改進(jìn)型陣列式組合模架體系整體穩(wěn)定性研究*

石開榮，盧永徽，林金龍，許潔檳，姜正榮，孫 暉，杜 飛，陳 炬

(1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641；2.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510641；3.中建科技集團(tuán)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518118；4.深汕特別合作區(qū)磐汩新材料有限公司，廣東 深圳 516473)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)，人民生活水平顯著提高，我國建筑業(yè)取得了飛速發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)形式和功能豐富多樣，出現(xiàn)了眾多大跨度、超高層建筑，對(duì)施工期間模板支撐體系(模板支撐架、安裝支撐架等)穩(wěn)定承載能力提出了更高要求。

近年來，我國模板和腳手架體系發(fā)展迅速，但在安全技術(shù)與管理方面仍存在不足，進(jìn)而造成施工安全與工程質(zhì)量隱患[1]，導(dǎo)致因模板支撐架傾覆、坍塌引起的工程事故時(shí)有發(fā)生[2]，工程事故給人們生命財(cái)產(chǎn)造成損失，阻礙了我國建筑業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展。因此，除對(duì)現(xiàn)有模板支撐體系進(jìn)行深入研究外，還需研發(fā)新型模板支撐體系，以更好地滿足建筑業(yè)快速與高質(zhì)量發(fā)展需求。

目前，國內(nèi)學(xué)者主要研究常規(guī)模板支撐體系穩(wěn)定性，如莊金平等[3]利用有限元軟件對(duì)高大模板扣件式鋼管支撐體系穩(wěn)定承載力進(jìn)行了分析，得到了不同參數(shù)對(duì)體系整體穩(wěn)定承載力的影響規(guī)律；陳志華等[4-6]研究了直角扣件半剛性特征，對(duì)扣件式鋼管模板支撐架穩(wěn)定承載力及失穩(wěn)情況進(jìn)行了分析，并對(duì)滿堂支撐架與滿堂腳手架力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比研究；劉敏[7]借助有限元分析軟件ANSYS中的彈簧單元等效模擬了碗扣節(jié)點(diǎn)半剛性，對(duì)不同連接方式下的碗扣式模板支撐架整體失穩(wěn)情況進(jìn)行了分析；黃浩等[8]考慮了節(jié)點(diǎn)連接剛度，對(duì)插銷式鋼管腳手架結(jié)構(gòu)安全性能進(jìn)行了研究；周潭飛[9]對(duì)盤扣式模板支撐架進(jìn)行了試驗(yàn)研究與有限元模擬分析，探究了斜桿設(shè)置方式、架體高度、立桿間距等因素對(duì)架體穩(wěn)定承載力的影響；Zhao等[10]通過試驗(yàn)研究和有限元模擬分析，探究了承插型輪扣式鋼管腳手架節(jié)點(diǎn)受彎性能及支撐架體系屈曲性能。

對(duì)各類新型模板支撐體系的研究主要集中在基本力學(xué)性能方面[11-15]，而對(duì)于架體整體抗傾覆穩(wěn)定性的研究較少。本研究在文獻(xiàn)[16]的基礎(chǔ)上，對(duì)改進(jìn)型陣列式組合模架體系進(jìn)行優(yōu)化提升，并進(jìn)行足尺模型試驗(yàn)及有限元模擬分析，研究體系整體抗傾覆穩(wěn)定性。

1 改進(jìn)型陣列式組合模架體系

陣列式組合模架體系又稱格柵組合模架體系，本研究在文獻(xiàn)[16]的基礎(chǔ)上，對(duì)陣列式組合模架體系鋁框主次楞截面形狀與尺寸及配套梁、柱模板體系進(jìn)行優(yōu)化，得到改進(jìn)型陣列式組合模架體系，提升了體系整體受力性能和裝拆便捷性。改進(jìn)型陣列式組合模架體系由新型陣列式鋁框(見圖1)、塑料平板模板、可調(diào)鋼管支撐及水平桿組成，如圖2所示。鋁框由橫向主楞和縱向次楞組成，次楞焊接在主楞上方，塑料模板平鋪于鋁框上方，鋁框下方設(shè)置可調(diào)鋼管支撐，在可調(diào)鋼管支撐中部設(shè)置雙向水平桿，以增加體系穩(wěn)定性?？烧{(diào)鋼管支撐主要由上部插管和下部套管組成，如圖3所示，插管設(shè)置限位插銷孔，上部插管和下部套管通過調(diào)節(jié)螺母、插銷進(jìn)行連接，支撐頂部設(shè)置專用頂托，用于連接并支撐上部鋁框。可調(diào)鋼管支撐與水平桿通過直角扣件連接。

圖1 新型陣列式鋁框構(gòu)造

圖2 改進(jìn)型陣列式組合模架體系

圖3 可調(diào)鋼管支撐

為加強(qiáng)改進(jìn)型陣列式組合模架體系與梁、柱模板的整體協(xié)同作用，梁、柱模板摒棄了傳統(tǒng)的膠合板和木方，采用新型鋁模板，其中，梁模板由側(cè)模板、底模板組成(見圖4)，柱模板由各邊側(cè)模板組成(見圖5)。同時(shí)，在梁模板與柱模板相應(yīng)位置設(shè)置梁夾、對(duì)拉螺栓套件和柱箍，以增加整體性。

圖4 梁模板

圖5 柱模板

改進(jìn)型陣列式組合模架體系構(gòu)造簡單，性能可靠，模板和支撐構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化程度高，梁、柱鋁模板質(zhì)量小、回收率高，搭設(shè)工作量小，安裝、拆卸便捷，施工管理方便，施工效率高，可調(diào)鋼管支撐高度可靈活調(diào)節(jié)。

2 穩(wěn)定性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

選取平面軸線尺寸為8m×8m、板底結(jié)構(gòu)標(biāo)高為3.600m的單跨四柱框架單元進(jìn)行足尺試驗(yàn)(見圖6)，其中鋼筋混凝土樓板設(shè)計(jì)厚度為200mm，柱截面尺寸為700mm×700mm，梁截面尺寸為400mm×600mm。梁、柱模板鋁材型號(hào)為6061-T6，梁模板底部設(shè)置豎向支撐，端距為1 300mm，中距為1 000mm，在柱間對(duì)稱分布。在梁軸線位置下方設(shè)置豎向剪刀撐，并在柱模板內(nèi)側(cè)面設(shè)置斜撐。

圖6 足尺試驗(yàn)

樓板模板由32塊標(biāo)準(zhǔn)鋁框組成，平面布置如圖6b所示，單塊鋁框(型號(hào)為6061-T6)平面尺寸為1 800mm×915mm，基本構(gòu)造如圖1所示，鋁框上方鋪設(shè)15mm厚塑料模板。板底可調(diào)鋼管支撐布置與上部新型陣列式鋁框尺寸相匹配，間距對(duì)應(yīng)為1 800mm×915mm，在可調(diào)鋼管支撐2.1m高度處設(shè)置雙向水平桿(見圖6c)。在鋁框與梁模板間隙處設(shè)置C型鋼，以保證水平力能夠順利傳遞。

其他主要構(gòu)配件參數(shù)如表1所示，材質(zhì)均為鋼材，型號(hào)均為Q235。

表1 主要構(gòu)配件參數(shù)

2.2 試驗(yàn)方案

2.2.1加載方案

采用千斤頂施加水平荷載，通過兩級(jí)分配梁(見圖7，8a)將水平荷載均勻施加在梁側(cè)面模板上，在加載端梁模板內(nèi)相應(yīng)位置設(shè)置截面尺寸為50mm×50mm的木方(見圖7)，保證水平荷載順利傳至鋁框。利用樓面模板上的軟底水袋(見圖8b)，以注水的方式施加豎向荷載(架體豎向永久荷載)。試驗(yàn)時(shí)首先施加豎向荷載，然后以單調(diào)分級(jí)加載方式施加水平荷載，以2kN為一級(jí)，持荷5min左右，體系穩(wěn)定后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。正式試驗(yàn)前進(jìn)行預(yù)加載，盡量消除各構(gòu)件間隙對(duì)加載過程的影響，并確保試驗(yàn)設(shè)備正常工作。

圖7 加載及位移測點(diǎn)布置示意

圖8 加載裝置

軟底水袋安裝前，在梁、柱模板中裝滿砂，用于模擬實(shí)際工程中梁、柱混凝土自重。由于混凝土密度大于砂密度，扣除砂質(zhì)量后，將剩余的梁、柱混凝土自重折算為豎向均布荷載，并施加于樓面上?？紤]軟底水袋自重1.51kN，最終施加在樓面的豎向均布荷載為8.43kN/m2。根據(jù)GB 50666—2011《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》[17]規(guī)定，需施加的水平荷載為14.3kN，最終實(shí)際施加至21.5kN(1.5倍的規(guī)定水平荷載)。

2.2.2測點(diǎn)布置

試驗(yàn)選取4個(gè)水平位移測點(diǎn)，編號(hào)分別為E，F(xiàn)，G，H，測點(diǎn)對(duì)稱分布于加載端和遠(yuǎn)端可調(diào)鋼管支撐頂部與鋁框連接處，如圖7所示。水平位移量測采用YHD-100型位移傳感器。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在豎向荷載加載過程中及加載至豎向荷載預(yù)定值時(shí)，體系穩(wěn)定，未出現(xiàn)異常。體系水平荷載-位移曲線如圖9所示，加載初期體系水平位移隨著水平荷載的增加先線性增長后非線性增長；各測點(diǎn)水平位移相差較小，表明體系整體性良好；當(dāng)水平荷載達(dá)14.3kN時(shí)，測點(diǎn)最大水平位移為3.23mm，層間位移角約為1/1 115，此時(shí)支撐、鋁框及模板等均未出現(xiàn)異常；當(dāng)水平荷載增至21.5kN時(shí)，各測點(diǎn)最大水平位移為8.48mm，層間位移角約為1/425；試驗(yàn)結(jié)束后，各構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)狀態(tài)良好，結(jié)構(gòu)未發(fā)生損壞，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 體系水平荷載-位移曲線

3 數(shù)值模擬分析

3.1 有限元模型建立

采用MIDAS/Gen有限元軟件對(duì)改進(jìn)型陣列式組合模架體系進(jìn)行分析，有限元模型如圖10所示。采用梁單元模擬鋁框、梁模板、柱模板、可調(diào)鋼管支撐、水平桿、梁支撐、柱支撐、剪刀撐、柱箍、梁夾、對(duì)拉螺栓及木方，采用板單元模擬塑料模板，其中平鋪于鋁框上方的塑料模板僅考慮傳遞荷載作用。為模擬砂對(duì)梁、柱模板的剛度貢獻(xiàn)，在柱箍相應(yīng)高度處及垂直于加載方向的梁模板內(nèi)相應(yīng)位置處設(shè)置100mm厚板單元，材質(zhì)為鋼材。在平行于加載方向的梁模板底部設(shè)置截面尺寸為100mm×100mm的木方，單元類型為梁單元。鋼材和鋁材采用理想雙折線彈塑性模型模擬，木材及塑料模板采用線性模型模擬，不考慮其塑性變形。鋼材、鋁材、木材及塑料模板彈性模量分別為2.06×105，7.0×104，9.0×103，1.41×103MPa。

圖10 有限元模型

綜合考慮各構(gòu)件實(shí)際受力情況，在有限元模型中，構(gòu)件之間的連接處理如下：為保證荷載能夠順利傳遞，在鋁框與梁模板連接處，耦合鋁框與梁模板水平方向平動(dòng)自由度；在可調(diào)鋼管支撐與鋁框連接處，耦合可調(diào)鋼管支撐與鋁框的平動(dòng)自由度，以模擬可調(diào)鋼管支撐通過支撐頂托對(duì)鋁框產(chǎn)生的平動(dòng)約束；可調(diào)鋼管支撐上部插管與下部套管設(shè)置為剛接；梁、柱模板相交處設(shè)置為鉸接；梁、柱支撐頂部與梁、柱模板連接處設(shè)置為鉸接；剪刀撐頂部與柱模板連接處設(shè)置為鉸接；可調(diào)鋼管支撐、柱模板、梁支撐、柱支撐底部均設(shè)置為鉸接，約束底部結(jié)點(diǎn)平動(dòng)自由度。

根據(jù)文獻(xiàn)[18-21]，水平桿與可調(diào)鋼管支撐間的連接按半剛性結(jié)點(diǎn)考慮，相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度設(shè)為19kN·m/rad，結(jié)構(gòu)分析時(shí)考慮幾何非線性效應(yīng)。

3.2 結(jié)果分析

將試驗(yàn)與有限元分析得到的體系水平荷載-位移曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖11所示。由圖11可知，體系水平位移隨著水平荷載的增加線性增長；當(dāng)水平荷載<14.3kN時(shí)，有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差較??；當(dāng)水平荷載>14.3kN時(shí)，隨著荷載的增加，有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差較大，這是由于有限元模型難以考慮各類構(gòu)件連接存在的間隙、初始偏心和結(jié)點(diǎn)實(shí)際剛度復(fù)雜性等，導(dǎo)致水平位移仍表現(xiàn)為線性增長，而實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)呈非線性增長。

圖11 體系水平荷載-位移曲線對(duì)比

體系在1.0倍規(guī)定水平荷載作用下的側(cè)向變形如圖12所示。整體上看，有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較符合，且在荷載作用下，有限元分析得到的加載端水平位移大于遠(yuǎn)端，表明有限元分析結(jié)果與體系實(shí)際受力情況基本相符。

圖12 體系側(cè)向變形(單位：mm)

3.3 不同體系對(duì)比

本研究與文獻(xiàn)[16]鋁框截面及梁、柱模板對(duì)比如圖13，14所示。將本研究分析結(jié)果與文獻(xiàn)[16]進(jìn)行對(duì)比，如圖15和表2所示。在相同荷載作用下，本研究得到的加載端和遠(yuǎn)端測點(diǎn)水平位移平均值均小于文獻(xiàn)[16]，最大水平位移差為5.5mm。本研究得到的體系平均側(cè)向剛度試驗(yàn)值與有限元分析值分別較文獻(xiàn)[16]提高了121.6%，124.6%；在1.0倍規(guī)定水平荷載作用下，本研究得到的層間位移角試驗(yàn)值與有限元分析值分別較文獻(xiàn)[16]減少了55.2%，57.3%，表明本研究提出的改進(jìn)型陣列式組合模架體系側(cè)向剛度大于文獻(xiàn)[16]模架體系，整體抗傾覆穩(wěn)定性得到顯著提高。

圖13 鋁框?qū)Ρ?/p>

圖14 梁、柱模板對(duì)比

圖15 分析結(jié)果對(duì)比

表2 側(cè)向剛度及層間位移角對(duì)比

4 結(jié)語

1)依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》，在1.0倍規(guī)定水平荷載作用下，改進(jìn)型陣列式組合模架體系處于穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)一步加載至1.5倍規(guī)定水平荷載，體系仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，且未發(fā)生構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)破壞，表明體系滿足整體抗傾覆穩(wěn)定性要求。

2)對(duì)改進(jìn)型陣列式組合模架體系受力與變形進(jìn)行分析，有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，表明本研究建立的有限元模型及分析方法較合理。

3)改進(jìn)型陣列式組合模架體系側(cè)向剛度顯著提高，具有更優(yōu)的整體抗傾覆穩(wěn)定能力，且梁、柱模板裝拆更便捷，可用于大柱網(wǎng)現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)支模施工。