插销式钢管支架的结构可靠性分析解析.doc

PAGE PAGE 8 插销式钢管支架的结构可靠性分析 ○林伊宁(广西建设工程质量安全监督总站) ［摘要］插销在承插口中不能自锁。 ［关键词］水平动内力 正压力 力偶 冲击效应 自锁 ○ 引言 近年来，我国从国外引进了不少新型的钢管支架，插销式钢管支架就是其中的一种。但此种支架的结构可靠性备受争议，争议的焦点是其插销在承插口中能否自锁。综观几年来的争论，正反双方均未分析插销的受力状况，所以尽管争论声很高，但却是谁也说不服谁。插销能否自锁，关键问题是它的受力状况。本文抓住这一关键点，分析插销式支架的结构可靠性，以期找到令人信服的答案。 支架中存在巨大的水平动内力，这种水平动内力可以使支架解体(泵送混凝土、风力、推车、人走动等水平动荷载，以及立杆旁的一侧在捣制混凝土而另一侧无荷载所引起的竖向动荷载偏心或立杆倾斜所引起的竖向荷载偏心，均会使架体产生水平动内力)。本文以支架中存在水平动内力为前提条件，对插销能否自锁进行受力分析。 插销式钢管支架的节点构造 插销式钢管支架的节点相片见图1，节点的构造示意图见图2，插销与承插口的接触情况见图3。 请注意，因为承插口是铅直的，而插销有一个面是倾斜的，当插销被打入承插口时，无论打得如何紧，插销的倾斜面上仅有一点可以与水平杆承插口接触。在没有水平力作用的情况下，这一接触点就是图3中的1点。 图1 插销式钢管支架的节点构造相片 图2 插销式钢管支架节点构造示意图 图3 插销与承插口的接触情况示意图 插销的受力情况 插销的自重与其所受的正压力相比微乎其微，可忽略不计。支架顶部存在巨大的水平动内力(忽拉忽压)，这些水平动内力是立杆加到水平杆上的，所以必然通过节点传递，而节点的传力中心就是插销。下面分析插销的受力情况。 2.1 当支架的动内力为拉力时，插销被旋转上推。 考察当支架的动内力为水平拉力时的情况。此时图3中立杆承插口上的2点向插销的倾斜面施加正压力N ( N沿插销倾斜面与立杆承插口2点的公法线传递，插销倾斜面的法线与倾斜面垂直，承插口上2点的法线为任意方向，所以插销倾斜面与承插口2点的公法线就是与倾斜面相垂直并通过2点的法线。另外，2点是点接触，摩擦力忽略不计)，同时，水平杆承插口向插销施加正压力R1与R2以及摩擦力f1与f2。插销的受力情况如图4所示。 图4 支架中的动内力为拉力时插销的受力情况示意图 把N分解为水平分力Nx和竖向分力Ny。可见Nx和 (R1+R2)构成水平方向上的暂时平衡，而Ny与(f1+ f2)所构成的力偶先使插销旋转，继而Ny则将插销上推（一经旋转，摩擦力便消失）。所以，当支架的动内力为拉力时，插销被旋转上推。 2.2 当支架的动内力为压力时，插销还是被旋转上推。 再考察当支架的动内力为水平压力时情况。此时图3中水平杆承插口上的1点向插销的倾斜面施加正压力N，同时，立杆承插口的5点向插销施加正压力R，因为都是点接触，摩擦力忽略。插销的受力情况如图5所示。把N分解为Nx和Ny，Nx与R构成的力偶使插销旋转，而Ny则将插销上推。所以，当支架的动内力为压力时，插销还是被旋转上推。 图5 支架中的动内力为压力时插销的受力情况示意图 支架动内力在插销上的冲击效应—首先被震松的是插紧的插销 在动荷载作用下，支架架顶会晃动，架体内会产生动内力。本节研究动内力在插销上的冲击效应。 如前所述，插销与杆件之间相互作用的力有倾斜的正压力和力偶(暂且称为“广义力”)，受力情况复杂，不便于研究。现假设插销的两个受力面均为铅直面，所受正压力为水平力，我们研究此简单的受力模式。并且设：水平杆的质量为m，架顶晃动时水平杆沿x轴作水平运动，加速度为a，速度为υ，其运动受到插销的阻挡(冲击)，插销对水平杆的作用力为F。水平杆的运动和受力情况如图6所示。 图6 水平杆的运动和受力情况示意图 水平杆的运动情况可用质点系运动基本方程表达： 设水平杆冲击插销之前的初速度为υ0，冲击结束的末速度为υ1，冲击开始的瞬时为t0，冲击结束的瞬时为t1，冲击时段内F的大小和方向均不变，以此条件对上式作积分，得： F(t1- t0)=m(υ1-υ0) 这就是质点系沿x轴运动的动量定理表达式，也是水平杆受冲击力作用的冲量表达式。 令Δt= t1- t0为冲击时长，上式可写为： (1) 式中的F为插销对水平杆的作用力，也是水平杆对插销的冲击力。在架顶晃动时，架顶上同方向排列的水平杆的υ1-υ0是相同的，但各节点上的冲击时长Δt并不相同，原因是各节点插销插入承插口尽管总有空隙，但插入的松紧程度是不同的，于是由式(1)可得知： 插销插得越紧，冲击时长越短，冲击力F越大；插销插得越松，冲击时长越长，冲击力F越小。 本节是以简单的水平冲击力模式来研究的，实际的冲击力是前述的广义冲击