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摘 要： 为了研究高支模脚手架在风荷载作用下的振动问题，利用数值有限元软件 ABAQUS 对高支模脚手架的振动问题进行研究。对模型分析得
到了高支模脚手架的位移和应力变化图，并通过应力应变的变化关系总结得出了整个结构的承载力和稳定性变化的一般性规律。通过对高支模脚
手架有限元模型进行分析得到如下结论：随着高度的增加位移也在逐渐变大；每一层结构的位移变化都是随着距离的增加呈现出波浪形增大，在
两个节点之间结构位移会有突然的增加；在结构的顶部位移变化最大，在整个结构的底部位移变化较小；随着结构整体高度降低结构的应力变化
也在逐渐地降低。
关键词： 高支模脚手架；数值分析；振动；ABAQUS
引言
随 着 我 国 经 济 水 平 不 断 提 高 ， 建 筑 行 业 的 相 关 技 术 也 在 逐 渐 变 得 成 熟 ， 越 来 越 多 的 建 筑 向 着 更 高 、 更 大 的 目 标 发 展 。 由 于 高
支 模 脚 手 架 安 装 高 度 高 、 风 险 系 数 大 ， 对 高 支 撑 脚 手 架 系 统 的 稳 定 性 和 施 工 工 艺 的 合 理 性 都 提 出 了 严 格 的 要 求 。
高 大 模 板 支 模 （ 简 称 高 支 模 ） 主 要 存 在 于 桥 梁 施 工 、 公 共 建 筑 施 工 以 及 带 有 转 换 层 的 建 筑 结 构 施 工 。 这 些 工 程 项 目 的 形 体 造
型 复 杂 ， 具 有 大 体 积 、 大 跨 度 、 超 高 空 、 大 荷 载 等 特 点 。 这 些 特 点 决 定 了 其 支 模 工 程 与 常 规 支 模 工 程 的 不 同 。 住 建 部 对 高 支 模 进
行 了 明 确 说 明 ： 高 支 模 属 于 危 险 性 较 大 的 分 部 分 项 工 程 中 的 混 凝 土 模 板 支 撑 工 程 ， 架 体 搭 设 高 度 8 m 及 以 上 ； 搭 设 跨 度 1 8 m 及
以 上 ， 施 工 总 荷 载 1 5 k N / m 2 及 以 上 ； 集 中 线 荷 载 2 0 k N / m 及 以 上 。 达 到 以 上 条 件 的 工 程 项 目 需 要 根 据 需 求 ， 制 定 专 项 施 工 方 案
并 交 给 业 内 专 家 进 行 论 证 ，从 而 进 一 步 保 证 高 支 模 施 工 的 安 全 可 靠 。模 板 支 架 种 类 繁 多 ，目 前 在 施 工 中 应 用 较 为 广 泛 的 是 扣 件 式 、
碗 扣 式 、 盘 扣 式 、 门 式 钢 管 脚 手 架 、 升 降 式 脚 手 架 等 。 在 构 件 尺 寸 上 ， 扣 件 式 脚 手 架 布 置 较 为 灵 活 ， 不 受 杆 件 自 身 结 点 限 制 ， 但
一 般 按 模 数 搭 设 ， 便 于 施 工 ； 碗 扣 式 和 盘 扣 式 受 自 身 杆 件 结 点 限 制 ， 也 按 为 模 数 搭 设 ， 方 便 结 构 截 面 规 则 、 施 工 条 件 良 好 的 地 方
使 用 。
国 内 多 数 规 范、 规 程 规 定：“ 水 平 构 件 混 凝 土 模 板 支 撑 体 系 高 度 超 过 8 m， 或 跨 度 超 过 18 m， 或 施 工 总 荷 载 大 于 10 kN/m 2，
或 集 中 线 荷 载 大 于 15 kN/m， 或 柱、 墙 等 竖 向 构 件 独 立 支 模 高 度 大 于 6 m 的 模 板 支 撑 体 系” 为 高 支 模 架 体 系。 国 外 有 规 范 按 高 度 和
荷 载 大 小 将 模 架 工 程 分 为 基 本 模 板 工 程 和 特 殊 模 板 工 程 两 类 ， 将 模 板 支 架 高 度 大 于 6 m 以 及 柱 、 墙 模 独 立 高 度 大 于 6 m 的 模 板 工
程 列 为 特 殊 模 板 工 程 ， 并 规 定 只 有 执 业 工 程 师 才 能 设 计 特 殊 模 板 工 程 。 高 支 模 架 设 计 中 立 柱 失 稳 问 题 是 影 响 安 全 的 主 要 问 题 ， 我
国 规 范 支 架 立 柱 的 稳 定 计 算 曾 借 鉴 英 国 《 脚 手 架 工 程 规 范 》 的 方 法 ， 我 国 有 关 构 造 方 面 的 规 定 与 英 国 标 准 中 “ 几 何 不 变 杆 件 体 结
构 体 系 ” 的 力 学 模 型 假 设 相 差 较 远 。 近 年 来 ， 国 内 专 家 、 学 者 在 脚 手 架 和 模 板 支 撑 架 结 构 安 全 理 论 研 究 方 面 做 了 大 量 工 作 ， 已 经
取 得 了 不 少 进 展 。 专 家 建 议 对 规 范 进 一 步 修 订 ， 采 用 新 公 式 计 算 立 杆 的 稳 定 性 。
通 过 对 高 支 模 脚 手 架 进 行 数 值 有 限 元 模 拟 ， 能 够 对 脚 手 架 不 稳 定 的 部 位 进 行 有 针 对 地 施 工 和 提 前 防 护 。 方 诗 圣 等 [ 1 ] 系 统 分 析
了 高 支 模 建 立 碗 扣 式 满 堂 支 架 系 统 有 限 元 模 型 的 应 力 与 位 移 变 化 规 律 ， 并 且 通 过 实 时 监 测 已 经 证 实 了 高 模 板 脚 手 架 系 统 的 安 全 性
和 稳 定 性 ， 以 及 数 值 计 算 的 可 靠 性 。 何 战 武 等 [ 2 ] 利 用 有 限 元 计 算 软 件 A N S Y S 与 测 量 值 进 行 对 比 模 ， 得 出 浇 筑 方 法 的 不 同 会 使 高 支
模 不 同 部 位 的 立 杆 在 混 凝 土 浇 筑 的 过 程 中 轴 力 体 现 出 不 同 的 变 化 趋 势 。 罗 卫 华 [ 3 ] 通 过 有 限 元 数 值 模 型 分 析 高 支 模 体 系 发 现 轮 扣 式
高 支 模 脚 手 架 稳 定 承 载 力 先 增 大 后 减 小 ， 最 大 值 比 最 小 值 增 加 了 约 1 0 % 。 之 前 的 学 者 对 于 高 支 模 脚 手 架 的 研 究 都 没 能 具 体 地 分 析
其 不 同 层 不 同 列 的 应 力 应 变 的 变 化 情 况 。
在 工 程 中 高 支 模 脚 手 架 通 常 都 是 采 用 密 集 的 网 格 封 闭 ， 其 风 阻 系 数 非 常 的 高 。 因 此 ， 风 荷 载 已 成 为 了 作 用 在 高 支 模 脚 手 架 上
影 响 其 承 载 的 重 要 荷 载 之 一 ， 通 过 研 究 可 以 发 现 在 风 荷 载 作 用 下 高 支 模 脚 手 架 振 动 非 常 的 明 显 。 因 此 ， 有 必 要 研 究 风 荷 载 对 脚 手
架 竖 向 承 载 能 力 和 振 动 的 影 响 ， 这 对 控 制 建 筑 施 工 和 施 工 ， 确 保 建 筑 安 全 具 有 重 要 的 技 术 意 义 。
1 结构模型简介
依 据 现 行 规 范 和 现 场 施 工 情 况 ， 需 要 对 高 支 模 脚 手 架 在 建 模 时 做 以 下 基 本 假 定 [ 4 - 5 ]：
（ 1 ） 本 文 建 立 的 高 支 模 脚 手 架 模 型 结 构 体 系 是 空 间 立 体 结 构 构 件 体 系 ， 假 设 整 个 几 何 结 构 体 系 为 可 变 杆 系 结 构 ；
（ 2 ） 假 设 在 模 型 中 其 立 杆 都 是 轴 心 受 压 杆 件 ， 受 均 布 荷 载 作 用 ， 当 高 支 模 架 体 处 于 整 体 失 稳 状 态 时 ， 则 高 支 模 架 的 稳 定 承 载
力 是 轴 向 压 力 ；
（ 3 ） 假 设 由 于 局 部 个 别 荷 载 沉 降 等 所 导 致 的 结 构 整 体 失 稳 不 予 考 虑 ；
（ 4 ） 假 设 整 个 结 构 的 材 料 质 量 都 是 理 想 状 态 的 材 料 。
本 文 计 算 的 结 构 共 8 层 ， 整 体 高 支 模 的 尺 寸 为 9 m × 9 m × 1 0 m ， 单 个 脚 手 架 尺 寸 为 1 . 5 m × 1 . 5 m × 1 . 2 m 。 结 构 的 平 面
布 置 如 图 1 所 示 。 高 支 模 所 用 环 形 钢 管 的 截 面 面 积 为 4 8 9 m m 2， 钢 管 厚 度 为 3 . 5 m m ， 外 径 为 4 8 m m 。 另 外 ， 在 A B A Q U S 中 建
立 具 有 相 同 高 支 模 的 部 分 的 有 限 元 模 型 ， 其 中 高 支 模 的 单 元 采 用 三 维 线 梁 单 元 进 行 模 拟 （ 图 2 ） ， 支 模 整 体 的 本 构 模 型 采 用 采 用
A B A Q U S 自 带 的 弹 塑 性 本 构 模 型 。
基于 ABAQUS 高支模脚手架振动性能研究
程 鑫 曹 铮 牛红刚 / 中信建设有限责任公司 北京 100027
戴 葵 管 路 / 武汉轻工大学 湖北武汉 430023
摘 要： 为了研究高支模脚手架在风荷载作用下的振动问题，利用数值有限元软件 ABAQUS 对高支模脚手架的振动问题进行研究。对模型分析得
到了高支模脚手架的位移和应力变化图，并通过应力应变的变化关系总结得出了整个结构的承载力和稳定性变化的一般性规律。通过对高支模脚
手架有限元模型进行分析得到如下结论：随着高度的增加位移也在逐渐变大；每一层结构的位移变化都是随着距离的增加呈现出波浪形增大，在
两个节点之间结构位移会有突然的增加；在结构的顶部位移变化最大，在整个结构的底部位移变化较小；随着结构整体高度降低结构的应力变化
也在逐渐地降低。
关键词： 高支模脚手架；数值分析；振动；ABAQUS
68 | CHINA HOUSING FACILITIES
技术探讨
2 有限元模型
2.1 本构及荷载
对 于 受 到 风 荷 载 作 用 而 产 生 振 动 的 高 支 模 脚 手 架， 采 用 的 材 料 属 性 既 要 考 虑 弹 性 也 要 考 虑 塑 性。 具 体 的 材 料 参 数 见 表 1。 高 支
模脚手架中钢管的本构关系采用丁发兴等 [6] 提出的弹塑性混合增强模型，该模型能够很好地反映钢管整个的屈服面及包辛格效应。
表 1 材料参数表
高 支 模 脚 手 架 模 型 受 到 的 荷 载 主 要 有 自 重 作 用 和 风 荷 载 作 用 ， 自 重 考 虑 钢 管 自 身 的 重 力 加 速 度 。 本 文 中 ， 风 荷 载 设 计 是 根 据 《 建
筑 施 工 扣 件 式 钢 管 脚 手 架 安 全 技 术 规 范 》 中 的 要 求 将 风 荷 载 采 用 线 荷 载 的 形 式 作 用 在 整 个 高 支 模 脚 手 架 的 结 构 立 杆 和 节 点 上 ， 这
样 做 能 够 最 大 限 度 地 考 虑 风 荷 载 的 作 用 面 ， 并 且 风 荷 载 作 用 于 高 支 模 脚 手 架 需 要 符 合 脚 手 架 的 稳 定 承 载 能 力 ：
式 中： N 为 脚 手 架 立 杆 轴 向 设 计 值； ϕ 为 脚 手 架 立 杆 的 稳 定 系 数； A 为 脚 手 架 立 杆 的 截 面 积；M w 为 脚 手 架 立 杆 段 风 荷 载 产 生
的 弯 矩 ； W 为 脚 手 架 立 杆 的 截 面 的 抵 抗 弯 矩 。
为 了 尽 可 能 模 拟 真 实 情 况 下 的 风 荷 载 的 作 用， 选 取 的 风 荷 载 加 速 度 与 时 间 之 间 的 关 系 如 图 3 所 示 。 图 4 所 示 为 整 个 模 型 的 荷
载 布 置 图 [ 7 ]。 由 于 高 支 模 脚 手 架 不 参 与 建 筑 物 的 荷 载 传 递 作 用 。 因 此 ， 在 建 模 的 时 候 不 考 虑 模 板 与 墙 体 之 间 的 作 用 。
2.2 截面模拟及网格划分
实 际 工 程 的 高 支 模 脚 手 架 采 用 环 形 截 面 的 钢 管， 为 了 突 出 模 型 结 构 形 式 特 点 以 及 分 析 计 算 精 度 的 要 求， 避 免 整 个 模 型 单 元 坏
死 对 模 型 结 构 采 用 映 射 网 格 划 分， 模 型 的 网 格 划 分 为 B 31 两 结 点 空 间 线 性 梁 单 元 。 线 性 梁 单 元 能 够 对 扭 转、 双 轴 弯 曲 和 轴 向 变 形
的 结 构 有 很 好 的 力 学 模 拟 ， 由 此 网 格 单 元 能 够 很 好 地 模 拟 高 支 模 脚 手 架 中 的 受 力 情 况 。
3 模型计算结果分析
3.1 位移变化情况
对 于 结 构 的 位 移 变 化 主 要 考 虑 不 同 层 和 不 同 列 的 位 移 变 化 。 图 5 所 示 为 模 型 在 风 荷 载 作 用 下 没 有 考 虑 阻 尼 时 的 位 移 分 析 变 化
图， 通 过 对 位 移 的 比 较， 可 以 知 道 在 风 荷 载 作 用 下 使 整 体 结 构 出 现 了 位 移 变 形 情 况 。 从 整 体 上 可 以 看 出 结 构 的 变 形 不 是 很 大， 但
是 随 着 高 度 的 增 加 位 移 也 在 逐 渐 变 大； 从 横 向 看 每 一 层 结 构 的 位 移 变 化 都 是 随 着 距 离 的 增 加 呈 现 出 波 浪 形 增 大， 在 两 个 节 点 之 间
结 构 位 移 会 有 突 然 的 增 加 。 从 纵 向 看 在 结 构 的 顶 部 位 移 变 化 最 大， 在 整 个 结 构 的 底 部 位 移 变 化 较 小； 在 结 构 的 最 底 层 随 着 距 离 的
增 加 整 个 结 构 的 位 移 基 本 没 有 变 化 。 因 此 ， 在 高 支 模 脚 手 架 的 施 工 中 应 该 着 重 对 上 部 结 构 进 行 加 固 处 理 。
（a） x-y 平面尺寸图 （b） x-z 平面尺寸图
图 1 高支模脚手架尺寸截面
图 2 高支模脚手架三维模型
图 3 风荷载加速度时程图 图 4 模型荷载布置图 图 5 不同层位移变化图
2024.04 | 69
技术探讨
3.2 应力变化情况
高 支 模 脚 手 架 结 构 的 应 力 变 化 主 要 考 虑 了 整 个 结 构 在 分 析
过 程 中 的 最 大 应 力 变 化 情 况 ， 从 图 6 中 可 以 看 出 随 着 结 构 整 体
高 度 变 小 结 构 的 应 力 变 化 也 在 逐 渐 地 降 低 ， 最 大 应 力 是 1 . 7 3
G P a 符 合 结 构 的 强 度 要 求 ， 满 足 整 体 的 稳 定 性 要 求 。 观 察 结 构
整 体 变 化 趋 势 可 以 看 出 在 结 构 的 最 上 部 应 力 最 大 。 因 此 ， 上 部
结 构 的 稳 定 性 是 在 施 工 中 着 重 考 虑 。
结语
本 文 通 过 A B A Q U S 数 值 建 模 软 件 对 高 支 模 脚 手 架 的 应 力 应
变 情 况 进 行 分 析 ， 并 通 过 二 者 之 间 的 比 较 可 以 得 出 以 下 结 论 。
1 ） 在 位 移 变 形 方 面 高 支 模 脚 手 架 变 化 不 是 特 别 的 明 显 ，
但 是 对 于 结 构 最 上 面 一 层 结 构 位 移 随 着 距 离 的 增 加 呈 现 出 波 浪
形 增 大 。 从 纵 向 看 在 结 构 的 底 部 随 着 距 离 的 增 加 整 个 结 构 的 位
移 变 化 较 小 ， 在 两 个 节 点 之 间 结 构 位 移 会 有 抛 物 线 式 的 增 加 。
2 ） 高 支 模 脚 手 架 结 构 的 应 力 变 化 主 要 涉 及 在 整 个 结 构 分
析 过 程 中 的 最 大 应 力 变 化 情 况 ， 从 分 析 中 可 以 看 出 随 着 结 构 整
体 高 度 变 小 结 构 的 应 力 变 化 也 在 逐 渐 地 降 低 ， 在 高 支 模 脚 手 架
的 施 工 中 应 该 着 重 对 上 部 结 构 进 行 加 固 处 理 。
图 6 应力随距离变化图
参考文献
[1] 方诗圣 , 王文洋 , 顾颖 , 等 . 高支模碗扣式满堂支架有限元分析及施工监控 [J]. 施工技术 ,2015,44(14):83-87.
[2] 何战武 , 汪杰 , 李存良 . 结构顶板浇筑过程中高支模响应全程分析 [J]. 施工技术 ,2012,41(8):102-106.
[3] 罗卫华 . 基于全等效初始缺陷法轮扣式高支模架扫地杆搭设研究 [J]. 公路工程 ,2012,37(6):14-16+24.
[4] 林东良 , 李大华 . 某大剧院工程高大模板支撑体系施工方案研究 [J]. 山西建筑 ,2012,38(1):96-97.
[5] 汪冬 . 扣件式钢管模板支架稳定承载力理论分析与试验研究 [D]. 天津 : 天津大学 ,2009.
[6]DING F X,YIN G A,WANG L P,et al.Seismic performance of a non-through-core concrete between concrete-filled steel tubular
columns and reinforced concrete beams[J].Thin-walled structure,2011,110(1):14-26.
[7] 王朝晖 , 曹阳 , 段艺飞 , 等 . 风荷载及连墙件对扣件式双排钢管脚手架承载能力的影响研究 [J]. 施工技术 ,2014,43(20):118-121.
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到了高支模脚手架的位移和应力变化图，并通过应力应变的变化关系总结得出了整个结构的承载力和稳定性变化的一般性规律。通过对高支模脚
手架有限元模型进行分析得到如下结论：随着高度的增加位移也在逐渐变大；每一层结构的位移变化都是随着距离的增加呈现出波浪形增大，在
两个节点之间结构位移会有突然的增加；在结构的顶部位移变化最大，在整个结构的底部位移变化较小；随着结构整体高度降低结构的应力变化
也在逐渐地降低。
关键词： 高支模脚手架；数值分析；振动；ABAQUS
引言
随 着 我 国 经 济 水 平 不 断 提 高 ， 建 筑 行 业 的 相 关 技 术 也 在 逐 渐 变 得 成 熟 ， 越 来 越 多 的 建 筑 向 着 更 高 、 更 大 的 目 标 发 展 。 由 于 高
支 模 脚 手 架 安 装 高 度 高 、 风 险 系 数 大 ， 对 高 支 撑 脚 手 架 系 统 的 稳 定 性 和 施 工 工 艺 的 合 理 性 都 提 出 了 严 格 的 要 求 。
高 大 模 板 支 模 （ 简 称 高 支 模 ） 主 要 存 在 于 桥 梁 施 工 、 公 共 建 筑 施 工 以 及 带 有 转 换 层 的 建 筑 结 构 施 工 。 这 些 工 程 项 目 的 形 体 造
型 复 杂 ， 具 有 大 体 积 、 大 跨 度 、 超 高 空 、 大 荷 载 等 特 点 。 这 些 特 点 决 定 了 其 支 模 工 程 与 常 规 支 模 工 程 的 不 同 。 住 建 部 对 高 支 模 进
行 了 明 确 说 明 ： 高 支 模 属 于 危 险 性 较 大 的 分 部 分 项 工 程 中 的 混 凝 土 模 板 支 撑 工 程 ， 架 体 搭 设 高 度 8 m 及 以 上 ； 搭 设 跨 度 1 8 m 及
以 上 ， 施 工 总 荷 载 1 5 k N / m 2 及 以 上 ； 集 中 线 荷 载 2 0 k N / m 及 以 上 。 达 到 以 上 条 件 的 工 程 项 目 需 要 根 据 需 求 ， 制 定 专 项 施 工 方 案
并 交 给 业 内 专 家 进 行 论 证 ，从 而 进 一 步 保 证 高 支 模 施 工 的 安 全 可 靠 。模 板 支 架 种 类 繁 多 ，目 前 在 施 工 中 应 用 较 为 广 泛 的 是 扣 件 式 、
碗 扣 式 、 盘 扣 式 、 门 式 钢 管 脚 手 架 、 升 降 式 脚 手 架 等 。 在 构 件 尺 寸 上 ， 扣 件 式 脚 手 架 布 置 较 为 灵 活 ， 不 受 杆 件 自 身 结 点 限 制 ， 但
一 般 按 模 数 搭 设 ， 便 于 施 工 ； 碗 扣 式 和 盘 扣 式 受 自 身 杆 件 结 点 限 制 ， 也 按 为 模 数 搭 设 ， 方 便 结 构 截 面 规 则 、 施 工 条 件 良 好 的 地 方
使 用 。
国 内 多 数 规 范、 规 程 规 定：“ 水 平 构 件 混 凝 土 模 板 支 撑 体 系 高 度 超 过 8 m， 或 跨 度 超 过 18 m， 或 施 工 总 荷 载 大 于 10 kN/m 2，
或 集 中 线 荷 载 大 于 15 kN/m， 或 柱、 墙 等 竖 向 构 件 独 立 支 模 高 度 大 于 6 m 的 模 板 支 撑 体 系” 为 高 支 模 架 体 系。 国 外 有 规 范 按 高 度 和
荷 载 大 小 将 模 架 工 程 分 为 基 本 模 板 工 程 和 特 殊 模 板 工 程 两 类 ， 将 模 板 支 架 高 度 大 于 6 m 以 及 柱 、 墙 模 独 立 高 度 大 于 6 m 的 模 板 工
程 列 为 特 殊 模 板 工 程 ， 并 规 定 只 有 执 业 工 程 师 才 能 设 计 特 殊 模 板 工 程 。 高 支 模 架 设 计 中 立 柱 失 稳 问 题 是 影 响 安 全 的 主 要 问 题 ， 我
国 规 范 支 架 立 柱 的 稳 定 计 算 曾 借 鉴 英 国 《 脚 手 架 工 程 规 范 》 的 方 法 ， 我 国 有 关 构 造 方 面 的 规 定 与 英 国 标 准 中 “ 几 何 不 变 杆 件 体 结
构 体 系 ” 的 力 学 模 型 假 设 相 差 较 远 。 近 年 来 ， 国 内 专 家 、 学 者 在 脚 手 架 和 模 板 支 撑 架 结 构 安 全 理 论 研 究 方 面 做 了 大 量 工 作 ， 已 经
取 得 了 不 少 进 展 。 专 家 建 议 对 规 范 进 一 步 修 订 ， 采 用 新 公 式 计 算 立 杆 的 稳 定 性 。
通 过 对 高 支 模 脚 手 架 进 行 数 值 有 限 元 模 拟 ， 能 够 对 脚 手 架 不 稳 定 的 部 位 进 行 有 针 对 地 施 工 和 提 前 防 护 。 方 诗 圣 等 [ 1 ] 系 统 分 析
了 高 支 模 建 立 碗 扣 式 满 堂 支 架 系 统 有 限 元 模 型 的 应 力 与 位 移 变 化 规 律 ， 并 且 通 过 实 时 监 测 已 经 证 实 了 高 模 板 脚 手 架 系 统 的 安 全 性
和 稳 定 性 ， 以 及 数 值 计 算 的 可 靠 性 。 何 战 武 等 [ 2 ] 利 用 有 限 元 计 算 软 件 A N S Y S 与 测 量 值 进 行 对 比 模 ， 得 出 浇 筑 方 法 的 不 同 会 使 高 支
模 不 同 部 位 的 立 杆 在 混 凝 土 浇 筑 的 过 程 中 轴 力 体 现 出 不 同 的 变 化 趋 势 。 罗 卫 华 [ 3 ] 通 过 有 限 元 数 值 模 型 分 析 高 支 模 体 系 发 现 轮 扣 式
高 支 模 脚 手 架 稳 定 承 载 力 先 增 大 后 减 小 ， 最 大 值 比 最 小 值 增 加 了 约 1 0 % 。 之 前 的 学 者 对 于 高 支 模 脚 手 架 的 研 究 都 没 能 具 体 地 分 析
其 不 同 层 不 同 列 的 应 力 应 变 的 变 化 情 况 。
在 工 程 中 高 支 模 脚 手 架 通 常 都 是 采 用 密 集 的 网 格 封 闭 ， 其 风 阻 系 数 非 常 的 高 。 因 此 ， 风 荷 载 已 成 为 了 作 用 在 高 支 模 脚 手 架 上
影 响 其 承 载 的 重 要 荷 载 之 一 ， 通 过 研 究 可 以 发 现 在 风 荷 载 作 用 下 高 支 模 脚 手 架 振 动 非 常 的 明 显 。 因 此 ， 有 必 要 研 究 风 荷 载 对 脚 手
架 竖 向 承 载 能 力 和 振 动 的 影 响 ， 这 对 控 制 建 筑 施 工 和 施 工 ， 确 保 建 筑 安 全 具 有 重 要 的 技 术 意 义 。
1 结构模型简介
依 据 现 行 规 范 和 现 场 施 工 情 况 ， 需 要 对 高 支 模 脚 手 架 在 建 模 时 做 以 下 基 本 假 定 [ 4 - 5 ]：
（ 1 ） 本 文 建 立 的 高 支 模 脚 手 架 模 型 结 构 体 系 是 空 间 立 体 结 构 构 件 体 系 ， 假 设 整 个 几 何 结 构 体 系 为 可 变 杆 系 结 构 ；
（ 2 ） 假 设 在 模 型 中 其 立 杆 都 是 轴 心 受 压 杆 件 ， 受 均 布 荷 载 作 用 ， 当 高 支 模 架 体 处 于 整 体 失 稳 状 态 时 ， 则 高 支 模 架 的 稳 定 承 载
力 是 轴 向 压 力 ；
（ 3 ） 假 设 由 于 局 部 个 别 荷 载 沉 降 等 所 导 致 的 结 构 整 体 失 稳 不 予 考 虑 ；
（ 4 ） 假 设 整 个 结 构 的 材 料 质 量 都 是 理 想 状 态 的 材 料 。
本 文 计 算 的 结 构 共 8 层 ， 整 体 高 支 模 的 尺 寸 为 9 m × 9 m × 1 0 m ， 单 个 脚 手 架 尺 寸 为 1 . 5 m × 1 . 5 m × 1 . 2 m 。 结 构 的 平 面
布 置 如 图 1 所 示 。 高 支 模 所 用 环 形 钢 管 的 截 面 面 积 为 4 8 9 m m 2， 钢 管 厚 度 为 3 . 5 m m ， 外 径 为 4 8 m m 。 另 外 ， 在 A B A Q U S 中 建
立 具 有 相 同 高 支 模 的 部 分 的 有 限 元 模 型 ， 其 中 高 支 模 的 单 元 采 用 三 维 线 梁 单 元 进 行 模 拟 （ 图 2 ） ， 支 模 整 体 的 本 构 模 型 采 用 采 用
A B A Q U S 自 带 的 弹 塑 性 本 构 模 型 。
基于 ABAQUS 高支模脚手架振动性能研究
程 鑫 曹 铮 牛红刚 / 中信建设有限责任公司 北京 100027
戴 葵 管 路 / 武汉轻工大学 湖北武汉 430023
摘 要： 为了研究高支模脚手架在风荷载作用下的振动问题，利用数值有限元软件 ABAQUS 对高支模脚手架的振动问题进行研究。对模型分析得
到了高支模脚手架的位移和应力变化图，并通过应力应变的变化关系总结得出了整个结构的承载力和稳定性变化的一般性规律。通过对高支模脚
手架有限元模型进行分析得到如下结论：随着高度的增加位移也在逐渐变大；每一层结构的位移变化都是随着距离的增加呈现出波浪形增大，在
两个节点之间结构位移会有突然的增加；在结构的顶部位移变化最大，在整个结构的底部位移变化较小；随着结构整体高度降低结构的应力变化
也在逐渐地降低。
关键词： 高支模脚手架；数值分析；振动；ABAQUS
68 | CHINA HOUSING FACILITIES
技术探讨
2 有限元模型
2.1 本构及荷载
对 于 受 到 风 荷 载 作 用 而 产 生 振 动 的 高 支 模 脚 手 架， 采 用 的 材 料 属 性 既 要 考 虑 弹 性 也 要 考 虑 塑 性。 具 体 的 材 料 参 数 见 表 1。 高 支
模脚手架中钢管的本构关系采用丁发兴等 [6] 提出的弹塑性混合增强模型，该模型能够很好地反映钢管整个的屈服面及包辛格效应。
表 1 材料参数表
| 弹性模量 | 泊松比 | 密度 | 截面模量 | 屈服强度 | 回转半径 |
| 206 GPa | 0.3 | 7.8×10-9 g/mm2 | 5.08 cm3 | 235 MPa | 1.578 cm |
筑 施 工 扣 件 式 钢 管 脚 手 架 安 全 技 术 规 范 》 中 的 要 求 将 风 荷 载 采 用 线 荷 载 的 形 式 作 用 在 整 个 高 支 模 脚 手 架 的 结 构 立 杆 和 节 点 上 ， 这
样 做 能 够 最 大 限 度 地 考 虑 风 荷 载 的 作 用 面 ， 并 且 风 荷 载 作 用 于 高 支 模 脚 手 架 需 要 符 合 脚 手 架 的 稳 定 承 载 能 力 ：
| w N M f ϕ A W + ≤ |
（ 1） |
的 弯 矩 ； W 为 脚 手 架 立 杆 的 截 面 的 抵 抗 弯 矩 。
为 了 尽 可 能 模 拟 真 实 情 况 下 的 风 荷 载 的 作 用， 选 取 的 风 荷 载 加 速 度 与 时 间 之 间 的 关 系 如 图 3 所 示 。 图 4 所 示 为 整 个 模 型 的 荷
载 布 置 图 [ 7 ]。 由 于 高 支 模 脚 手 架 不 参 与 建 筑 物 的 荷 载 传 递 作 用 。 因 此 ， 在 建 模 的 时 候 不 考 虑 模 板 与 墙 体 之 间 的 作 用 。
2.2 截面模拟及网格划分
实 际 工 程 的 高 支 模 脚 手 架 采 用 环 形 截 面 的 钢 管， 为 了 突 出 模 型 结 构 形 式 特 点 以 及 分 析 计 算 精 度 的 要 求， 避 免 整 个 模 型 单 元 坏
死 对 模 型 结 构 采 用 映 射 网 格 划 分， 模 型 的 网 格 划 分 为 B 31 两 结 点 空 间 线 性 梁 单 元 。 线 性 梁 单 元 能 够 对 扭 转、 双 轴 弯 曲 和 轴 向 变 形
的 结 构 有 很 好 的 力 学 模 拟 ， 由 此 网 格 单 元 能 够 很 好 地 模 拟 高 支 模 脚 手 架 中 的 受 力 情 况 。
3 模型计算结果分析
3.1 位移变化情况
对 于 结 构 的 位 移 变 化 主 要 考 虑 不 同 层 和 不 同 列 的 位 移 变 化 。 图 5 所 示 为 模 型 在 风 荷 载 作 用 下 没 有 考 虑 阻 尼 时 的 位 移 分 析 变 化
图， 通 过 对 位 移 的 比 较， 可 以 知 道 在 风 荷 载 作 用 下 使 整 体 结 构 出 现 了 位 移 变 形 情 况 。 从 整 体 上 可 以 看 出 结 构 的 变 形 不 是 很 大， 但
是 随 着 高 度 的 增 加 位 移 也 在 逐 渐 变 大； 从 横 向 看 每 一 层 结 构 的 位 移 变 化 都 是 随 着 距 离 的 增 加 呈 现 出 波 浪 形 增 大， 在 两 个 节 点 之 间
结 构 位 移 会 有 突 然 的 增 加 。 从 纵 向 看 在 结 构 的 顶 部 位 移 变 化 最 大， 在 整 个 结 构 的 底 部 位 移 变 化 较 小； 在 结 构 的 最 底 层 随 着 距 离 的
增 加 整 个 结 构 的 位 移 基 本 没 有 变 化 。 因 此 ， 在 高 支 模 脚 手 架 的 施 工 中 应 该 着 重 对 上 部 结 构 进 行 加 固 处 理 。
（a） x-y 平面尺寸图 （b） x-z 平面尺寸图
图 1 高支模脚手架尺寸截面
图 2 高支模脚手架三维模型
图 3 风荷载加速度时程图 图 4 模型荷载布置图 图 5 不同层位移变化图
2024.04 | 69
技术探讨
3.2 应力变化情况
高 支 模 脚 手 架 结 构 的 应 力 变 化 主 要 考 虑 了 整 个 结 构 在 分 析
过 程 中 的 最 大 应 力 变 化 情 况 ， 从 图 6 中 可 以 看 出 随 着 结 构 整 体
高 度 变 小 结 构 的 应 力 变 化 也 在 逐 渐 地 降 低 ， 最 大 应 力 是 1 . 7 3
G P a 符 合 结 构 的 强 度 要 求 ， 满 足 整 体 的 稳 定 性 要 求 。 观 察 结 构
整 体 变 化 趋 势 可 以 看 出 在 结 构 的 最 上 部 应 力 最 大 。 因 此 ， 上 部
结 构 的 稳 定 性 是 在 施 工 中 着 重 考 虑 。
结语
本 文 通 过 A B A Q U S 数 值 建 模 软 件 对 高 支 模 脚 手 架 的 应 力 应
变 情 况 进 行 分 析 ， 并 通 过 二 者 之 间 的 比 较 可 以 得 出 以 下 结 论 。
1 ） 在 位 移 变 形 方 面 高 支 模 脚 手 架 变 化 不 是 特 别 的 明 显 ，
但 是 对 于 结 构 最 上 面 一 层 结 构 位 移 随 着 距 离 的 增 加 呈 现 出 波 浪
形 增 大 。 从 纵 向 看 在 结 构 的 底 部 随 着 距 离 的 增 加 整 个 结 构 的 位
移 变 化 较 小 ， 在 两 个 节 点 之 间 结 构 位 移 会 有 抛 物 线 式 的 增 加 。
2 ） 高 支 模 脚 手 架 结 构 的 应 力 变 化 主 要 涉 及 在 整 个 结 构 分
析 过 程 中 的 最 大 应 力 变 化 情 况 ， 从 分 析 中 可 以 看 出 随 着 结 构 整
体 高 度 变 小 结 构 的 应 力 变 化 也 在 逐 渐 地 降 低 ， 在 高 支 模 脚 手 架
的 施 工 中 应 该 着 重 对 上 部 结 构 进 行 加 固 处 理 。
图 6 应力随距离变化图
参考文献
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