一種裝配式懸挑輕鋼模架施工平臺(tái)受力性能分析*

楊兆源，曹萬林，郭利明，張鵬勃，殷 飛，趙 博

(1.北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部，北京 100124；2.中交第四公路工程局有限公司，北京 100022)

0 引言

“十三五”以來我國出臺(tái)系列政策促進(jìn)裝配式建筑發(fā)展[1]。裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)在中高層住宅中開始推廣應(yīng)用[2]。研發(fā)適用于裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的施工平臺(tái)體系，對(duì)于推進(jìn)裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的發(fā)展十分重要[3]。

目前常見的中高層建筑結(jié)構(gòu)施工平臺(tái)包括腳手架體系[4-6]、爬架施工體系[7-8]、液壓頂升施工平臺(tái)[9]及附著式升降施工平臺(tái)[10]等。傳統(tǒng)腳手架體系堆場(chǎng)面積大、場(chǎng)地資源浪費(fèi)；裝配效率低，建造成本高；在高層建筑應(yīng)用中桿件長細(xì)比較大，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)較高[11]。爬架施工體系、液壓頂升施工平臺(tái)及附著式升降施工平臺(tái)雖克服了傳統(tǒng)腳手架體系安全風(fēng)險(xiǎn)高、場(chǎng)地占用率高及材料浪費(fèi)等缺點(diǎn)，但其構(gòu)造復(fù)雜、連接節(jié)點(diǎn)施工難度大、施工精度要求高、建造和運(yùn)營成本較高。

劉樹寶[12]提出懸挑支撐施工平臺(tái)體系，為裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)施工平臺(tái)設(shè)計(jì)提供了參考。殷粉芳等[13]提出工字鋼斜撐系桿與鋼梁懸挑結(jié)構(gòu)組合而成的施工平臺(tái)，可有效解決中高層結(jié)構(gòu)懸挑部件的施工問題。許嚴(yán)峰等[14]在高空景觀懸挑陽臺(tái)施工中，采用斜拉空間桁架體系構(gòu)成施工平臺(tái)上部懸挑模架系統(tǒng)，解決高空大懸挑結(jié)構(gòu)的施工問題。王兵等[15]采用型鋼三角支撐體系作為施工平臺(tái)主要受力結(jié)構(gòu)，采用高空懸挑支模施工89.300m標(biāo)高處的梁板結(jié)構(gòu)，工程效果良好。鄭麗芬[16]采用斜拉鋼筋施工平臺(tái)進(jìn)行高空懸挑結(jié)構(gòu)支模體系的施工，其中斜拉鋼筋懸挑型鋼施工平臺(tái)為主要受力構(gòu)件，并采取可靠加固措施，形成高空懸挑現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的支模體系。

目前，國內(nèi)外部分學(xué)者對(duì)懸挑支撐施工平臺(tái)進(jìn)行了計(jì)算分析，Liu等[17]在簡化力學(xué)模型的基礎(chǔ)上提出立體計(jì)算模型，結(jié)合各構(gòu)件剛度分布規(guī)律對(duì)荷載分布及結(jié)構(gòu)彎矩的影響，研究施工荷載與結(jié)構(gòu)剛度變化。Huang等[18-19]提出模板支撐體系承載力計(jì)算方法，進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究，并根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行修正。Yu等[20-21]通過試驗(yàn)和模擬研究，對(duì)門式支撐鋼架的受力性能進(jìn)行探索，建立有限元模型，評(píng)估支撐鋼架在理想邊界下的極限承載能力。

1 裝配式懸挑輕鋼模架施工平臺(tái)

本文依托實(shí)際工程，研發(fā)一種適用于裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的新型懸挑輕鋼模架施工平臺(tái)體系，如圖1所示。該施工平臺(tái)體系由輕鋼模架支撐系統(tǒng)、輕鋼模架與剪力墻連接系統(tǒng)及模架施工平臺(tái)防護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成。

圖1 懸挑輕鋼模架施工平臺(tái)體系

輕鋼模架支撐系統(tǒng)為施工平臺(tái)的主要支撐傳力結(jié)構(gòu)，是由方鋼管焊接形成的三角形輕鋼桁架(簡稱“三角架”)，方管截面尺寸均為100mm×100mm×4mm，主要承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)的恒荷載、施工活荷載及側(cè)向荷載。輕鋼模架與剪力墻連接系統(tǒng)由2個(gè)高強(qiáng)螺栓附墻節(jié)點(diǎn)組成，采用M24 S10.9高強(qiáng)螺栓連接三角架與混凝土剪力墻，附墻節(jié)點(diǎn)主要承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的剪力和彎矩。模架施工平臺(tái)防護(hù)系統(tǒng)由腳手架框架、外掛密目網(wǎng)及施工模板等構(gòu)成，主要起防護(hù)作用，防止施工人員及器械高空墜落，由于外掛密目網(wǎng)的存在，防護(hù)系統(tǒng)外側(cè)會(huì)產(chǎn)生風(fēng)荷載作用。

對(duì)該平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力性能計(jì)算分析，建立懸挑輕鋼模架施工平臺(tái)體系的簡化力學(xué)分析模型，計(jì)算該結(jié)構(gòu)的彈性極限承載能力，進(jìn)行正常使用狀態(tài)下結(jié)構(gòu)受力安全性驗(yàn)算；建立受力結(jié)構(gòu)的有限元模型，進(jìn)行數(shù)值模擬，分析該施工平臺(tái)體系的損傷過程、破壞特征及彈性極限承載力。結(jié)果顯示，數(shù)值模擬結(jié)果與簡化力學(xué)分析模型計(jì)算結(jié)果基本一致。

2 力學(xué)模型與承載力計(jì)算

2.1 力學(xué)模型

假定上部附墻節(jié)點(diǎn)、下部附墻節(jié)點(diǎn)為鉸接；三角架桿件均焊接連接，其連接節(jié)點(diǎn)為剛接；腳手架桿連接節(jié)點(diǎn)為剛接；風(fēng)荷載以均布荷載形式作用在腳手架框架上；腳手架自重以集中荷載形式作用在三角架連接節(jié)點(diǎn)上。輕鋼模架施工平臺(tái)受力分析模型如圖2所示。

圖2 簡化力學(xué)分析模型

2.2 承載力計(jì)算

懸挑輕鋼模架施工平臺(tái)的主要受力結(jié)構(gòu)為三角架，上部安全圍護(hù)體系僅起圍護(hù)作用，并不直接承擔(dān)豎向荷載。因此，懸挑輕鋼模架施工平臺(tái)的彈性極限承載力由三角架的承載能力決定。三角架的承載力控制截面為：①上部螺栓連接節(jié)點(diǎn)處三角架豎桿截面，該截面處于壓、彎、剪復(fù)合受力狀態(tài)，易發(fā)生強(qiáng)度破壞；②三角架斜桿桿端截面，該桿件處于壓彎狀態(tài)，易發(fā)生失穩(wěn)破壞。計(jì)算得到三角架達(dá)到彈性極限狀態(tài)時(shí)的內(nèi)力，如圖3所示。

圖3 彈性極限狀態(tài)下三角架內(nèi)力

三角架橫桿所受均布恒荷載與施工活荷載設(shè)計(jì)值之和為114.5kN/m時(shí)，上部螺栓連接節(jié)點(diǎn)處三角架豎桿截面達(dá)到最大抗彎承載力，即處于彈性極限狀態(tài)，計(jì)算如下：

(1)

經(jīng)驗(yàn)算[22]，彈性極限狀態(tài)下，除三角架斜桿外，其余桿件及螺栓均處于彈性工作狀態(tài)。由式(2)，(3)驗(yàn)算可知，上部螺栓連接節(jié)點(diǎn)處三角架豎桿達(dá)到彈性極限狀態(tài)時(shí)，三角架斜桿會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞。

(2)

(3)

3 有限元模擬

3.1 有限元模型

建立有限元模型，如圖4所示。模型中鋼管及混凝土均采用8結(jié)點(diǎn)線性縮減積分三維實(shí)體單元(C3D8R)，鋼筋采用桁架單元(T3D2)。鋼材本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型，混凝土采用損傷塑性模型來模擬剪力墻板的受力性能。鋼筋骨架嵌入混凝土墻體中；螺栓套筒與混凝土墻體采用綁定約束；高強(qiáng)螺栓與混凝土墻體的連接采用通用接觸，可自動(dòng)選擇接觸面。

圖4 有限元模型

3.2 模擬結(jié)果

三角架破壞數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，懸挑輕鋼模架施工平臺(tái)達(dá)到承載能力極限狀態(tài)過程中，主要破壞位置為三角架豎桿及斜桿。①彈性階段 三角架橫桿與豎桿焊接節(jié)點(diǎn)、斜桿與豎桿焊接節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，以上部位鋼管最先進(jìn)入屈服狀態(tài)。②彈塑性階段 上部螺栓連接節(jié)點(diǎn)處三角架豎桿受壓彎作用發(fā)生局部屈曲，三角架斜桿與豎桿焊接位置發(fā)生鋼管壁屈曲，斜桿發(fā)生失穩(wěn)破壞。③破壞階段 三角架最終破壞形態(tài)為上部螺栓連接節(jié)點(diǎn)處三角架豎桿截面屈服并出現(xiàn)局部屈曲，三角架斜桿鋼材屈服并出現(xiàn)整體彎曲變形，斜桿受壓彎作用失穩(wěn)破壞。

圖5 三角架破壞過程

螺栓連接節(jié)點(diǎn)在三角架達(dá)到彈性極限承載能力時(shí)仍處于彈性階段，高強(qiáng)螺栓未屈服，墻體混凝土和鋼筋基本處于彈性狀態(tài)。

通過有限元分析得到施工均布荷載P與三角架橫桿桿端撓度Δ的關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 P-Δ關(guān)系曲線

當(dāng)Δ<30.99mm時(shí)，結(jié)構(gòu)處于彈性階段，該階段三角架橫桿與豎桿焊接位置、斜桿與豎桿焊接位置出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；當(dāng)30.99mm<Δ<60mm時(shí)，平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段；當(dāng)Δ>60mm后，平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)入破壞階段。由模擬結(jié)果得出三角架彈性極限荷載為105.23kN/m，與簡化力學(xué)分析模型計(jì)算所得彈性極限承載力114.5kN/m較接近，相差8.1%。

4 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

4.1 驗(yàn)算單元選取

選擇最高的一段懸挑輕鋼模架施工平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)算，懸挑支撐平臺(tái)搭設(shè)規(guī)則為：①三角架橫桿頂面與各層樓地面標(biāo)高相同；②相鄰三角架間距為3 300mm； ③腳手架框架內(nèi)、外側(cè)豎桿水平間距為1.20m，橫向間距為1.65m；④腳手架橫向系桿間距為1m。施工平臺(tái)起始標(biāo)高為23.200m，頂部標(biāo)高為25.200m，搭設(shè)總跨度為25.20m。選擇其中1個(gè)三角架及其左右1 650mm范圍為1個(gè)驗(yàn)算單元，如圖7所示。各部件截面選型及材料強(qiáng)度等級(jí)如表1所示。

圖7 驗(yàn)算單元

表1 各部件截面選型及材料強(qiáng)度等級(jí)

4.2 荷載計(jì)算與受力分析

4.2.1荷載計(jì)算

懸挑輕鋼模架施工平臺(tái)所承擔(dān)荷載主要為結(jié)構(gòu)自重、施工裝修荷載及風(fēng)荷載。計(jì)算單元范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)自重為4 251.4kN，結(jié)構(gòu)施工荷載標(biāo)準(zhǔn)值qk為3.0kN/m2。

1)風(fēng)荷載計(jì)算[23]①標(biāo)高25.200m處陣風(fēng)系數(shù)βz=1.9；②查表[24]知擋風(fēng)系數(shù)Φ=0.089，故擋風(fēng)面積為3.3×2×0.089=0.59m2，且2 000目/100cm2安全網(wǎng)擋風(fēng)系數(shù)Φ=0.5，可求綜合擋風(fēng)面積An=(3.3×2-0.59)×0.5+0.59=3.60m2，綜合擋風(fēng)系數(shù)Φn=An/Aw=3.595/(3.3×2)=0.544；③風(fēng)壓高度變化系數(shù)按大城市市區(qū)C類地面粗糙度，在標(biāo)高25.200m處取值為μz=0.88；④北京地區(qū)基本風(fēng)壓ω0=0.45kN/m2(50年重現(xiàn)期)，則外架在標(biāo)高為25.200m處的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值ωk=βzμsμzω0=1.9×1.3×0.544×0.88×0.45=0.53kN/m2，μs=1.3Φ=1.3×0.544。

2)荷載設(shè)計(jì)值 均布荷載組合設(shè)計(jì)值N=(1.2ΣNGK+1.4ΣNQK)/L=16.72kN/m；風(fēng)荷載組合設(shè)計(jì)值Fw=0.85×1.4×0.53×3.3=2.08kN。

4.2.2結(jié)構(gòu)受力分析

平臺(tái)結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)下的內(nèi)力如圖8所示。

圖8 結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)內(nèi)力

由圖8可知，外側(cè)腳手架豎桿、三角架斜桿及豎桿為壓彎桿件，內(nèi)側(cè)腳手架豎桿、腳手架水平系桿及三角架橫桿為拉彎桿件。因此，對(duì)三角架斜桿進(jìn)行壓彎強(qiáng)度驗(yàn)算與穩(wěn)定性驗(yàn)算，對(duì)其余桿件進(jìn)行拉彎或壓彎強(qiáng)度驗(yàn)算。

4.3 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

4.3.1桿件截面強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)式(4)進(jìn)行拉彎或壓彎桿件截面強(qiáng)度驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。由表2可知，懸挑支撐結(jié)構(gòu)體系中各桿件截面強(qiáng)度均處于安全范圍，且有足夠的安全儲(chǔ)備。

表2 拉彎或壓彎桿件截面強(qiáng)度驗(yàn)算 MPa

(4)

4.3.2壓彎桿件穩(wěn)定性驗(yàn)算

利用式(5)進(jìn)行三角架斜桿平面內(nèi)穩(wěn)定性計(jì)算：

(5)

計(jì)算結(jié)果表明，三角架斜桿平面內(nèi)穩(wěn)定滿足要求，且有足夠的安全儲(chǔ)備。

利用式(6)進(jìn)行平面外穩(wěn)定性計(jì)算：

(6)

同時(shí)還應(yīng)滿足條件式(7)：

(7)

計(jì)算結(jié)果表明，三角架斜桿平面外穩(wěn)定性滿足要求，且有足夠的安全儲(chǔ)備。

4.3.3螺栓連接節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度驗(yàn)算

利用式(8)進(jìn)行上、下部螺栓連接節(jié)點(diǎn)受力驗(yàn)算，可得其強(qiáng)度分別為0.09,0.13，均<1.0，說明上、下部螺栓連接節(jié)點(diǎn)安全，且有足夠的安全儲(chǔ)備。

(8)

綜上，懸挑支撐結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)下是安全的，桿件截面強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)算均符合規(guī)范要求[22]，螺栓連接節(jié)點(diǎn)牢固可靠，整體結(jié)構(gòu)具有足夠的安全儲(chǔ)備。

5 應(yīng)用效果

該新型裝配式懸挑支撐施工平臺(tái)體系已成功應(yīng)用于北京市順義區(qū)夏縣營村棚戶區(qū)改造項(xiàng)目。工程應(yīng)用表明，該施工平臺(tái)體系具有以下優(yōu)勢(shì)：①結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，傳力路徑明確，主要受力結(jié)構(gòu)與連接節(jié)點(diǎn)安全可靠，使用過程中結(jié)構(gòu)變形可控；②裝配化程度與工業(yè)化水平高，制作材料普遍易得，成本較低；③節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)均考慮裝配誤差，安裝拆卸順利，現(xiàn)場(chǎng)施工便捷；④2套施工平臺(tái)流水作業(yè)，操作靈活，節(jié)約材料堆場(chǎng)面積；⑤材料循環(huán)利用，綠色環(huán)保，相比傳統(tǒng)腳手架結(jié)構(gòu)用鋼量明顯降低。

6 結(jié)語

1)新型裝配式懸挑支撐施工平臺(tái)結(jié)構(gòu)的輕鋼模架支撐系統(tǒng)為三角形方鋼管桁架結(jié)構(gòu)，主要破壞模式為三角架豎桿局部屈曲與斜桿整體失穩(wěn)。當(dāng)三角架達(dá)到彈性極限承載力時(shí)，高強(qiáng)螺栓附墻節(jié)點(diǎn)與裝配剪力墻板處于彈性狀態(tài)。

2)采用承載力簡化力學(xué)分析模型計(jì)算所得結(jié)構(gòu)彈性極限荷載為114.5kN/m，與有限元分析結(jié)果105.23kN/m較接近，建立的承載力簡化力學(xué)分析模型可用于該施工平臺(tái)體系的承載力計(jì)算。

3)由結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果可知，該新型懸挑支撐施工平臺(tái)結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)下安全可靠，且具有足夠的安全儲(chǔ)備，在實(shí)際工程中應(yīng)用效果良好。