雙向扣件式鋼管模板支撐體系穩(wěn)定性研究

王雪艷，王士革，王 莉，萬婷婷, 李盧燕

(1. 西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.信陽師范學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 信陽 464000； 3.西安建筑科技大學(xué) 華清學(xué)院，陜西 西安 710043)

0 引言

鋼管模板支撐體系因其搭設(shè)靈活、施工速度快，在混凝土結(jié)構(gòu)施工過程中得到了大量使用.但相應(yīng)的理論研究及規(guī)范編制尚不能滿足工程要求, 加之現(xiàn)場操作隨機(jī)性大, 常造成支撐體系坍塌甚至群死群傷等嚴(yán)重事件的發(fā)生.近年來，有關(guān)鋼管腳手架的試驗(yàn)和理論分析成果較多[1,2], 而鋼管模板支架的研究則相對較少，針對同時承受豎向和橫向雙向荷載的扣件式鋼管模板支撐體系的研究更是少見.地下工程中結(jié)構(gòu)側(cè)墻混凝土澆筑量大，產(chǎn)生側(cè)向壓力較大，采用傳統(tǒng)搭設(shè)側(cè)向支撐的方法施工效率較低.采用模板支撐體系直接對側(cè)墻及上部板面混凝土澆筑時提供支撐,將會大大提高施工速度，且安全性較高.但由于現(xiàn)行規(guī)范并未對雙向受載模板支撐體系進(jìn)行規(guī)定[3]，因此，對其使用過程中的安全性進(jìn)行研究具有較高的價值.三維有限元分析方法已在普通腳手架工程和深基坑支護(hù)工程得到應(yīng)用[4,5]，并得到安全可靠的分析結(jié)果.本文以某地鐵深基坑工程施工為例，對模板支架受雙向荷載作用時的穩(wěn)定性進(jìn)行三維有限元分析與實(shí)測研究，為此類模板支撐體系的設(shè)計與施工提供參考.

1 工程概況

某地鐵站共3層，車站全長194.8 m，寬度為22.7 m，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示.車站結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土箱型框架結(jié)構(gòu)，車站頂板埋深3 m, 底板埋深16 m.本站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁，標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)三道水平支撐，主體結(jié)構(gòu)采用明挖順做法施工，基坑開挖深度為16.11 m，工程標(biāo)準(zhǔn)段地下負(fù)二層凈高為6.01 m，地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)段剖面圖如圖1所示.

圖1 地鐵車站結(jié)構(gòu)剖面圖

2 模板支撐體系設(shè)計與穩(wěn)定性分析

2.1 模板支撐體系設(shè)計

根據(jù)工程特點(diǎn)，地鐵車站側(cè)墻及負(fù)二層頂板同時澆筑施工，模板支撐體系同時承受豎向及水平荷載.為保證支撐體系穩(wěn)定性,支撐體系桿件均選為φ48 ×3.5 mm普通鋼管, 自重38.4 N /m.鋼管、碗扣均為Q235-A鋼材, 強(qiáng)度極限值[σ]為215 MPa, 水平桿件容許撓度值[f]為3 mm，受壓構(gòu)件(立柱)的容許長細(xì)比[λ]為150.根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，初步選取支撐體系立桿縱、橫距(a、b)均為900 mm, 步距h為600 mm，頂端采用可調(diào)托座頂緊頂板模板，下部設(shè)置木墊板.支撐體系搭設(shè)形式見圖2和圖3所示.

2.2 模板支撐體系穩(wěn)定性分析

2.2.1 支撐體系受力分析簡圖及計算模型

由于地鐵車站側(cè)墻及負(fù)二層頂板同時澆筑混凝土，因此，模板支撐體系同時承受來自頂板模板傳遞的豎向力p，和來自側(cè)墻新澆混凝土的側(cè)壓力f，受力分析簡圖如圖4所示.

根據(jù)模板支撐體系的構(gòu)造形式及受力狀況，分別按最不利條件將碗扣架立桿、水平桿及扣件固定的水平鋼管的計算模型如圖5所示[6].

圖2 模板支撐體系立面布置圖

圖3 模板支撐體系平面布置圖

圖4 模板支撐體系受力分析圖

2.2.2 荷載計算

(1)豎向荷載

模板支撐體系豎向荷載包括鋼筋新澆混凝土自重、模板自重、施工人員及設(shè)備荷載、振搗混凝土產(chǎn)生的荷載.其中，鋼筋混凝土自重：q1=γh=4×0.4=9.6 kN/m2；模板自重：q2=0.5 kN/m2；施工人員及設(shè)備荷載：q3=2.5 kN/m2；振搗混凝土產(chǎn)生的荷載：q4=2 kN/m2.

因此，p=k1q1+k2q2+k3q3+k4q4=1.2×9.6+ 1.2×0.5+ 1.4×2.5+ 1.4×2=18.42 kN/m2，將模板均布荷載簡化為每一根立桿上的集中荷載P=18.42×0.9×0.9=14.92 kN.

(a)立桿 (b)水平桿

(2)水平荷載

模板支撐體系水平荷載來自于側(cè)墻新澆混凝土的側(cè)壓力，《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ162-2008)規(guī)定：當(dāng)采用內(nèi)部振搗器時，新澆筑的混凝土作用于模板的側(cè)壓力標(biāo)準(zhǔn)值，按式(1)和式(2)進(jìn)行計算[7]，并取兩者中的較小值.

f=γcH,

(2)

式中：f為新澆混凝土對模板的最大側(cè)壓力，kN/m2；γc為混凝土重度，kN/m3；t0為混凝土初凝時間，h；β1為外加劑修正系數(shù)；β2為混凝土坍落度影響修正系數(shù)；V為混凝土澆筑速度，m/h；H為計算位置到澆筑頂面距離，m.根據(jù)工程情況，按式(1)計算側(cè)墻新澆混凝土側(cè)壓力得：

0.22×24×4×1.2×1.15×2.51/2=

46.08 kN/m2；

按式(2)計算側(cè)墻新澆混凝土側(cè)壓力得：f=γcH=24×6.01=144.24 kN/m2.

因此，該工程新澆混凝土對模板的最大側(cè)壓力取46.08 kN/m2；將模板均布荷載簡化為每一根水平桿上的集中荷載，則水平桿承受的最大集中荷載為F=46.08×0.9×0.6=24.88 kN.

2.2.3 模板支撐體系桿件內(nèi)力數(shù)值計算

(1)數(shù)值模型的建立

由于模板支撐體系構(gòu)件較多，受力比較復(fù)雜，故本文采用ANSYS大型有限元軟件建立支撐體系三維模型，針對桿件內(nèi)力和支撐體系變形開展數(shù)值分析[8].建立模型時基本假定包括：

①模板支架為三維空間桿系結(jié)構(gòu), 立桿與上、下樓板鉸接；

②不計地震荷載、風(fēng)荷載等水平荷載的作用；

③鋼管為理想彈塑性材料；

④連接節(jié)點(diǎn)全部為剛節(jié)點(diǎn), 以大小為2 kN廣義假想水平力沿支撐體系剛度較弱一側(cè)，水平施加于支撐體系節(jié)點(diǎn)，以模擬架體缺陷及節(jié)點(diǎn)半剛性對穩(wěn)定承載力的影響[9].

根據(jù)工程特點(diǎn)及現(xiàn)場施工情況，設(shè)定模型寬度方向25跨，長度方向20跨，頂端伸出水平桿長度10 cm，掃地桿高度20 cm，并按規(guī)范要求布置斜撐，建立的三維數(shù)值分析模型如圖6所示.

(a)三維視圖

(b)橫向立面圖

(c)縱向立面圖

(d)平面圖

圖6模板支撐體系數(shù)值模型

Fig. 6Numericalmodelofformworksupportsystem

(2)計算結(jié)果與分析

根據(jù)建立的數(shù)值模型進(jìn)行靜力分析，實(shí)際荷載施加后，模板支撐體系變形及桿件內(nèi)力如圖7所示.

計算結(jié)果表明，上述設(shè)計的模板支撐體系在雙向荷載作用下，單桿最大軸力為25.6 kN，支撐體系豎向變形最大為1.1 mm，水平向變形3.3 mm.滿足模板變形要求.

(a)縱向軸力

(b)橫向軸力

(c)側(cè)向變形

(d)豎向變形

圖7數(shù)值分析結(jié)果

Fig. 7Resultofnumericalcalculation

2.2.4 桿件強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)算

(1)立桿強(qiáng)度及穩(wěn)定性

立桿計算模型如圖5(a)所示，設(shè)P=F=25.6 kN，按兩端鉸接壓彎構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)算.立桿強(qiáng)度及穩(wěn)定性需滿足以下條件[10]：

①強(qiáng)度：σ=P/A≤f，P/A=25 600/489=52.35 MPa<205 MPa，滿足強(qiáng)度要求.

②穩(wěn)定性：P/(φA)≤f，由于構(gòu)件長細(xì)比為λ=L/i=600/15.79=38，故φ=0.906.

因此，P/(φA)=57.78 MPa<205 MPa，滿足穩(wěn)定性要求.

(2)水平桿強(qiáng)度及穩(wěn)定性

水平桿計算模型如圖5(b)所示，按兩端鉸接軸心受壓構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)算，水平桿強(qiáng)度及穩(wěn)定性需滿足以下條件：

①強(qiáng)度：σ=P/A≤f，P/A=25 600/489=52.35 MPa<205 MPa，滿足強(qiáng)度要求.

②穩(wěn)定性：P/(φA)≤f，由于構(gòu)件長細(xì)比為λ=L/i=900/15.79=57，故φ=0.822.

因此，P/(φA)=63.69 MPa<205 MPa,滿足穩(wěn)定性要求.

綜上所述，按本文設(shè)計參數(shù)搭設(shè)該工程雙向受荷支撐體系是安全合理的.

3 模板支撐體系桿件內(nèi)力監(jiān)測與分析

為明確施工時，模板支撐體系主要桿件的受力情況，支撐體系搭設(shè)完畢后，澆筑混凝土前，在模板支撐體系內(nèi)部選擇數(shù)值分析結(jié)果中受力最大的立桿、水平桿的3個典型部位布置內(nèi)力監(jiān)測點(diǎn)，以監(jiān)測桿件軸力得總體水平，測點(diǎn)采用兩BX120-3AA 應(yīng)變片對稱粘貼于鋼管同一高度，并將粘貼好的應(yīng)變片通過屏蔽導(dǎo)線同DH3816靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)進(jìn)行連接[9].監(jiān)測結(jié)果見圖8.

(a)立桿軸力

(b)水平桿軸力

圖8桿件內(nèi)力監(jiān)測結(jié)果

Fig. 8Monitoringresultsofmemberbarforce

由圖8可知：各測點(diǎn)的軸力變化趨勢基本吻合，當(dāng)混凝土澆筑到一定量時，桿件不同部位的軸力開始離散性變化，軸力實(shí)測值總體水平?jīng)]有超過計算值，且支撐體系桿件軸力值數(shù)值分析結(jié)果與實(shí)測值較為接近，因此，采用假想水平力的方法能較好地模擬初始缺陷對高大模板支撐體系的影響，且便于安全.監(jiān)測結(jié)果表明：按本文的設(shè)計參數(shù)搭設(shè)的雙向受力的支撐體系，可以完全滿足施工需要，可靠度較高.

4 結(jié)論

本文以地鐵車站深基坑工程施工為例，對扣件式鋼管模板支架受雙向荷載作用時的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值分析與實(shí)測研究，得到以下結(jié)論：

(1)采用扣件式鋼管模板支撐體系可以可靠地承受雙向荷載，可以滿足地下工程側(cè)墻及頂板同時澆筑混凝土的施工要求，施工過程中需控制好混凝土澆筑速度及澆筑順序，防止支撐體系受力不均或荷載突變，進(jìn)而造成安全事故的發(fā)生.

(2)在支撐體系節(jié)點(diǎn)上施加假想水平力來模擬支撐體系中初始缺陷對其穩(wěn)定承載力的影響，可得到較好的計算結(jié)果，分析結(jié)果在數(shù)值上與實(shí)測數(shù)據(jù)較為接近.在對類似支撐體系進(jìn)行整體穩(wěn)定性分析時可采用此種方法.