第一章 绪论
1.1 选题背景与实际意义
随着我国经济社会的飞速发展和改革开放的不断推进，建筑行业正处于快速发展的阶段，工程事故就变成了全社会密切关注的热点。在建筑施工中脚手架和模板支撑架的成本大约占到工程总造价的 30%，脚手架和模板支撑架安装拆卸工时占总工时的 50%以上，说明脚手架和模板支撑工程在建筑施工中占有重要的地位[1]。而我国建筑施工中四分之一的安全事故都和模板支架体系失稳坍塌有关，模板支架体系坍塌是最常见的施工事故，易造成重大人员伤亡[2]。所以，如果模板支架发生了垮塌，将容易造成群死群伤现象，严重威胁着人们生命财产安全和社会的稳定。
1.1.1 模板支架的工程事故
模板支架是土木工程现浇混凝土结构施工中重要的临时设施，是现浇混凝土结构施工期荷载的支撑结构，既要保证现浇混凝土结构施工质量与施工安全，还要考虑施工进度与成本。但是，由于模板支架在工程中属于临时结构，其本身的稳定性和强度要求经常不受重视，特别是承载能力稳定性，在设计时考虑不周，造成因稳定性不足导致模板支架失稳倒塌的伤亡事故屡见报端[3~5]。下面给出近几年的几起事故。
(1) 2018 年 8 月 31 日，山东省德州市经济开发区龙溪香岸住宅小区三期项目地下车库发生了模板支撑坍塌事故，造成 6 人死亡、2 人受伤。
(2) 2017 年 3 月 27 日，湖北麻城市五脑山水上游乐项目综合楼穹顶模板支架发生垮塌事故，造成 9 人死亡，6 人受伤，其模板支架坍塌现场图见 1-1 所示。
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1.2 盘扣式钢管承重支架的特点
1.2.1 盘扣式钢管承重支架的主要构配件及尺寸
盘扣式钢管承重支架体系由立杆、水平杆、竖向斜杆、可调底座、可调托盘组成。
立杆：杆上焊接有连接盘和连接套管的竖向支撑杆件，材质为 Q345A。
连接盘：焊接于立杆上可扣接 8 个方向扣接头的八边形或者圆环形孔板，由铸铁制成，立杆盘扣节点间距宜按 0.5m 模数设置。
水平杆：两端焊接有扣接头，且与立杆扣接的水平杆件，材质为 Q235B。
斜杆：与立杆上的连接盘扣接的斜向杆件，分为竖向斜杆和水平斜杆两类，材质分别为 Q195 和 Q235B。
可调底座：安装在立杆底端可调节高度的底座，材质为 Q235B。
可调托座：安装在立杆顶端可调节高度的顶托，材质为 Q235B。
插销：固定扣接头与连接盘的专用楔形部件。
可调底座和可调托盘安装在立杆的底端和顶端，可调节架体高度；水平杆、竖向斜杆与立杆的连接盘连接，通过插销锁定，形成良好的空间受力体系。各构件参数如下表1-1。盘扣式钢管承重支架见图 1-6 所示。
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第二章 盘扣式钢管承重支架的试验研究
2.1 引言
在土木工程专业中，结构试验是一门必不可少的基础课，是通过施加荷载或其他类型的方式对工程的结构或构件进行试验研究，利用仪器和设备采集相关数据，测量出结构或杆件的内力、转角、变形、振幅、频率以及支座位移等，用来校对结构或构件是否满足其设计要求，是否安全可靠，并且可为今后新领域结构的发展和探索提供理论基础和手段。
结构试验按照试验的对象分为真型试验和模型试验[59]，采用实际的构件或结构为试验的研究对象称为真型试验，而模型试验则是通过将实际的构件或结构按照适当的尺寸缩小或放大形成的模型为试验研究对象。本章对盘扣式钢管承重支架进行真型试验，真实实测架体的力学性能，并在室内进行试验研究，以减少试验的误差。
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2.2 试验设计
2.2.1 试验目的
盘扣式钢管支架作为新型模板支架，具有搭设速度快、拆卸方便、构成形式灵活，能适应不同建筑造型的施工要求且具有较高的承载力等优点，在土木工程中将会得到广泛应用[60]。但目前对这种新型模板支架的相关研究仍还不够，本章为了进一步了解主要试验构件参数的不同对承载力和破坏模态的影响，在福建工程学院结构馆内进行有关的全比例真型试验研究。
通过在室内进行了全比例真型试验，实测盘扣式钢管支架的极限承载力、破坏模态、荷载-位移曲线，以及在加载过程中构件内力的变化和变形情况，并通过改变主要试验构件参数的，了解其对极限承载力的影响大小、破坏模态的差异，为实际工程的应用提供有价值的参考。
2.2.2 试验方案
根据实际工程的应用，设计了 7 组试验研究，每组架体都是单跨两步，架高均为3.5m(0.25m+2×1.5m+0.25m=3.5m)，每组架体的可调托座和可调底座外伸长度分别为0.08m、0.12m，扫地杆到地面距离为 0.37m (0.25m+0.12m=0.37m)，顶层水平杆到一级分配梁距离为 0.33m (0.25m+0.08m=0.33m) ，进一步了解主要试验构件参数的不同对承载力和破坏模态的影响。
其中，架体 1、2 和架体 3、4 对比的是不同立杆钢管的直径，立杆管型有 A 型 B型可选；架体 1、3 和架体 2、4 对比的是不同竖向斜杆规格，工程实际应用中会存在某种竖向斜杆规格数量不够或丢失，能否用其他规格竖向斜杆来代替；架体 1、5、6 对比的是不同立杆间距，了解立杆间距对承载力的影响；架体 1、7 对比的是架体有无竖向斜杆，研究竖向斜杆对架体的影响程度。
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3.1 引言 .................................... 58
3.2 结构失稳概论 ............................... 58
第四章 盘扣式钢管承重支架的有限元参数分析 .................................. 77
4.1 引言 ....................................... 77
4.2 初始缺陷的影响 ...................................... 77
第五章 结论与展望 ....................................... 97
5.1 结论 ...................................... 97
5.2 展望 .................................... 98
第四章 盘扣式钢管承重支架的有限元参数分析
4.1 引言
为了更深入的了解盘扣式钢管承重支架的受力机理，提高其在实际工程应用的经济效益以及充分发挥架体的力学性能，所以本章通过改变架体的单一变量，对其进行有限元 ABAQUS 模型模拟，分析架体在不同参数下的稳定性与极限承载能力。
通过前面第二章的试验和第三章的 ABAQUS 模型模拟，可以发现，盘扣式钢管承重支架的刚度、结构稳定性与变形模态对架体的承载能力有着很大的影响，所以本章通过改变架体的初始缺陷、立杆钢管直径、立杆钢管壁厚、立杆间距、水平杆的步距、架体的竖向斜杆搭设形式以及架体的步数等影响因素，根据不同参数建立 ABAQUS 模型模拟分析，更加进一步研究盘扣式钢管承重支架的极限承载能力与失稳模态。
在工程实际作业当中，构件肯定存在加工、拼装以及运输等作业，所以就会造成构件不可能避免的产生初始缺陷。在前面的第三章对单跨两步的盘扣式钢管承重支架引入L/500 的初始缺陷，即 7.00mm，得出与试验一致的失稳模态，所以在有限元 ABAQUS模型模拟中，通过一致缺陷模态法，对架体引入初始缺陷，更加贴近实际工程情况。本章考虑到初始缺陷的变化对极限承载能力的影响，应用单一变量的方法，基于第三章架体 1 的 ABAQUS 模拟模型分别引入杆长为 L/1500(2.33mm)、L/1000(3.50mm)、L/300(11.67mm)、L/250(14.00mm)、L/200(17.50mm)初始缺陷建立 5 组模型，得出其模拟结果并互相对比。
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第五章 结论与展望
5.1 结论
本文为了研究盘扣式钢管承重支架的力学性能，对不同立杆钢管直径、不同竖向斜杆规格以及不同立杆间距的 7 组架体进行试验研究，得到其试验加载过程现象、极限荷载、荷载-位移曲线、荷载-应变曲线和架体的破坏模态，并通过有限元 ABAQUS 软件分别建立 7 组不同工况的模型，模拟其极限荷载、失稳模式、荷载-位移曲线，并与试验数据进行分析和对比，验证模型的准确性。在模型正确的基础上进行大量的参数分析，研究架体的初始缺陷、立杆钢管直径、立杆钢管壁厚、立杆间距、水平杆的步距、架体的竖向斜杆搭设形式以及架体的高度等影响因素的规律，得出盘扣式钢管承重支架的实用性结论以及考虑初始缺陷的立杆稳定性计算长度修正系数和支架搭设高度的修正系数，为盘扣式钢管承重支架的工程实践、推广应用以及有关规程的修订提供有价值的参考。主要有以下几点结论：
(1) 竖向斜杆搭设在立杆与水平杆连接的主节点上或者无竖向斜杆的架体都发生第二步单根立杆屈曲失稳，而未搭设在立杆与水平杆连接的主节点上的架体均发生架体扭曲失稳，7 组不同的架体且失稳时的最大位移均出现在架体的第二步立杆上。
(2) 7 组不同的架体在达到极限荷载时，无论是水平杆还是竖向斜杆的应变都远小于立杆的应变，说明了水平杆和竖向斜杆在试验加载的过程中，并不是主要的受力杆件，其主要功能是联系立杆，保证立杆竖直受力，起到整体作用。
(3) 在其他构件参数不变的条件下，增大立杆直径会使极限承载力大幅度提高，这是因为立杆是主要的受力杆件，增加立杆直径可直接提高架体的整体稳定性，对架体的刚度也得到一定的提升。
(4) 架体 1 相对于架体 3 的极限承载力提高了 23%，架体 2 相对于架体 4 的极限承载力提高了 14%，说明在其他构件参数不变的条件下，竖向斜杆未搭设在立杆与水平杆连接的主节点上，减小竖向斜杆规格对架体的承载力影响较大，这是因为竖向斜杆尺寸变短，使得立杆中间位置有部分没被竖向斜杆约束，使得架体的整体刚度下降，立杆不能充分发挥钢材的材料强度。
参考文献（略）