不同性质可分为三类，第一类失稳是结构失稳时，虽然发生很大的变形，但不会出现新的变形形式，即平衡状态不发生质的改变，其失稳时的荷载就是构件实际的极限荷载，故也称极值点失稳。工程中大多数碗扣式钢模板支架的失稳问题都属于这类情况。第二类失稳称平衡分岔失稳或分枝点失稳，是理想化情况，即荷载达到某个特定值时，除了原来的平衡状态必定存在以外，可能还会出现另一个平衡状态，这在数学处理上是求解特征值问题，故定义为特征值屈曲分析。第三类失稳称为跳跃失稳，是当荷载达到某个特定的临界值时，结构的平衡状态会发生明显的改变，突然过渡到一个非邻近的具有很大位移的平衡状态。综上所述，研究各种情况下失稳的临界荷载值是碗扣式钢模板支架承载力检测与分析的关键条件。

3 碗扣式钢模板支架稳定承载力分析

3.1 检测条件的确定

（1）单元选取：铰接体系采用beam44，刚接体系采用beam188，半刚性体系采用beam188，立杆采用beam188，支撑体系采用link8。（2）约束条件：采用底部铰接约束三个方向的平动自由度，顶部不施加约束。（3）节点处理：节点处理方法分铰接、刚性和半刚性连接三种。下面针对连接点为刚接和铰接这两种情况进行设计模拟和承载力分析，分析采用前面所述的稳定性参数作为实验条件。

3.2 节点为刚性连接的模板支架承载力分析

本文应用ANSYS软件建立模板支架的整体模型并进行特征值屈曲分析，支架的竖杆与水平杆之间的连接为理想的刚性连接。模型设计：在支架底部，约束三个方向的平动自由度，利用beam188单元，顶杆高度为0.3m，立杆间距均为1.2m，扫地杆高度是0.3m，4×4跨，步距是1.2m，模型图如图3所示。然后通过特征值屈曲分析获得屈曲荷载值与第一阶模态，如图4所示。屈曲承载力为 87.14 KN，由于支架顶部无约束，失稳模式为四分之一波失稳。根据静力失稳时的竖杆应力云图得到支架失稳时，竖杆仍处于弹性状态，横杆仅发挥支撑作用，且长度比竖杆小得多，故不分析。在非线性屈曲分析中不考虑材料的非线性，并将特征值屈曲第一阶模态的 1/400作为初始缺陷，得到承载力-位移曲线，分析曲线。

可知，支架失稳有着明显的分叉点，在模型中随着调节施加的荷载、几何缺陷和荷载步等的不同，其分叉点和曲线也不相同。模板支架失稳承载力大约为70 KN，经过与试验结果对比发现假定刚性连接时的屈曲承载力值明显偏高，支架易失稳而不安全。

3.3 节点为铰接的模板支架承载力分析

假定模板支架的竖杆和水平杆之间的连接为理想的铰接，竖杆之间仍然是刚接，采用ANSYS软件建立支架的整体模型，并添加斜杆以保证其几何不变性，然后进行特征值屈曲分析，得到屈曲荷载值为36KN，并得到第一阶模态，其基本形式与节点为刚接时的情况一致。同理，这时的最大等效应力会远小于杆件的屈服应力，杆件失稳时仍处于弹性状态，故在非线性屈曲分析中可不考虑材料的非线性。将特征值屈曲第一阶模态的 1/400作为初始缺陷，得到承载力-位移曲线，分析曲线可知，同样是明显的分叉点失稳，在模型中随着调节施加的荷载、几何缺陷和荷载步等的不同，其分叉点和曲线也不相同，但可判断出失稳承载力为28KN，和试验结果对比发现假定铰接时的屈曲承载力值明显偏小。

4 结语

通过以上分析可知，理想的铰接不会传递弯矩，但理想的刚接是在夹角不改变的情况下传递弯矩。而实际情况是既传递弯矩，又会产生一定的转角，这属于中间状态的半刚性节点。根据刚接非线性屈曲分析，支架的屈曲承载力比试验结果大很多，而铰接的特征值屈曲结果与试验结果相差较小。所以，碗扣式钢模板支架的节点形式更接近于铰接，故按照铰接的特征值屈曲结果和参数化建模方法进行碗扣式钢模板支架的稳定承载力分析更为合理。

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作者简介：叶恒梅（1983-），女，湖北黄石人，硕士，讲师，研究方向：道路与桥梁工程。