高大模板鋼管支撐架的穩(wěn)定性分析及工程應(yīng)用研究論文論文

1、華僑大學(xué)工程碩士學(xué)位論文中文摘要摘 要近幾年來(lái)，隨著城市建設(shè)的發(fā)展，高層建筑的數(shù)量與日俱增，跨度及層高較大的現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用十分普遍。在工程施工實(shí)踐中，扣件式鋼管模板支撐主要由48mm3.5mm 鋼管和與之配套的扣件組合而成。該類(lèi)型支撐具有施工方便、適用性廣等特點(diǎn)，在現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)高大模板支架施工中被廣泛使用，在我國(guó)建設(shè)施工中占有絕對(duì)的主流地位。模板施工已成為建筑工程施工中的重要環(huán)節(jié)，但由于國(guó)家尚未出臺(tái)專(zhuān)項(xiàng)安全技術(shù)規(guī)范，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)與管理未能跟上，工程模板支撐系統(tǒng)施工質(zhì)量不符合相關(guān)規(guī)范的要求，導(dǎo)致模板支撐系統(tǒng)坍塌事故頻繁發(fā)生。本文在前人對(duì)扣件式鋼管腳手架及模板支架研究的基礎(chǔ)上，完成了下列工作：（

2、1）對(duì)現(xiàn)有的模板支架及腳手架的計(jì)算模型、穩(wěn)定計(jì)算方法進(jìn)行分析闡述；（2）計(jì)算分析模板支架的構(gòu)造條件，如立桿步距、立桿縱橫間距、水平向剪刀撐、豎向剪刀撐、掃地桿、立桿伸出頂層水平桿長(zhǎng)度等，對(duì)模板支架穩(wěn)定性和承載力的影響，供實(shí)際施工狀態(tài)下模板支架計(jì)算參考；（3）結(jié)合高大模板的工程實(shí)例，對(duì)高大模板支撐體系的整體穩(wěn)定進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算、構(gòu)造、搭設(shè)等方面的分析，總結(jié)歸納工程中切實(shí)可行的經(jīng)驗(yàn)做法；（4）總結(jié)了近幾年國(guó)內(nèi)典型的模板坍塌事故原因，提出了預(yù)防模板坍塌事故發(fā)生的構(gòu)造要求及管理程序；（5）分析了影響模板支架安全的因素，總結(jié)高大模板施工安全監(jiān)督管理措施。通過(guò)研究，結(jié)合個(gè)人的工作實(shí)踐，為高大模板支架穩(wěn)定的設(shè)計(jì)

3、計(jì)算、技術(shù)管理及驗(yàn)收等方面提供了一套較為全面的技術(shù)參考資料，提高現(xiàn)場(chǎng)施工中的可操作性，確?？奂侥０甯咧渭艿某晒?shí)施。關(guān)鍵詞：扣件式鋼管腳手架；高大模板；穩(wěn)定性；計(jì)算方法；安全管理i華僑大學(xué)工程碩士學(xué)位論文英文摘要abstractin recent years, with the development of city construction, thenumber of high-rise buildings increased steadily, the concrete structurewith longer span or larger storey height become m

4、ore and morewidespread. the steel tubular scaffold was mainly composed of 48mm3.5m steel tube and suitable fastener. this type of support system has asimple and convenient construction process and an extensive applicability,it was used widely in the high-formwork construction of concretestructure. t

5、he construction of formwork has become an important step ofbuilding construction. however, due to the national safety technical codefor formwork has not yet issued, there is a lack in the technology andmanagement of formwork, and the quality of formwork supportconstruction was not accord with the co

6、rrelative criterion. so theformwork support collapse accidents happened frequently.based on the previous researches of steel tubular scaffold withcouplers and supports for formwork, this paper completed the followingtasks:(1) analyze and expatiated the calculational model and method ofstability anal

7、ysis for the existing formwork supports and scaffold.(2) calculation and analysis, which is about the influences to thestability and bearing capacity of the formwork supports by theconformation of formwork supports, such as rod pace, rod cross space,horizontal and vertical direction bridging, bottom

8、 rod, length exceed toplevel of the rod, etc., was carried out to offer references for the practicalapplication.(3)combined with the case study of high-formwork, analysis of theglobal stability design calculation, conformation, construction for thesupport system of high-large formwork was carried ou

9、t to summarize aii華僑大學(xué)申請(qǐng)碩士學(xué)位論文英文摘要doable method in the real projects.(4)summarized the reasons of typical formwork collapse accidents inrecent years, and the conformation requirement and manage process forformwork support system was presented to avoid the accident.(5) analyze the influence factors o

10、f formwork support security, andsumed up the supervised management measures for safe construction ofhigh-formwork supports system.with the above analysis and my individual project practice, anall-sided technical reference for the stability design calculation, technicalmanagement and check of high-fo

11、rmwork supports system was offered inthis paper, which can improve its maneuverability during construction,and ensure the safe construction of high-formwork supports system.key words: steel tubular scaffold; high-formwork; stability;calculational method; security managementiii原創(chuàng)性聲明本人聲明茲呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師

12、指導(dǎo)下完成的研究成果。論文寫(xiě)作中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究?jī)?nèi)容，如參考他人或集體的科研成果，均在論文中以明確的方式說(shuō)明。本人依法享有和承擔(dān)由此論文所產(chǎn)生的權(quán)利和責(zé)任。學(xué)位論文作者簽名：李雋秀日期：2009.05.25學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)聲明本人同意授權(quán)華僑大學(xué)有權(quán)保留并向國(guó)家機(jī)關(guān)或機(jī)構(gòu)送交學(xué)位論文和磁盤(pán)，允許學(xué)位論文被查閱和借閱。論文作者簽名：簽 名 日 期：李雋秀2009.05.25指導(dǎo)教師簽名：簽 名 日 期：華僑大學(xué)工程碩士學(xué)位論文第 1 章高大模板鋼管支撐架的穩(wěn)定性分析及工程應(yīng)用研究緒論1.1概述近幾年來(lái)，隨著社會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)使用功能在空間上的需求，高層建筑的數(shù)量與日俱增，跨度及

13、層高較大的現(xiàn)澆混凝土應(yīng)用十分普遍，如公共建筑中的超高門(mén)廳、共享空間和多功能廳等頂部樓蓋大跨度混凝土梁板、交通工程中的各種大跨度連續(xù)梁橋、城市高架橋的混凝土墩臺(tái)和箱梁等。模板施工已成為建筑工程施工中的重要環(huán)節(jié)，而模板支撐體系也隨著大量增加。但由于技術(shù)與管理未能跟上，工程模板支撐系統(tǒng)質(zhì)量不符合施工規(guī)范。導(dǎo)致模板支撐系統(tǒng)坍塌事故的頻繁發(fā)生。因模板支撐體系坍塌造成的工程安全事故已成為近年來(lái)建筑業(yè)的一大頑疾；據(jù)一些文獻(xiàn)報(bào)道，對(duì)美國(guó)過(guò)去 23 年 85 起施工期間的工程坍塌事故分析表明，有72%發(fā)生于混凝土澆筑期，因施工設(shè)計(jì)錯(cuò)誤而導(dǎo)致的工程事故占到工程總事故的50%以上。在我國(guó)，對(duì) 2003 年至 200

14、7 年 5 年間發(fā)生的 5198 起施工傷亡事故統(tǒng)計(jì)分析表明，坍塌事故占到 16%。隨意打開(kāi)國(guó)內(nèi)任何地方的政府網(wǎng)站，在建筑安全欄目下必定會(huì)發(fā)現(xiàn)有關(guān)模板工程施工安全的文件或通告。在建筑業(yè)中，只要涉及安全檢查，模板工程施工安全肯定會(huì)位列其中。因此，做好模板支撐系統(tǒng)的安全管理，確保施工安全，對(duì)提高工程安全水平、預(yù)防重大事故發(fā)生具有十分重要的意義。不同類(lèi)型的工程施工選用不同用途的腳手架和模板支架。目前，主體結(jié)構(gòu)施工落地腳手架使用扣件式鋼管腳手架的居多，橋梁支撐架主要使用碗扣腳手架，也有使用門(mén)式腳手架的。1.1.1 扣件式鋼管腳手架扣件式鋼管腳手架具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，主要有：（1）承載力較大。當(dāng)腳手架的幾何

15、尺寸及構(gòu)造符合規(guī)范的有關(guān)要求時(shí)，一般情況下，腳手架的單管立柱的承載力可達(dá)15kn35kn（1.5tf3.5tf，設(shè)計(jì)值）；圖 1-1 扣件式鋼管腳手架1華僑大學(xué)工程碩士學(xué)位論文第 1 章緒論（2）裝拆方便，搭設(shè)靈活。由于鋼管長(zhǎng)度易于調(diào)整，扣件連接簡(jiǎn)便，因而可適應(yīng)各種平面、立面的建筑物與構(gòu)筑物用腳手架；（3）比較經(jīng)濟(jì)。加工簡(jiǎn)單，一次投資費(fèi)用較低；如果精心設(shè)計(jì)腳手架幾何尺寸，注意提高鋼管周轉(zhuǎn)使用率，則材料用量也可取得較好的經(jīng)濟(jì)效果。扣件鋼管架折合每 m2 建筑用鋼量約 15kg。但扣件式鋼管腳手架在使用中也存在一些不足之處：（1）扣件（特別是它的螺桿）容易丟失；（2）節(jié)點(diǎn)處的桿件為偏心連接，靠抗滑

16、力傳遞荷載和內(nèi)力，因而降低了其承載能力；（3）扣件節(jié)點(diǎn)的連接質(zhì)量受扣件本身質(zhì)量和工人操作的影響顯著。鑒于上述特點(diǎn)，目前扣件式鋼管腳手架已成為當(dāng)前我國(guó)使用量最多，應(yīng)用最普遍的一種腳手架，占腳手架使用總量的 70%左右，主要使用于：（1）構(gòu)筑各種形式的腳手架、模板和其它支撐架；（2）組裝井字架；（3）搭設(shè)坡道、工棚、看臺(tái)及其它臨時(shí)構(gòu)筑物；（4）作其它種腳手架的輔助，加強(qiáng)桿件。1.1.2 門(mén)式鋼管腳手架門(mén)式鋼管腳手架作為建設(shè)部推廣應(yīng)用的新型模板和腳手架，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）門(mén)式鋼管腳手架幾何尺寸標(biāo)準(zhǔn)化；（2）結(jié)構(gòu)合理，受力性能好，充分利用利用鋼材強(qiáng)度，承載能力高；（3）施工中裝拆容易、架設(shè)效率高，

17、省工省時(shí)、安全可靠、經(jīng)濟(jì)適用。但是由于各廠的產(chǎn)品規(guī)格不同，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不一致，給施工單位使用2圖 1-2 門(mén)件式鋼管腳手架華僑大學(xué)工程碩士學(xué)位論文高大模板鋼管支撐架的穩(wěn)定性分析及工程應(yīng)用研究和管理工作帶來(lái)一定困難。目前只是適用于：（1）構(gòu)造定型腳手架；（2）作粱、板構(gòu)架的支撐架（承受豎向荷載）；（3）構(gòu)造活動(dòng)工作臺(tái)。1.1.3 碗扣式鋼管腳手架碗扣式鋼管腳手架同樣為建設(shè)部推廣應(yīng)用的新型模板和腳手架，主要有通用性強(qiáng)、承載力大、安全可靠和易于加工等優(yōu)點(diǎn)。但由于碗扣式鋼管腳手架搭設(shè)易受構(gòu)架尺寸的限制，u 形連接銷(xiāo)易丟及價(jià)格較貴等缺點(diǎn)，目前主要使用于搭設(shè)坡道、工棚、看臺(tái)及其它臨時(shí)構(gòu)筑物及構(gòu)造強(qiáng)力組合支撐柱

18、等方面。圖 1-3 碗扣式鋼管腳手架1.2 模板支撐體系的現(xiàn)狀及其水平近幾年來(lái)，福建省建筑模板開(kāi)發(fā)和應(yīng)用技術(shù)都有了較大進(jìn)步。在模具材料與應(yīng)用技術(shù)、工藝方面，引進(jìn)或開(kāi)發(fā)了一些新型模具和施工工藝，如木膠合板，組合鋼模板，鋼、木大模板，鋼框木（竹）膠合板，塑料模板（殼）以及滑模、爬模和小流水段作業(yè)的工藝及裝配化、標(biāo)準(zhǔn)化、工具化的模板體系、技術(shù)和設(shè)備等。其中木膠合板生產(chǎn)在我省已形成了一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到 2007 年止，全省人造板廠已有 115 多家，僅木膠合板年生產(chǎn)能力就達(dá)到 60 多萬(wàn) m3。目前全省施工采用膠合板模板比較普及，尤其在沿海地區(qū)，基本上取消了松木小塊模板。在支撐系統(tǒng)方面，

19、引進(jìn)了扣件式鋼管架、碗扣式鋼管架、門(mén)式架和快拆支撐體系等。在專(zhuān)業(yè)化施工方面，模板專(zhuān)業(yè)化施工隊(duì)伍有了一定發(fā)展，部分地區(qū)先后組建了一些模板專(zhuān)業(yè)化施工隊(duì)伍，對(duì)提高福建省的模板技術(shù)水平和工程質(zhì)量起到了一定的推動(dòng)和示范作用1。雖然模板技術(shù)水平有較大進(jìn)步，但與國(guó)內(nèi)外先進(jìn)地區(qū)比，差距還是很大。由于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)滯后，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜，所以，裝配化、模數(shù)化、工具化的主導(dǎo)模板體系難于形成和推廣；模具產(chǎn)品少，生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模偏小，有的生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)陋，產(chǎn)品檔次偏低，質(zhì)量較差；模板新技術(shù)、新材料與新工藝的3華僑大學(xué)工程碩士學(xué)位論文第 1 章緒論推廣發(fā)展不平衡，沿海地區(qū)明顯優(yōu)于內(nèi)地；全省各地量大面廣的住宅工程仍大

20、量使用木支撐，內(nèi)地有的地方還沿用松木小模板和竹支撐、小雜木支撐等。施工工藝也比較落后，多數(shù)沿用傳統(tǒng)落后的散裝散拆施工工藝，施工速度慢，材料損耗大、成本高。同時(shí)，科技投入少，技術(shù)開(kāi)發(fā)能力薄弱；施工專(zhuān)業(yè)隊(duì)伍少，規(guī)模小，技術(shù)力量和管理素質(zhì)相對(duì)較低，且由于市場(chǎng)無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)和拖欠工程款等原因，專(zhuān)業(yè)化施工隊(duì)伍難于發(fā)展。國(guó)外的腳手架和模板支架品種規(guī)格較多，其中鋼支柱在國(guó)外樓板和梁施工中應(yīng)用相當(dāng)普遍，鋼支柱大部分為螺紋封閉式，并且在鋼支柱的轉(zhuǎn)盤(pán)和頂部附件上作了很多改進(jìn)，使鋼支柱的使用功能大大增加。并在施工工程中已大量應(yīng)用。另外，門(mén)式腳手架在歐洲應(yīng)用也較多，但在結(jié)構(gòu)上已作了改進(jìn)，門(mén)框改為封閉框，提高了門(mén)框的剛度。1

21、.3 問(wèn)題的提出和本文的主要內(nèi)容1.3.1 問(wèn)題的提出目前將采用扣件式鋼管腳手架材料搭設(shè)的支撐高度4.0 m 的梁板樓（屋）蓋模板支撐架，稱(chēng)為扣件式鋼管梁板模板高支撐架，應(yīng)單獨(dú)編制專(zhuān)項(xiàng)施工方案。由于近期發(fā)生了多起水平模板支撐系統(tǒng)坍塌的重大惡性事故，造成嚴(yán)重的社會(huì)影響，為加強(qiáng)建設(shè)工程鋼管扣件水平模板支撐系統(tǒng)施工的安全質(zhì)量管理，防止和減少水平模板安全質(zhì)量事故，保障施工安全和工程質(zhì)量，根據(jù)建質(zhì)【2004】213 號(hào)危險(xiǎn)性較大工程安全專(zhuān)項(xiàng)施工方案編制及專(zhuān)家論證審查辦法，模板工程中水平混凝土構(gòu)件模板支撐系統(tǒng)高度超過(guò) 8m，或跨度超過(guò) 18m，施工總荷載大于 10kn/m2，或集中線(xiàn)荷載大于 15kn/m

22、 的模板支撐系統(tǒng)，應(yīng)由施工企業(yè)組織專(zhuān)家對(duì)該類(lèi)支撐系統(tǒng)的專(zhuān)項(xiàng)施工方案進(jìn)行論證、審查?，F(xiàn)高大模板支撐體系的設(shè)計(jì)、搭設(shè)、拆卸、檢查、驗(yàn)收和管理等依據(jù)僅有建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范（jgj130-2001）中的部分條文，以及各地區(qū)相關(guān)的文件規(guī)定，如福建省出臺(tái)高大模板扣件式鋼管支撐體系施工安全管理規(guī)定。2006 年下半年到 2007 年年初，福建省連續(xù)發(fā)生 3 起高大模板支撐體系整體坍塌事故，不僅造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響，而且嚴(yán)重威脅到施工4華僑大學(xué)工程碩士學(xué)位論文高大模板鋼管支撐架的穩(wěn)定性分析及工程應(yīng)用研究作業(yè)人員的生命安全健康。究其原因，主要是施工現(xiàn)場(chǎng)管理不到位、模板支撐搭設(shè)不

23、規(guī)范、模板支撐荷載計(jì)算錯(cuò)誤或考慮不周、鋼管和扣件的質(zhì)量低劣等因素造成的。本文在對(duì)腳手架計(jì)算理論及模板支架穩(wěn)定承載力的影響因素進(jìn)行分析后，用試驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)及圖表對(duì)立桿穩(wěn)定承載力的影響因素進(jìn)行了全面、細(xì)致的研究，歸納總結(jié)了預(yù)防模板坍塌事故發(fā)生的構(gòu)造要求及管理程序；在實(shí)際施工中有較強(qiáng)的可操作性。結(jié)合本人主持施工福州地區(qū)大學(xué)城福建醫(yī)科大學(xué)圖書(shū)館工程為例，從施工方案的設(shè)計(jì)計(jì)算、材料要求、模板搭設(shè)的構(gòu)造要求、現(xiàn)場(chǎng)的管理措施、混凝土澆筑的路線(xiàn)及注意事項(xiàng)等多方面對(duì)模板的安全實(shí)施進(jìn)行有效控制。為今后高大模板的成功實(shí)施提供了有效的參考。1.3.2 本文的主要內(nèi)容本文結(jié)合本人主持施工的一些工程，重點(diǎn)對(duì)以下內(nèi)容進(jìn)行研

24、究：（1）模板支架及腳手架的計(jì)算模型、穩(wěn)定計(jì)算方法；（2）模板支架的構(gòu)造條件對(duì)穩(wěn)定承載力的影響；（3）施工狀態(tài)下模板結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)造研究；（4）對(duì)模板結(jié)構(gòu)體系坍塌事故分析，模板結(jié)構(gòu)體系的施工現(xiàn)場(chǎng)管理；（5）影響支架安全的因素，及模板施工安全監(jiān)督管理措施。5華僑大學(xué)工程碩士學(xué)位論文第 2 章模板體系力學(xué)設(shè)計(jì)計(jì)算理論第 2 章模板體系力學(xué)設(shè)計(jì)計(jì)算理論2.1 模板結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定理論基礎(chǔ)2.1.1 壓桿穩(wěn)定的概念及歐拉公式細(xì)長(zhǎng)桿件在軸向力作用下，其承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度。通過(guò)試驗(yàn)研究歐拉發(fā)現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)桿件受壓時(shí)，由于桿件中部產(chǎn)生“凸出”，此變形的結(jié)果使軸向力在桿件中產(chǎn)生彎矩。隨著凸出變形的加大，彎矩進(jìn)一步

25、加大最終導(dǎo)致完全喪失承載能力，這就是“壓桿穩(wěn)定”問(wèn)題。xpcrpyypcr圖 2-1 中心受壓桿的力學(xué)模型圖 2-2 受彎構(gòu)件彎曲變形曲率1774 年，俄國(guó)彼得堡科學(xué)研究院院士歐拉研究了兩端簡(jiǎn)支的軸向受壓桿件的臨界荷載問(wèn)題，得出了著名的歐拉公式：n cr = 2 eil2（2-1）其中：e 為壓桿的彈性模量；i 為壓桿的對(duì)截面彎曲軸的慣性矩；ei 稱(chēng)為桿件的抗彎剛度；l 為壓桿的長(zhǎng)度。該公式的提出，標(biāo)志著人們?cè)趬簵U穩(wěn)定認(rèn)識(shí)上的飛躍。2.1.2 受壓桿件端部固定條件與計(jì)算長(zhǎng)度前面歐拉公式的推導(dǎo)是以?xún)啥算q接時(shí)的中心受壓桿進(jìn)行的。當(dāng)兩端固定方式不同時(shí)，則邊界條件不同。對(duì)其他桿端約束條件下的壓桿穩(wěn)定問(wèn)

26、題，人們仿照歐6l華僑大學(xué)工程碩士學(xué)位論文高大模板鋼管支撐架的穩(wěn)定性分析及工程應(yīng)用研究拉的思路，提出了一般桿端約束條件下的穩(wěn)定臨界荷載表達(dá)式：n cr = 2 ei(l)2（2-2）其中，ei、l 的含義同上，為壓桿長(zhǎng)度計(jì)算系數(shù)。各種桿端約束情況下壓桿的長(zhǎng)度計(jì)算系數(shù)的數(shù)值見(jiàn)表 2-1。表 2-1 壓桿的長(zhǎng)度計(jì)算系數(shù)在實(shí)際使用中通常用臨界壓力表示桿端的穩(wěn)定承載能力，即： cr =n cra= 2 ei(l)2 a（2-3）記：i=i2a于是i：稱(chēng)為桿件的截面回轉(zhuǎn)半徑； cr = 2 e(l / i)2= 2 e2（2-4）其中：= l / i稱(chēng)為桿件的長(zhǎng)細(xì)比或柔度。為了保證受壓桿的穩(wěn)定，其壓應(yīng)力

27、應(yīng)滿(mǎn)足： cr（2-5）為了使用上的方便，通常將壓桿的臨界穩(wěn)定壓應(yīng)力 cr 同材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度f(wàn) 聯(lián)系起來(lái)： cr= f ，其中 稱(chēng)為壓桿的穩(wěn)定系數(shù)。由公式（2-4）知， 應(yīng)是壓桿長(zhǎng)細(xì)比的函數(shù)。于是，壓桿的穩(wěn)定條件（2-5）變?yōu)椋?f或n a f（2-6）其中：n 為桿件所受的軸向力。2.1.3 模板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析方法的選擇一般桿系結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問(wèn)題可以分為兩類(lèi)2：7桿端約束條件兩端簡(jiǎn)支一端固定、一端自由兩端固定一端固定、一端簡(jiǎn)支長(zhǎng)度計(jì)算系數(shù)120.50.7華僑大學(xué)工程碩士學(xué)位論文第 2 章模板體系力學(xué)設(shè)計(jì)計(jì)算理論（1）軸心受壓桿件的穩(wěn)定問(wèn)題（第一類(lèi)穩(wěn)定問(wèn)題）。這類(lèi)問(wèn)題又可以分為兩個(gè)小類(lèi)：小變形問(wèn)題

28、與大變形問(wèn)題。（2）偏心受壓桿件的穩(wěn)定問(wèn)題（第二類(lèi)穩(wěn)定問(wèn)題）。對(duì)這兩類(lèi)穩(wěn)定問(wèn)題，目前的研究結(jié)論是23：對(duì)軸心受壓構(gòu)件：（1）當(dāng)荷載小于按小變形理論的歐拉方法求得的臨界荷載時(shí)，無(wú)論是按小變形理論還是大變形理論，構(gòu)件都處于直線(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)處于臨界荷載點(diǎn)時(shí)，小變形理論只能給出屈曲后變形曲線(xiàn)的形狀，但不能確定其撓度值。當(dāng)荷載大于臨界荷載后，只能說(shuō)明直線(xiàn)狀態(tài)是不穩(wěn)定的，而大變形理論不僅能說(shuō)明構(gòu)件屈曲后仍處在穩(wěn)定平衡狀態(tài)而且還能給出荷載與撓度之間一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。（2）大變形理論分析得到的屈曲后荷載雖略高于歐拉屈曲荷載，但荷載超過(guò) 1歐拉屈曲荷載時(shí)，變形將達(dá)到 3%桿件長(zhǎng)度，從而產(chǎn)生很大的彎曲應(yīng)力，使桿件進(jìn)

29、入彈塑性狀態(tài)。對(duì)偏心受壓構(gòu)件：在完全彈性狀態(tài)下，偏心距和初曲率不影響桿件的屈曲臨界荷載，但若考慮到材料實(shí)際的比例極限，此情況下將出現(xiàn)極值點(diǎn)失穩(wěn)現(xiàn)象。對(duì)模板支架問(wèn)題，考慮到安全性，采用小變形理論是合適的。由于已有試驗(yàn)表明4整架失穩(wěn)時(shí)桿件處于彈性狀態(tài)，故不應(yīng)采用偏心受壓構(gòu)件來(lái)分析。2.2 模板支架的計(jì)算模型雖然目前人們對(duì)鋼管模板支架的計(jì)算尚缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，但對(duì)相應(yīng)的腳手架設(shè)計(jì)計(jì)算問(wèn)題卻已作過(guò)很深入地探討。由于腳手架與模板支架材料相同，連接方式相同，構(gòu)造相近，在某種意義上，甚至可以認(rèn)為腳手架是模板支架的特例。因此，了解和研究扣件式鋼管腳手架的設(shè)計(jì)計(jì)算模型對(duì)模板支架有重要意義。根據(jù)近十幾年來(lái)所發(fā)表的學(xué)

30、術(shù)論文看，腳手架計(jì)算理論方面主要有以下幾種。2.2.1 腳手架的計(jì)算模型5 6 7 8（1）排架模型最先是由涂新華、谷秀慧、劉宗仁提出的用于竹腳手架計(jì)算的模型，它有下面幾個(gè)基本假設(shè)：忽略剪刀撐對(duì)出平面穩(wěn)定性的有利影響；不考慮設(shè)置頂撐8華僑大學(xué)工程碩士學(xué)位論文高大模板鋼管支撐架的穩(wěn)定性分析及工程應(yīng)用研究的情況；立桿與立桿、縱向水平桿與縱向水平桿之間的綁扎節(jié)點(diǎn)為剛節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)為鉸接點(diǎn)；各桿件均為等直截面桿。在腳手架的縱向平面內(nèi)，由于直角扣件的近似剛性連接及縱向剪刀撐的支撐作用，各立桿很難自由變形，在該平面內(nèi)采用排架模型顯然是不合理的。但在橫向平面內(nèi)，如上所述，若小橫桿是用直角扣件扣在大橫桿上的，

31、則橫向結(jié)構(gòu)進(jìn)比較接近排架的，對(duì)于小橫桿用直角扣件扣在立桿上的情形，將小橫桿兩端近似按鉸接處理也是偏于安全的。圖 2-3排架結(jié)構(gòu)計(jì)算模型但在該模型中，若采用單榀排架進(jìn)行分析，對(duì)于有連墻桿的部位，其支撐條件還比較明確；而對(duì)于無(wú)連接墻桿處的單榀排架，則支撐條件不好確定。該模型在應(yīng)用上的困難在于排架模型無(wú)法具體考慮縱向剪刀撐及橫向斜撐等對(duì)腳手架的加固作用；且在某種意義上只能采用有限元方法進(jìn)行分析。（2）剛架模型剛架模型是鋼管腳手架計(jì)算中最直觀的模型，該假設(shè)腳手架橫桿和立桿節(jié)點(diǎn)為剛接，腳手架整體為無(wú)側(cè)移多層剛架，因?yàn)槟_手架立桿和橫桿的連接點(diǎn)都是采用不可旋轉(zhuǎn)的直角扣件連接的。該模型實(shí)際上忽略了縱向支撐和橫

32、向支撐的影響，甚至忽略了連墻桿的影響，且其計(jì)算是按照理想空間剛架結(jié)構(gòu)進(jìn)行的，用有限元分析時(shí)，這種方法計(jì)算工作時(shí)較大。計(jì)算時(shí)可取出單元立桿，認(rèn)為橫桿對(duì)立桿剛接約束，約束情況介于“兩端固定”和“兩端鉸接”之間。按下式進(jìn)行計(jì)算:9華僑大學(xué)工程碩士學(xué)位論文第 2 章模板體系力學(xué)設(shè)計(jì)計(jì)算理論 =pa （2-7）式中:a 單根鋼管毛截面積； 鋼材的容許應(yīng)力。圖 2-4 剛接結(jié)構(gòu)計(jì)算模型（3）鉸接架模型另一種分析方法是將腳手架的節(jié)點(diǎn)作為鉸接點(diǎn)處理78。但這種方法中，其所采用的分析模型為有連墻桿的單榀橫向架體，僅將有連墻件處的節(jié)點(diǎn)作為鉸接點(diǎn)；在兩個(gè)連墻桿之間，各步立桿間的連接仍按剛節(jié)點(diǎn)考慮；所有小橫桿與立桿的

33、連接均按鉸接考慮。此時(shí)，立桿的計(jì)算長(zhǎng)度實(shí)際上即上下兩個(gè)連墻件之間的豎向間距。若這樣確定計(jì)算長(zhǎng)度，按腳手架規(guī)范所求得的立桿穩(wěn)定承載力在某些情況下與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是吻合的。其明顯缺點(diǎn)在于計(jì)算時(shí)無(wú)法計(jì)及縱向剪刀撐及橫向斜撐對(duì)架體的加固作用，無(wú)連墻桿處的橫向架體對(duì)所研究的橫向架體的影響也未能考慮。我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范是通過(guò)增加立桿的計(jì)算長(zhǎng)度考慮桿件的初始缺陷，計(jì)算長(zhǎng)度按下式計(jì)算:l 0 = k h（2-8）其中：k 為計(jì)算長(zhǎng)度附加系數(shù)， 為考慮腳手架整體穩(wěn)定的單桿計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，h 為步距。10華僑大學(xué)工程碩士學(xué)位論文高大模板鋼管支撐架的穩(wěn)定性分析及工程應(yīng)用研究英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)同（2-8），但是考慮了桿件初始偏心、初始彎曲及

34、銹蝕的影響按下式計(jì)算: =pa1k 2c（2-9）式中： k 2 考慮不垂直度及銹蝕的影響因素，一般取 2.00；c=fy+ (1 + )c20 fy+ (1 + )c202 f y c0（2-10）其中：fy鋼材的屈服應(yīng)力；c0=2e2； 1002 ； =lil 取橫向水平桿間距（即步距）；i 鋼管截面的回轉(zhuǎn)半徑；a 鋼管的毛截面積。pp圖 2-5 鉸接結(jié)構(gòu)計(jì)算模型2.2.2 模板支架的計(jì)算模型較之于雙排腳手架，通常的模板支撐架有下列特點(diǎn)：一般情況下，平面布置上遠(yuǎn)多于兩排；一般沒(méi)有連墻桿。11華僑大學(xué)工程碩士學(xué)位論文第 2 章模板體系力學(xué)設(shè)計(jì)計(jì)算理論對(duì)于扣件式鋼管模板支架，目前的計(jì)算模型除規(guī)

35、范規(guī)定的模型外，主要有以下幾種：多層排架模型（也稱(chēng)為等代柱模型）、有側(cè)移剛架模型和鉸接模型。（1）多層排架模型9排架模型是從升板式建筑結(jié)構(gòu)群柱穩(wěn)定性研究成果引申而來(lái)的。認(rèn)為：模板支架是上下兩端鉸接的多層排架，其穩(wěn)定性可以簡(jiǎn)化為兩端鉸接的等代柱的穩(wěn)定性，等代柱的剛度等于該多層排架各單柱剛度的總和，等代柱的計(jì)算長(zhǎng)度為多層排架柱的高度。該模型簡(jiǎn)單，且要領(lǐng)清晰，使用也很方便，能直觀地反映模架穩(wěn)定承載力隨調(diào)試增加而變小的規(guī)律。等代柱在下端與地面鉸接比較合理，但是，在頂部與模板鉸接時(shí)，該支點(diǎn)的側(cè)向支撐由什么提供卻值得思考。應(yīng)當(dāng)注意到，升板結(jié)構(gòu)群柱穩(wěn)定理論假設(shè)群柱為下端固定上端自由的懸臂柱；而且模板支架由于

36、所有荷載幾乎全部施加在支架頂部，在受力上比升板結(jié)構(gòu)實(shí)際上更為不利。另外，這樣規(guī)定的計(jì)算長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定，故所求得的穩(wěn)定承載力必然遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于現(xiàn)行規(guī)范，這與現(xiàn)行規(guī)范在很多情形下基本上仍能保證施工安全的現(xiàn)實(shí)相背離。（2）有側(cè)移剛架模型由于模板支撐架的特點(diǎn)，引入剛架結(jié)構(gòu)理論似乎是很自然的。文獻(xiàn)10曾提出用鋼結(jié)構(gòu)理論中的有側(cè)移剛架模型對(duì)雙排腳手架進(jìn)行穩(wěn)定性分析，后又將這種分析方法應(yīng)用于模板支撐架的計(jì)算。同腳手架一樣，模板支架的有側(cè)移剛架模型也無(wú)法考慮豎向剪刀撐及水平向剪刀撐的作用；但在采用有限元方法分析時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況，將剪刀撐及斜撐桿件用梁?jiǎn)卧蜚q接直桿單元進(jìn)行模擬。（3）鉸接模型腳手架將“

37、結(jié)點(diǎn)”視為“鉸”，通過(guò)試驗(yàn)證明是比較符合實(shí)際的，因而依照鉸結(jié)繪制結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖是顯而易見(jiàn)的（見(jiàn)圖 2-6）。多立桿腳手架結(jié)構(gòu)形成了不同于常見(jiàn)的桁架體系，猶如多層桁架相重疊的形式，可稱(chēng)之為網(wǎng)格式結(jié)構(gòu)體系。雖然水平及垂直荷載是均布荷載，但卻可化成結(jié)點(diǎn)荷載，只要在桿件強(qiáng)度計(jì)算時(shí)疊加上均布荷載產(chǎn)生的彎矩即可滿(mǎn)足要求。由于節(jié)點(diǎn)間跨度較小，彎曲應(yīng)力一般是次要的。對(duì)網(wǎng)格式結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何構(gòu)成分析時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)由十字蓋形成的斜桿對(duì)于其達(dá)到靜定是很重要的。對(duì)結(jié)構(gòu)自下而上的分析可以看出，在兩道大橫桿間方格間12華僑大學(xué)工程碩士學(xué)位論文高大模板鋼管支撐架的穩(wěn)定性分析及工程應(yīng)用研究只要有一根斜桿即可使其達(dá)到靜定。這是腳手架能夠承

38、載的基本條件。此時(shí)立桿的計(jì)算長(zhǎng)度似乎可等于步距。圖 2-6腳手架計(jì)算簡(jiǎn)圖對(duì)于模板支架而言，橫向框格和縱向框格設(shè)斜桿者均占一半，使其構(gòu)架近于“幾何不可變桿系結(jié)構(gòu)”，顯著提高了構(gòu)架的整體剛度和穩(wěn)定承載能力。對(duì)于扣件式鋼管架來(lái)說(shuō)，其中旋轉(zhuǎn)型扣件與此假設(shè)完全一致，其側(cè)面計(jì)算簡(jiǎn)圖（橫向）由于小橫桿一般是扣接在水平桿上，因而也是完全一致的，從大面計(jì)算簡(jiǎn)圖來(lái)看，垂直連接扣件具有一定的抗彎性能但是依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的使用經(jīng)驗(yàn)（按鉸接計(jì)算的橋梁架其實(shí)際鉸接節(jié)點(diǎn)抗彎度很大），這樣假設(shè)的結(jié)果也是偏于安全的。對(duì)于碗扣鋼管架，由于上碗扣的固定程度不足，因而也是適合該種假設(shè)條件的。各桿件連接點(diǎn)全部為“鉸”，桿系的幾何不變條件強(qiáng)烈

39、依賴(lài)于斜桿和支撐的存在。桿件的計(jì)算長(zhǎng)度等于各節(jié)點(diǎn)之間的距離。這種計(jì)算模式與腳手架的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果是一致的，此外該模型的概念清楚、受力明確、計(jì)算方法簡(jiǎn)便不失為一種理想的計(jì)算模型。2.2.3 對(duì)模板支架計(jì)算模型的比較除規(guī)范規(guī)定的模型外，從腳手架的計(jì)算模型來(lái)擴(kuò)展，剛架模型可以直接引伸過(guò)來(lái)，而不需要太大的修改。排架模型在這種情況下等效支撐的確定將變得很困難，由于缺少了連墻桿，鉸接模型中立桿鉸接點(diǎn)的位置也將無(wú)法確定。故腳手架計(jì)算中的排架模型和鉸接模型在模板支撐架分析中無(wú)法直接應(yīng)用。從模板支架現(xiàn)有的兩種計(jì)算模型看，排架計(jì)算長(zhǎng)度的規(guī)定似乎過(guò)于保守，相比而言，剛架模型似乎更接近于模板支架的結(jié)構(gòu)現(xiàn)實(shí)。13華

40、僑大學(xué)工程碩士學(xué)位論文第 2 章模板體系力學(xué)設(shè)計(jì)計(jì)算理論2.3 高支撐架整體穩(wěn)定分析原理及模型2.3.1 高支撐架整體穩(wěn)定分析原理模板支撐體系是由立桿、水平桿、剪刀撐組成的一個(gè)整體，當(dāng)其中一根桿件發(fā)生失穩(wěn)，必然影響與之相連接的其它桿件。因此，桿件的穩(wěn)定性不能就某一根桿件去孤立地分析，應(yīng)當(dāng)綜合考慮桿件之間的相互約束作用，這種約束作用必須對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析方可確定，這就是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的整體性問(wèn)題。高支撐架整體穩(wěn)定理論分析模型，高支撐架是由多根立桿和許多水平桿組成的龐大桿件體系，其中單根立桿的穩(wěn)定性與整個(gè)體系的關(guān)系，存在以下 3 點(diǎn)定性的規(guī)律11：（1）與計(jì)算壓桿直接相連接的桿件對(duì)計(jì)算桿的約束作用大，而

41、相距越遠(yuǎn)的桿件約束作用越?。唬?）相連桿件約束作用的大小，取決于它的線(xiàn)剛度 ei/ l 和內(nèi)力性質(zhì)。從內(nèi)力性質(zhì)來(lái)說(shuō)，由于桿件受壓時(shí)彎曲剛度將減弱，桿件受拉時(shí)會(huì)使彎曲剛度增大，所以拉桿所起的約束作用比壓桿要大許多；當(dāng)內(nèi)力性質(zhì)相同時(shí)，線(xiàn)剛度大的約束作用大，反之則?。唬?） 設(shè)計(jì)中穩(wěn)定承載力未充分利用的立桿對(duì)失穩(wěn)立桿存在約束作用。分析上述基本規(guī)律可見(jiàn)，要準(zhǔn)確分析某一立桿的穩(wěn)定性是十分困難的。同時(shí)，排除水平桿和剪刀撐的作用也是不合理，但要準(zhǔn)確確定其作用大小很難做到，這就要尋求一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)化，同時(shí)又能較好反映各桿件共同作用的力學(xué)模型。2.3.2 高支撐架整體穩(wěn)定理論分析模型在模板高支撐體系中，立桿為多點(diǎn)支

42、撐的連續(xù)壓桿，水平桿和剪刀撐的功能是為立桿提供側(cè)向支撐，同時(shí)也有調(diào)節(jié)各立桿軸力的作用，使軸力較大、變形較大的立桿內(nèi)力通過(guò)水平桿傳遞給周?chē)U，避免過(guò)早屈曲，提高了支撐體系的整體穩(wěn)定性。同時(shí)，由于各層水平桿與同一立桿相互傳力狀況并不一樣，即使忽略節(jié)間的彎矩影響后，同一立桿各節(jié)間軸向壓力的大小不等，其中必有一個(gè)節(jié)間受壓最大。當(dāng)荷載增加到一定程度時(shí)，壓桿在該節(jié)間可能首先屈曲，并帶動(dòng)相連的水平桿或剪刀撐隨同變形，這一現(xiàn)象顯示出結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的整體特征。整體作用的存在，立桿的屈曲臨界力將大于兩端鉸接受壓桿的臨界力。根據(jù)14華僑大學(xué)工程碩士學(xué)位論文高大模板鋼管支撐架的穩(wěn)定性分析及工程應(yīng)用研究立桿和水平桿整體受力

43、的特點(diǎn)，可以通過(guò)簡(jiǎn)化的力學(xué)模型來(lái)模擬立桿的整體受力特點(diǎn)。水平桿和剪刀撐對(duì)立桿的約束作用可以彈性支座來(lái)模擬。由于一根高支撐立桿連接著多層水平桿，所以立桿的力學(xué)模型可以簡(jiǎn)化為有多個(gè)彈性支座的多節(jié)間連續(xù)壓桿，見(jiàn)圖 2-6。圖 2-7有多個(gè)彈性支座的多節(jié)間連續(xù)壓桿2.3.3 多節(jié)間連續(xù)壓桿的彈性屈曲分析對(duì)于等跨等軸壓等彈簧剛度的軸壓桿3，如圖 2-6 所示的連續(xù)壓桿承受軸力p，各節(jié)間軸力均為 p。 對(duì)這種屈曲桿長(zhǎng)度范圍內(nèi)包括不少于 3 個(gè)支座的情況，可以用連續(xù)的彈性介質(zhì)來(lái)代替多個(gè)彈性支座。設(shè)每個(gè)支座的彈簧剛度相等且為k， l 為支座的間距，則等效彈性介質(zhì)的剛度 （它表示當(dāng)撓度為 1 單位時(shí)，桿每單位長(zhǎng)

44、度內(nèi)的基礎(chǔ)反力的大?。?為: = k / l壓桿屈曲撓度曲線(xiàn)用級(jí)數(shù)式來(lái)表示為:（2-11）n1nxl（2-12）根據(jù)能量法可得臨界荷載的表達(dá)式為:p =224 2nn=12 2nn=12n（2-13）要使式（2-13）的值最小，可取三角級(jí)數(shù)系數(shù)中任一項(xiàng)不為零，其余系數(shù)均為零，這表示立桿的撓度曲線(xiàn)為一簡(jiǎn)單的正弦曲線(xiàn)。若取三角級(jí)數(shù)系數(shù) am 為不等于零的系數(shù)，可得撓度曲線(xiàn)為:y = am sinmxl15（2-14）y = a n sinl=n 1 n a + 4 ei na a華僑大學(xué)工程碩士學(xué)位論文對(duì)應(yīng)臨界荷載為:第 2 章模板體系力學(xué)設(shè)計(jì)計(jì)算理論l4 2 eim2 4 ei l2= 2 ei

45、l2（2-15） = m 2 +l4m 2 4 ei（2-16）式中：m 為整數(shù)，代表立桿屈曲時(shí)形成的正弦半波的個(gè)數(shù)；p 的最小值由 m和其他參數(shù)共同決定。當(dāng)= 0 即無(wú)彈性介質(zhì)時(shí)，要求 p 的最小值，m 必須等于 1，這就是兩端鉸接桿的屈曲情形。所以當(dāng)很小,（2-15）式中 m 須等于 1 才能得到 p 的最小值。當(dāng)增大,壓桿屈曲的半波個(gè)數(shù)增加，取最小值，要求:l4 4 ei= m 4或lm= 4 4 ei（2-17）把上式代入（2-15） 式得:pcr =2m 2 2 eil2= 2 2 ei(l / m)2（2-18）上式說(shuō)明 pcr 值是長(zhǎng)設(shè)為 l/m 的兩端鉸接桿的歐拉荷載值的 2

46、倍，提高的原因就是水平桿及剪刀撐對(duì)高支撐架整體穩(wěn)定的貢獻(xiàn)。多節(jié)間連續(xù)壓桿模型考慮了水平桿和剪刀撐對(duì)立桿的約束作用，模型中把水平桿對(duì)立桿的牽連作用模擬成彈簧支座。但實(shí)際彈簧支座的剛度受水平桿與立桿的扣件連接強(qiáng)度、鋼管的慣性矩、水平桿和立桿的線(xiàn)剛度等多個(gè)因素的影響，一般難以用理論方法確定，需要通過(guò)系統(tǒng)的試驗(yàn)來(lái)確定。2.4 扣件式鋼管腳手架與模板支架立桿計(jì)算長(zhǎng)度取值計(jì)算長(zhǎng)度是立桿穩(wěn)定性計(jì)算的重要參數(shù)，現(xiàn)行建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范125.3.1 條給出立桿穩(wěn)定性計(jì)算的公式為不組合風(fēng)荷載時(shí)：n / a f組合風(fēng)荷載時(shí)：（2-19）na+m ww f（2-20）16p = m 2 +華僑大學(xué)工程碩士學(xué)位論文高大模板鋼管支撐架的穩(wěn)定性分析及工程應(yīng)用研究從公