新型可折疊式輕型鋼結(jié)構(gòu)施工臨時支撐體系的研制

張月樓，劉祥，張良蘭，宋生志，馮國軍

（中建八局新型建造工程有限公司，上海 200125）

0 引言

目前，在鋼結(jié)構(gòu)建筑安裝施工過程中，上部結(jié)構(gòu)未整體成型之前，需要采用臨時支撐體系對單構(gòu)件進行支撐，使得未成型結(jié)構(gòu)與臨時支撐結(jié)構(gòu)形成一個臨時穩(wěn)定結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)階段，應(yīng)用最為廣泛的是重型格構(gòu)式、實腹式或組合式鋼結(jié)構(gòu)臨時支撐[1]。

對于大型公共場館建筑，其結(jié)構(gòu)構(gòu)件一般較重，在安裝施工過程中，重型臨時支撐會表現(xiàn)出較為優(yōu)越的性能[2]。但針對網(wǎng)殼、網(wǎng)架、小跨度桁架等輕型結(jié)構(gòu)，其構(gòu)件質(zhì)量較輕，重型臨時支撐體系就有些大材小用，進而在工程應(yīng)用中呈現(xiàn)出較為明顯的缺憾和不足：（1）質(zhì)量重，用鋼量大，加工及應(yīng)用成本高；（2）體積大，倉儲及運輸不便；（3）質(zhì)量重，現(xiàn)場吊裝不便，施工效率低；（4）現(xiàn)場布置及移動不靈活；（5）現(xiàn)場拼裝需要占用較多的大型機具和人力；（6）占用較多關(guān)鍵路線，影響工期。

為彌補重型支撐在輕型鋼結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用的缺憾和不足，業(yè)界開發(fā)了可折疊式輕型鋼結(jié)構(gòu)臨時支撐，該新型支撐可以實現(xiàn)折疊安裝和拆卸，更加集成高效；折疊后形成平面，更加便于運輸和倉儲；單節(jié)整體質(zhì)量較輕，可以免用吊裝機械，雙人即可完成拼裝和拆卸，有效提高施工效率，大大節(jié)省造價和施工工期[3]。

1 可折疊式輕型鋼支撐的構(gòu)造設(shè)計

可折疊式輕型鋼支撐主體構(gòu)造型式為三角型，中間通過轉(zhuǎn)動節(jié)點將腹桿與主桿連接在一起，上下構(gòu)造單元節(jié)通過陰陽拼接頭和三角平面箍撐連接在一起[4]。其基本構(gòu)造詳圖如圖1 所示。

圖1 可折疊式鋼結(jié)構(gòu)臨時支撐

可折疊式輕型鋼支撐是一種高效集成的新型支撐體系，支撐架主桿采用Φ63.5×4，斜腹桿采用Φ30×3 的成品鋼管，單節(jié)總重控制在70kg 左右，可在無任何吊具的情況下，雙人輕松整體折疊成為一個平面，真正實現(xiàn)輕型化。折疊成平面后減少運輸及倉儲空間，現(xiàn)場施工效率大幅提高，折疊成平面后效果圖如圖2 所示。

圖2 可折疊式鋼結(jié)構(gòu)臨時支撐（折疊后）

可折疊式輕型鋼支撐上下單元節(jié)間根據(jù)設(shè)計要求，設(shè)置合理數(shù)量三角箍撐架（圖3），三角箍撐架配套與支撐架兩端配套的陰陽頭，可以通過銷孔與主體架穩(wěn)固地連接在一起，同時可以有效提升支撐架的整體性。

圖3 三角箍撐架

上下單元節(jié)采用陰陽連接頭連接，陰陽連接頭及中間旋轉(zhuǎn)軸均為空心鋼棒機加工制造，連接性能高效安全。陰陽頭部位采用新型卡銷連接，如圖4 所示。新型卡銷采用創(chuàng)新構(gòu)造，可以實現(xiàn)自鎖緊功能，現(xiàn)場施工便捷高效，如圖5 所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)節(jié)點及閉口節(jié)點構(gòu)造

圖5 陰陽接頭及卡銷構(gòu)造

2 可折疊式輕型鋼支撐的應(yīng)用方法

可折疊式輕型鋼支撐的應(yīng)用技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在打包運輸、倉儲和現(xiàn)場安裝等工序環(huán)節(jié)中?；谛滦椭蔚恼郫B式和輕型兩個優(yōu)勢特點，達到創(chuàng)新的集成高效打包運輸和倉儲，現(xiàn)場高效快速拼裝。

2.1 打包運輸

為了實現(xiàn)高效運輸和倉儲，創(chuàng)新開發(fā)了集成式打包方法，該打包方法是將折疊后的輕型支撐豎向?qū)盈B放置，采用橫隔枕梁和豎向拉桿將其緊固，形成一個整體，便于吊裝、運輸和倉儲。

折疊后的三角支撐采用隔層交錯的方式放置，目的在于使得折疊后支撐層疊放置后為一平面，橫隔枕梁如圖6 所示，其尺寸經(jīng)過設(shè)計，以確保交錯折疊后支撐斜后為一平面。

圖6 集成打包示意圖

橫隔枕梁如圖7 所示，其尺寸經(jīng)過設(shè)計，以確保交錯折疊后支撐斜腹桿不與橫隔枕梁碰撞。豎向拉桿采用圓鋼制成，長度根據(jù)支撐的疊放層數(shù)確定，一般疊放層數(shù)為5～ 12 層，疊放過高會導(dǎo)致打包整體的穩(wěn)定性較差，容易發(fā)生傾覆事故。

圖7 橫隔枕梁及拉桿示意圖

2.2 現(xiàn)場安裝

集成打包件運送到現(xiàn)場后，拆掉四個吊環(huán)及頂部橫隔梁，逐層將折疊式支撐架取下。該支撐單節(jié)質(zhì)量較輕僅70kg，兩人可搬動拼裝。首先將單節(jié)支撐橫向放置在地面上，然后展開將閉口節(jié)點朝上，閉口節(jié)點采用四個U 型卡連接，如圖8 所示。

圖8 閉口節(jié)點U 型卡連接示意圖

U 型卡一端插入抱箍孔中，一端卡在抱箍邊緣，該連接形式牢固可靠，且僅采用錘頭可輕松實現(xiàn)裝配和拆卸。然后將三角箍撐架安裝上，并將卡銷分別插入每一個連接孔中，按照同樣方式組裝完成其他單節(jié)支撐，在現(xiàn)場地面上將單節(jié)支撐組合連接在一起，單次拼接單節(jié)支撐的數(shù)量不宜多于6 個[5]，可折疊式輕型鋼支撐單節(jié)及多節(jié)拼裝效果圖如圖9 所示。

圖9 可折疊式輕型鋼支撐單節(jié)及多節(jié)拼裝效果圖

3 可折疊式輕型鋼支撐的受力性能分析

采用ABAQUS 有限元軟件對可折疊式輕型鋼支撐的安全性能進行分析，分別進行雙節(jié)拼裝單元支撐結(jié)構(gòu)軸心壓彎、上偏心壓彎及下偏心壓彎承載性能分析。

3.1 有限元模型

有限元模型中，管材均采用理想彈塑性模型，符合Von Mises 屈服準(zhǔn)則，彈性模量E=200 000 N/mm2，泊松比v=0.3。網(wǎng)格劃分均采用C3D8R 減縮積分單元。支撐底端采用固接約束方式，在頂端撐頂工裝上施加集中力[6-7]，如圖10 所示。

圖10 有限元分析模型及網(wǎng)格劃分

加載模式采用位移控制加載，分三種加載工況：（1）在支撐頂工裝的幾何中心施加軸心荷載；（2）在支撐頂工裝幾何中心向上偏移866mm；（3）在支撐頂工裝幾何中心向下偏移866mm[8]。

3.2 應(yīng)力及變形對比

通過模擬計算得到了輕型鋼支撐分別在軸心、上偏心及下偏心荷載作用下屈曲失穩(wěn)破壞的應(yīng)力分布及變形云圖，如圖11～13 所示。

圖11 軸心加載屈曲失穩(wěn)破壞時的應(yīng)力及變形圖

從圖中可以看出，支撐主桿軸力較大，斜拉腹桿軸力較小，單節(jié)主桿均發(fā)生了整體屈曲失穩(wěn)破壞。

支撐在軸心荷載作用下，如圖11 所示。三根主桿分別發(fā)生了整體屈曲失穩(wěn)破壞，變形主要為主桿中間部位向外鼓曲，由于斜腹桿和中間三角箍撐的約束作用，主管整體豎向變形呈現(xiàn)波浪形。

支撐在上偏心荷載作用下，如圖12 所示。鄰近上偏心荷載施加點的兩主桿內(nèi)部軸力較大，支撐整體發(fā)生失穩(wěn)破壞，向偏心方向整體傾覆。

圖12 上偏心加載屈曲失穩(wěn)破壞時的應(yīng)力及變形圖

支撐在下偏心荷載作用下，如圖13 所示。鄰近下偏心荷載施加點的主桿內(nèi)部軸力較大，支撐整體發(fā)生失穩(wěn)破壞，向偏心方向整體傾覆。

圖13 下偏心加載屈曲失穩(wěn)破壞時的應(yīng)力及變形圖

3.3 受力性能試驗

試驗在上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)城市建設(shè)與安全工程學(xué)院的結(jié)構(gòu)與安全工程試驗室1 000t 多功能試驗機上進行。分別進行軸心受壓、上偏心受壓、下偏心受壓三組實驗，三組構(gòu)件試驗過程中，彈性階段構(gòu)件未出現(xiàn)可直接觀測到的明顯變形，且無異常聲音出現(xiàn)。超過極限荷載后，三根鋼管柱逐漸出現(xiàn)屈曲現(xiàn)象，軸心受壓構(gòu)件試驗?zāi)蟼?cè)鋼管屈曲現(xiàn)象最為明顯，上偏心受壓構(gòu)件試驗破壞更為明顯的是東北側(cè)鋼管柱，下偏心受壓構(gòu)件試驗?zāi)蟼?cè)（靠近加載點）鋼管柱逐漸出現(xiàn)屈曲現(xiàn)象，主要屈曲變形集中在上節(jié)段，詳見圖14。鋼管的主要變形發(fā)生在上部節(jié)段，這說明橫桿能夠有效提供支承，降低鋼管的無約束段長度，從而提高輕型支撐的承載力。試驗過程中，節(jié)點板、連接銷釘?shù)裙?jié)點位置未出現(xiàn)失效現(xiàn)象。

圖14 軸心受壓、上偏心受壓、下偏心受壓三組實驗加載屈曲失穩(wěn)破壞時的試件變形圖

4 結(jié)論

（1）新型可折疊式輕型鋼結(jié)構(gòu)支撐體系采用標(biāo)準(zhǔn)化及模數(shù)化，可標(biāo)準(zhǔn)化施工，模塊化組合，實現(xiàn)多領(lǐng)域、廣范圍使用。

（2）通過對輕型支撐的承載性能試驗，可發(fā)現(xiàn)輕型支撐的承載能力滿足設(shè)計要求，隨著荷載中心點偏向肢背，承載力逐漸上升。由于桿件比較細(xì)長，構(gòu)件均為彈性失穩(wěn)破壞。從試驗結(jié)果可以看出，考慮為使輕型支撐適用項目范圍更廣，使用周期更長，輕型支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計時考慮了必要的安全儲備。

（3）新型可折疊式輕型鋼結(jié)構(gòu)支撐體系，節(jié)點均為標(biāo)準(zhǔn)化的轉(zhuǎn)向套管，閉合配套接頭采用抱箍式連接，與主管實現(xiàn)干式連接，體系安全可靠、可高效裝配施工、便于存儲運輸，免于機械安裝，節(jié)省人工及施工造價。