扣件式钢管支撑架直接分析法设计与工程应用

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扣件式钢管支撑架作为临时支撑体系中占比最大的结构安装承力支架,被广泛应用于建筑施工中。在双碳战略背景下建筑施工中的建筑结构形式、施工技术在现代科学技术的支撑下不断进行创新实践,其支撑结构承载力和安全性能的要求也随之提高。然而扣件式钢管支撑架经多次周转使用初始缺陷较大,杆件和其连接节点的承载能力被削弱,架体的非线性行为显著,导致坍塌事故时有发生。现行规范中基于单杆的线弹性设计方法已不能体现结构的整体稳定性和准确捕捉架体受力特性,而基于直接分析法的结构整体稳定性分析可有效弥补现有规范设计方法的局限性,因此有必要对扣件式钢管支撑架的直接分析法设计理论展开研究。本文以扣件式钢管支撑架为研究对象,系统梳理了国内外研究现状和动态,针对直接分析法设计中三个关键参数:构件的综合初始缺陷、结构的整体初始缺陷和节点全过程弯矩转角曲线,采用理论试验模拟相结合的方式进行了定量化研究,确定了关键参数的取值,并以某大学教学楼高支模工程为背景进行了直接分析法设计,规范了扣件式钢管支撑架直接分析法的设计步骤并针对关键设计问题给出了实际建议。具体研究内容如下:(1)基于钢结构的稳定理论,通过Perry公式推导了稳定系数、正则化长细比与等效初始缺陷的关系,并利用轴心受压稳定系数反推构件的综合初始缺陷,得到综合初始缺陷与长细比曲线,取综合初始缺陷最大值作为综合初始缺陷的建议值。在此基础上拟合出综合初始缺陷的数学模型,并给出在不同初始弯曲下的综合初始缺陷建议值。基于经典足尺试验结果和有限元分析给出了结构整体初始缺陷施加方式和建议取值。(2)开展了新旧节点刚度对比试验,确定了新旧节点转动的力学特性和刚度退化规律,得出了节点转动刚度和扣件拧紧力矩的线性关系,给出了较为保守的全过程弯矩转角曲线和对应的半刚性计算模型参数取值。(3)基于经典算例建立了考虑整体初始缺陷、构件初始缺陷和节点非线性半刚性的精细化有限元模型,带入上述确定的关键设计参数进行了扣件式钢管支撑架的线性屈曲分析、二阶P-(35)弹性分析和直接分析法对比分析,从结构的失稳模式、最大节点位移和极限承载力的角度说明了各个分析方法的分析要点和计算精度,并对直接分析法的分析步骤、初始缺陷和节点半刚性的考虑方法进行了详细说明。(4)以某大学高支模工程为背景进行了直接分析法设计,在保证安全系数大于2.0的情况下,应用直接分析法得到了工程最优设计方案,比原工程方案节省33.7%的钢管耗材量,并给出扣件式钢管支撑架直接分析法设计建议。本文研究成果对直接分析法应用于实际工程和制定相关规范有借鉴意义。
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