“以鋼代木”龍骨體系研究與應(yīng)用

王偉

（中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施事業(yè)部，北京 100040）

1 概述

工程建設(shè)過(guò)程中，不僅需要考慮安全、質(zhì)量和進(jìn)度，更要考慮工程經(jīng)濟(jì)。工程經(jīng)濟(jì)不僅需要經(jīng)營(yíng)、物資和財(cái)務(wù)等相關(guān)人員全面考慮，更應(yīng)引起項(xiàng)目全員的重視。其中措施筋和周轉(zhuǎn)料控制是工程中需要重點(diǎn)考慮的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。

模架體系計(jì)算過(guò)程中，龍骨體系經(jīng)常出現(xiàn)問(wèn)題，需要通過(guò)調(diào)整模架立桿的縱橫間距來(lái)保證龍骨的安全和穩(wěn)定，導(dǎo)致無(wú)法充分利用模架體系的力學(xué)性能。因此需要通過(guò)調(diào)整龍骨體系，最大限度發(fā)揮模架體系的力學(xué)性能，以達(dá)到節(jié)約支撐架等周轉(zhuǎn)料用量的目的。

工程施工過(guò)程中，在保證安全、質(zhì)量的前提下，通過(guò)對(duì)“以鋼代木”龍骨體系進(jìn)行研究分析，模板支撐體系采用方鋼管取代傳統(tǒng)方木作為主龍骨，同時(shí)結(jié)合盤(pán)扣式鋼管腳手架形成模板支撐體系［1］，極大地減少了木材的投入和損耗，可周轉(zhuǎn)應(yīng)用到多個(gè)工程，在提高材料周轉(zhuǎn)率的同時(shí)，增加了經(jīng)濟(jì)效益，降低了木材損耗，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保、節(jié)能減排、低碳施工的目標(biāo)［2］。

2 龍骨材料選擇

以?xún)艨諡? m、立桿縱橫間距均為1.2 m、水平桿步距為1.2 m的碗扣架為例，依據(jù)JGJ 166—2016《建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》［3］計(jì)算得出，最大支撐樓板厚度為1.25 m。如采用方木龍骨體系則無(wú)法支撐這樣的樓板厚度，用“以鋼代木”龍骨體系將會(huì)改善這種情況。

2.1 現(xiàn)有龍骨材料分析

現(xiàn)有龍骨材料有方木、方鋼、鋼管、鋼木龍骨等，每種龍骨又具體細(xì)分不同規(guī)格、體系等，對(duì)常用的4種進(jìn)行分析。

2.1.1 方木

現(xiàn)有方木規(guī)格尺寸一般為50 mm×100 mm、100 mm×100 mm，而市面提供的50 mm×100 mm方木尺寸實(shí)際只有38 mm×88 mm；100 mm×100 mm 方木尺寸實(shí)際只有88 mm×88 mm，大大減少了材料的力學(xué)性能。以100 mm×100 mm 方木為例，截面抵抗矩W=113.58 cm3，截面慣性矩I=499.75 cm4，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.3 N/mm2，抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值15 N/mm2，彈性模量9 000 N/mm2［4］。

2.1.2 方鋼

成品方鋼多在加工廠制作完成，由于方便施工的原因，方鋼長(zhǎng)度通常加工成3、2、1.5 m，其力學(xué)性能隨方鋼的幾何尺寸及壁厚變化而變化，以50 mm×80 mm×2 000 mm 方鋼為例，其截面抵抗矩W=11.27 cm3，截面慣性矩I=45.06 cm4，抗剪、抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值205 N/mm2，彈性模量206×103N/mm2［5］。

2.1.3 鋼管

工程上所用鋼管規(guī)格通常為φ48.3 mm×3.6 mm，一般進(jìn)行模架計(jì)算時(shí)常以φ48.0 mm×3.0 mm 計(jì)算，其截面抵抗矩W=4.49 cm3，截面慣性矩I=10.78 cm4。

2.1.4 鋼木龍骨

鋼木龍骨為鋼板加工成“幾”字形龍骨，內(nèi)填方木，并用螺栓使方木與“幾”字形龍骨連接，其力學(xué)特性通常等于100 mm×100 mm 方木，計(jì)算時(shí)以足尺方木進(jìn)行計(jì)算。

由上述分析可知材料性能及力學(xué)性能最好的是方鋼，并可根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整，其次是鋼管，再次是鋼木龍骨，最后是方木。

2.2 龍骨與面板及支撐體系相互組合分析

由于龍骨不能單獨(dú)起到架撐整個(gè)模架的作用，必須配合面板及支撐體系相互作用，以完成整個(gè)模架支撐［6］。

2.2.1 方木

方木可操作性較高，能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行再加工，并且可用范圍非常廣泛，如墻面、平樓面、斜樓面、門(mén)窗洞口龍骨等，只有曲面樓板的次龍骨及曲面墻的主龍骨無(wú)法施工；與面板連接采用木工釘；缺點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)加工會(huì)造成材料浪費(fèi)。

2.2.2 方鋼

方鋼與木面板連接時(shí)緊密度欠佳，僅靠摩擦無(wú)法形成一個(gè)整體，當(dāng)龍骨均采用方鋼時(shí)，僅能用于平樓板，對(duì)于樓板與梁體的陰角模板和陽(yáng)角模板連接部位，方鋼均不能起到有效的固定作用。因此經(jīng)常需搭配其他龍骨共同完成龍骨體系。

2.2.3 鋼管

由于其圓形的滾動(dòng)能力，作為次龍骨使用時(shí)會(huì)因鋼筋施工、混凝土澆筑及振搗等影響，使鋼管移動(dòng)，造成龍骨大幅偏位，有一定安全隱患，由于可塑性較高，通常作為曲面墻的主龍骨。

2.2.4 鋼木龍骨

鋼木龍骨與木面板一般采用木工釘連接，該龍骨在樓板與梁體的陰角模板及梁體的陽(yáng)角模板間同樣無(wú)法起到有效固定作用，因此也需搭配其他龍骨共同完成龍骨支撐。

以普通房建工程為研究對(duì)象，在適用范圍上，上述4種龍骨都有應(yīng)用，但從力學(xué)性能及材料性能上以方鋼為最優(yōu)，因此選定方鋼作為龍骨材料。

3 方鋼作為主龍骨體系研究與應(yīng)用

3.1 龍骨體系建立

由于僅使用方鋼無(wú)法形成一個(gè)支撐梁板構(gòu)件的龍骨體系，需采用方木協(xié)同配合。目前施工方法中有2種配合方式：一種是主次龍骨均選用方鋼，在木面板拼接處及模板的陰陽(yáng)角處采用方木固定（見(jiàn)圖1）；另一種為主龍骨用方鋼，次龍骨用方木（見(jiàn)圖2）。

圖1 主次龍骨均采用方鋼模架

圖2 僅主龍骨采用方鋼模架

為選定龍骨體系做如下計(jì)算。由于一般房建樓板截面厚度設(shè)定在300 mm 以?xún)?nèi)，因此假定樓板厚度300 mm，模板采用12 mm 厚覆膜多層板，架體立桿縱橫間距均為1.2 m，為保證模板撓度不會(huì)過(guò)大，人員在模板上行走沒(méi)有起伏感，次龍骨間距假定為300 mm。

經(jīng)PKPM 軟件計(jì)算，采用40 mm×50 mm×2 000 mm方鋼次龍骨及50 mm×80 mm×2 000 mm 方鋼主龍骨體系及50 mm×100 mm方木次龍骨及50 mm×80 mm×2 000 mm方鋼主龍骨體系均能滿足假定工程環(huán)境需求。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在木面板短向拼接處采用方木固定時(shí)，木模板經(jīng)過(guò)幾次周轉(zhuǎn)后經(jīng)常發(fā)生變形，在木面板短向拼接處采用方木固定并不能解決面板變形問(wèn)題，在木模板長(zhǎng)向拼接處采用方木固定可解決變形問(wèn)題。木模板尺寸為1 220 mm×2 440 mm，方鋼次龍骨間距為300 mm，每隔4根方鋼龍骨就需增加1根方木龍骨，會(huì)造成大量浪費(fèi)。且梁底次龍骨如采用方鋼、梁側(cè)模板與梁底模板采用摩擦連接，與梁底次龍骨采用方木、梁側(cè)模板與梁底模板使用木工釘連接的支設(shè)穩(wěn)固性相比差很多。

如次龍骨采用50 mm×100 mm方木，即可解決木面板周轉(zhuǎn)后變形問(wèn)題，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工控制，可保證50 mm×100 mm 方木盡可能不切割，增加周轉(zhuǎn)次數(shù)，通過(guò)方木及木楔子共同作用，方木次龍骨及方鋼主龍骨體系也適用于斜樓板。

因此方鋼作為主龍骨時(shí)，選擇方木作為次龍骨是最佳選擇。

3.2 方鋼主龍骨應(yīng)用要點(diǎn)

（1）由于可調(diào)托撐的影響，當(dāng)方鋼最小截面寬度大于50 mm 時(shí)，1 個(gè)可調(diào)托撐無(wú)法支撐2 個(gè)并排方鋼，若使用方鋼龍骨，并依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸進(jìn)行切割必然會(huì)造成材料浪費(fèi)，因此選用的方鋼最小截面寬度不得大于50 mm，使其可在可調(diào)托撐上進(jìn)行水平搭接。

（2）方鋼需要豎立使用才能承受更多剪力。

（3）方鋼長(zhǎng)寬比需進(jìn)行控制，不可過(guò)大。長(zhǎng)寬比過(guò)大在施工及混凝土澆筑及振搗下易造成倒塌。

（4）方鋼龍骨在支撐體系上不能懸臂受力，懸臂時(shí)方鋼龍骨受剪能力大幅下降，需在可調(diào)托撐上進(jìn)行水平搭接。

（5）斜樓面配置方鋼主龍骨時(shí)，主龍骨需沿斜脊方向布置（見(jiàn)圖3），否則會(huì)造成主龍骨支設(shè)不穩(wěn)（見(jiàn)圖4），斜脊應(yīng)采用雙排主龍骨，以保證兩側(cè)次龍骨在斜脊處與主龍骨搭接不會(huì)過(guò)窄，造成支設(shè)不穩(wěn)。

圖3 主龍骨沿斜脊方向模架剖面圖

圖4 主龍骨垂直斜脊方向模架剖面圖

3.3 方鋼主龍骨優(yōu)點(diǎn)

通過(guò)選用不同規(guī)格的方鋼，截面抵抗矩及截面慣性矩可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于方木，因此主龍骨采用方鋼的立桿縱橫間距要大于方木，可以大大節(jié)省立桿及水平桿用量，可調(diào)托撐數(shù)量也相應(yīng)減少。立桿與水平桿連接節(jié)點(diǎn)變少，施工質(zhì)量更加容易控制。

由于主龍骨需依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況切割再進(jìn)行支設(shè)，材料浪費(fèi)無(wú)法避免，采用方鋼主龍骨則可通過(guò)方鋼的水平搭接解決切割問(wèn)題，保證方鋼完整性，增加方鋼的周轉(zhuǎn)次數(shù)。

最后，采用方鋼主龍骨可以大大節(jié)省原木用量，節(jié)能環(huán)保。

4 發(fā)展前景

目前“以鋼代木”龍骨體系使很多施工單位受益，通過(guò)“以鋼代木”龍骨體系，可以大大減少支撐體系立桿及水平桿用量，并且減少了由于現(xiàn)場(chǎng)隨意切方木造成的材料浪費(fèi)，減少了工程對(duì)原木的需求量。

從項(xiàng)目部自行購(gòu)買(mǎi)方鋼加工成龍骨到很多租賃站都提供方鋼龍骨租賃，從鋼包龍骨到龍骨的多樣化，龍骨體系也經(jīng)歷了多次變革。

現(xiàn)今龍骨的使用更多是由施工方去選擇材料搭配，組成自己的龍骨體系，目前尚未有廠家提供整個(gè)龍骨體系全方位的服務(wù)，而且模板的陰陽(yáng)角處、模板拼接處固定仍大量采用方木，研發(fā)出不采用方木的龍骨體系則更具創(chuàng)新性。

5 結(jié)束語(yǔ)

“以鋼代木”龍骨體系的出現(xiàn)，使施工現(xiàn)場(chǎng)不再需求大量方木，因此就會(huì)減少伐木量，為保護(hù)環(huán)境作出一定貢獻(xiàn)。“以鋼代木”龍骨截面抵抗矩及截面慣性矩可根據(jù)需求配置，并且在經(jīng)濟(jì)合理范圍內(nèi)，最大限度減少模架支撐體系周轉(zhuǎn)材料用量。

目前鋼木龍骨品種多樣，沒(méi)有固定尺寸及規(guī)范要求，同樣力學(xué)性能的鋼木龍骨有很多種加工方式，如最基本的“C”形及“幾”字形龍骨。而方鋼龍骨更多依據(jù)工程情況進(jìn)行模架設(shè)計(jì)及計(jì)算得來(lái)，因此造成工程上所使用的龍骨僅適合該工程，而與其他工程實(shí)際需求不相符合，造成龍骨在其他工地周轉(zhuǎn)使用困難。因此需規(guī)范“以鋼代木”的龍骨體系，使其更好地為工程服務(wù)。