預制裝配式混凝土框架結構施工豎向支撐試驗

黃炳生,侯曉祥,林成如

(1.南京工業(yè)大學 土木工程學院,江蘇 南京 211800;2.江蘇天工建筑科技集團有限公司,江蘇 淮安 211600)

裝配式建筑已經發(fā)展成為現階段建筑行業(yè)的重要組成部分,具有質量高、工期短、節(jié)約能源、清潔生產等技術優(yōu)勢,符合社會主義安全文明建設的發(fā)展趨勢[1-3]。

模板支架作為土木工程建設中的重要工具,其性能的優(yōu)劣直接影響施工的效率和安全。支撐腳手架因其安裝標準化、裝拆簡單、承載能力高、使用安全等優(yōu)點得到越來越廣泛的應用,但目前工程實際應用的支撐腳手架通常采用滿堂搭設,一定程度上造成了資源的浪費。獨立支撐腳手架的出現及發(fā)展促進了對裝配式結構施工豎向局部支撐的研究,局部支撐體系不僅具備滿堂搭設腳手架承載力高、裝拆簡單的優(yōu)點,還具備了各局部支撐獨立安裝、同步施工、施工效率高、用鋼量少、經濟性高的特點。目前,局部支撐的發(fā)展還不成熟,沒有相關的設計標準和規(guī)范[4-5]。孫祖根[6]以綠地中心·杭州之門工程為例,針對工程造型獨特的建筑,設計了承插型盤扣式鋼管模板支架結合獨立支撐早拆體系。郝夏暉[7]通過理論和有限元對單根獨立鋼支撐受力性能及影響因素進行了分析。郝駿[8]對獨立鋼支撐腳手架穩(wěn)定性進行了試驗研究、理論分析及有限元分析,研究了獨立鋼支撐腳手架在軸向荷載作用下的破壞形式、受力性能。喻紫竹等[9]通過有限元分析獨立式鋼支撐體系的穩(wěn)定性,探討了獨立式鋼支撐的計算控制要點。上述獨立鋼支撐承載力小,與以往滿堂腳手架的不同之處是減少了中間橫桿。目前,關于裝配式結構臨時支撐的研究還很少,楊曉[10]采用3個獨立鋼支撐桿通過橫桿構成臨時支撐架用于裝配式結構,通過有限元分析和靜力加載試驗,研究了臨時支撐的受力變形性能。

根據混凝土框架結構預制裝配式構件安裝特點,設計了預制裝配式混凝土框架結構施工豎向支撐架,具有現場快速拼裝、受力變形小、承載力高、方便儲存等特點。裝配式混凝土框架結構安裝施工僅需在梁兩端拼裝布置支撐架,施工速度快,效率高,施工空間大,人員通行、材料搬運暢通。對支撐架按施工過程進行了靜力加載試驗,為支撐架的安全使用提供了依據。

1 試件設計

1.1 設計要求

支撐除應滿足現有模板支架安全、可靠的要求外,還應滿足的要求為

① 尺寸能滿足一般預制裝配式混凝土框架結構模板支撐的搭設,能夠保證結構和構件各部位的形狀尺寸、相互位置正確,垂直方向的精準調節(jié);

② 構造簡單、操作方便,能實現快速組裝,且施工完成后可以快速拆除;

③ 能滿足模板支撐作為施工工具多次重復使用的要求;

④ 具有足夠的承載力、剛度和穩(wěn)定性,能承受疊合梁、疊合板和后澆筑混凝土的自重以及施工過程中產生的動荷載。

1.2 設計方案

預制裝配式混凝土結構施工豎向支撐由立桿、橫桿、斜桿組成,材質為Q235,支撐立桿與橫桿,立桿與斜桿通過M12螺栓相連,每個支撐可同步安裝,安裝速度快、穩(wěn)定性好、承載能力高。根據一般辦公樓、公共建筑層高為3.0～4.2 m,本次試驗制作了2個不同高度的試件,試件1高3.3 m;試件2在試件1基礎上加上一層,高3.8 m,試件2如圖1所示,圖1中未標明的橫桿、斜桿均為FG,試件桿件截面參數見表1。

表1 支撐桿件尺寸參數

圖1 試件2示意(mm)

將支撐分為上下兩層,降低了單根立桿高度,方便存儲與運輸;同時,可以將不同高度的上下層立桿相連以適應不用層高的裝配式混凝土結構的施工。支撐上下層采用連接角鋼與立桿螺栓相連,角鋼兩肢各4個螺栓,2個與上部立桿相連,2個與下部立桿相連。

可調支座設置于支撐底部,用于調節(jié)支撐的垂直度,避免因地面不平整導致支撐初始偏心過大而影響極限承載力;同時,還可以進行支撐整體高度的微調以適應結構層高?？烧{支座由直徑45 mm帶外螺紋的圓鋼與內徑45 mm帶內螺紋的圓鋼管組成,與支撐立桿采用角焊縫滿焊連接。詳細尺寸如圖2所示。

圖2 細部構造(mm)

2 加載制度和測點布置

2.1 試驗裝置

采用3個液壓千斤頂在支撐頂部獨立施加集中荷載,油泵通過油管與3個液壓千斤頂相連,使每個千斤頂可以獨立控制,試驗裝置如圖3所示。

圖3 試驗裝置

將3個液壓千斤頂分別放置在GL-1上,對應加載點1、2、3,分別模擬一側板荷載、梁上荷載、另一側板荷載,鋼梁GL-1可以將其受到的3個千斤頂集中力轉化為均布荷載,傳遞到支撐桿件上,從而來模擬支撐體系在實際工作中的受力狀態(tài)[11-15]。加載時,千斤頂上部頂在反力架橫梁下部,千斤頂下部頂在H形分配梁上,通過反力架橫梁及其連接的立柱及柱底的地錨來提供反力,加載點位置如圖4所示。

2.2 加載方案

加載過程分為5個階段,每級加載穩(wěn)定2 min,觀察支撐有無異常,記錄構件應變和變形,具體加載步驟為

① 第1階段,分3級施加混凝土梁自重(加載點2),每級6 kN(1～3級);然后分2級梁上加活載,每級4.5 kN(4～5級);最后卸載至16 kN(6級)。

② 第2階段,在第1階段基礎上,分4級施加一側混凝土板荷載(加載點1),每級6.0 kN(7～10級);然后分11級板上加活載,每級6.5 kN(11～21級);最后分2級梁上加活載,每級4.5 kN(22～23級)。

③ 第3階段,在第2階段基礎上,分4級施加另一側混凝土板荷載(加載點3),每級6.0 kN(24～27級);分11級板上加活載,每級6.5 kN(28～38級)。

④ 第4階段,在第3階段基礎上,分5級同時在梁上和板上施加荷載,梁上每級施加1 kN,板上每級施加5 kN(39～43級)。

⑤ 第5階段,在第4階段基礎上,按第43級荷載的10%,同時在梁上和板上施加荷載,直至試件破壞(44級及以上)。

2.3 測點布置

為詳細研究支撐的受力狀態(tài),在支撐底部布置4個測點,測量支撐水平方向位移;在頂部布置4個測點,測量支撐水平方向和豎向位移。

在支撐頂部和底部每個立桿角鋼上各粘貼2個電阻應變片,在支撐上下段連接角鋼上各粘貼2個電阻應變片,用應變采集儀得到各級荷載下的應變,詳細位置如圖5所示,所有應變片布置方向與桿件長度方向相同[16-20]。

圖5 測點布置

3 試驗結果與分析

3.1 試驗現象

試件1加載第1階段,架體中的空隙被完全壓緊,支撐整體沒有出現明顯的變化,僅有輕微的擠壓聲音;加載第2階段,支撐底部沒有明顯移動,頂部往西側發(fā)生輕微傾斜,螺栓連接處在加載過程中擠緊發(fā)出聲響;加載第3階段,支撐整體往東側回正,同時發(fā)生清脆的聲響;加載第4階段,支撐發(fā)生輕微扭轉;加載第5階段,支撐往西發(fā)生明顯側移,當加載至50級時,加載點1荷載204.85 kN,加載點2荷載51.00 kN,加載點3荷載204.85 kN,支撐底部西側兩根立桿壓屈破壞,架體失去承載力,最終荷載總和為460.70 kN(圖6)。

圖6 試件1桿件壓屈破壞

試件2加載第1至4階段的情況與試件1相同。加載第5階段,支撐往西發(fā)生明顯側移,當加載至49級時,加載點1荷載192.80 kN,加載點2荷載48.00 kN,加載點3荷載192.80 kN,支撐底部西側兩根立桿壓屈破壞,架體失去承載力,最終荷載總和為433.60 kN(圖7)。

圖7 試件2桿件壓屈破壞

3.2 荷載-位移曲線

支撐頂部荷載-位移曲線如圖8所示。支撐頂部水平方向位移如圖9所示。支撐底部荷載-位移曲線如圖10所示。

圖8 支撐頂部荷載-位移曲線

圖10 支撐底部荷載-位移曲線

3.2.1 支撐頂部橫向位移

由圖8(a)和8(b)可知:支撐頂部橫向位移的曲線變化與加載階段相對應,分為5個階段,第1階段支撐頂部橫向位移隨著荷載的增大而增大。當加載至6級時,試件1向東最大橫向位移2.69 mm,試件2向東最大橫向位移2.43 mm。

第2階段架體偏心加載,隨著荷載增大,逐漸抵消第1階段橫向位移。當加載至21級時,試件1向西最大橫向位移2.00 mm,試件2向西最大橫向位移1.82 mm。

第3階段支撐頂部反向開始向東傾斜,隨著荷載增大,逐漸抵消第2階段橫向位移。當加載至38級時,試件1向東最大橫向位移5.64 mm,試件2向東最大橫向位移4.87 mm。

第4階段支撐頂部繼續(xù)向東傾斜,位移發(fā)展速度比第3階段慢。當加載至43級時,試件1向東最大橫向位移6.56 mm,試件2向東最大橫向位移5.67 mm。

第5階段支撐頂部繼續(xù)向東傾斜,位移發(fā)展速度加快。當試件1加載至50級、試件2加載至49級時,支撐底部西側立桿屈服,橫向位移突然加速增大,試件1向東橫向位移11.41 mm,最大橫向位移為支撐高度的0.34%;試件2向東橫向位移9.86 mm,最大橫向位移為支撐高度的0.26%。

3.2.2 支撐頂部縱向位移

由圖8(c)和8(d)可知:第1階段支撐頂部發(fā)生輕微扭轉,支撐西側向南側傾斜,支撐東側向北側傾斜,位移隨著荷載的增大而增大。當加載至6級時,試件1西側向南最大縱向位移0.19 mm,東側向北最大縱向位移0.05 mm;試件2西側向南最大縱向位移0.20 mm,東側向北最大縱向位移0.07 mm。

第2階段支撐頂部扭轉繼續(xù)發(fā)展,由于架體加載偏心,支撐西側位移發(fā)展速度比東側快。當加載至23級時,試件1西側向南最大縱向位移1.41 mm,東側向北最大縱向位移0.42 mm;試件2西側向南最大縱向位移1.50 mm,東側向北最大縱向位移0.44 mm。

第3階段支撐頂部扭轉繼續(xù)發(fā)展,支撐東側位移發(fā)展速度比西側快。當加載至38級時,試件1西側向南最大縱向位移1.57 mm,東側向北最大縱向位移1.58 mm;試件2西側向南最大縱向位移1.58 mm,東側向北最大縱向位移1.60 mm。

第4階段支撐頂部扭轉繼續(xù)發(fā)展,位移發(fā)展速度比第3階段慢。當加載至43級時,試件1西側向南最大縱向位移1.80 mm,東側向北最大縱向位移1.71 mm;試件2西側向南最大縱向位移1.84 mm,東側向北最大縱向位移1.63 mm。

第5階段支撐頂部扭轉繼續(xù)發(fā)展,且位移發(fā)展速度比前4階段快。當試件1加載至50級、試件2加載至49級時,支撐底部西側立桿屈服,縱向位移突然加速增大,試件1西側向南最大縱向位移3.05 mm,東側向北最大縱向位移2.72 mm,最大縱向位移僅為支撐高度的0.092%;試件2西側向南最大縱向位移2.85 mm,東側向北最大縱向位移2.46 mm,最大縱向位移僅為支撐高度的0.075%。

3.2.3 支撐頂部豎向位移

由圖8(e)和8(f)可知:第1階段支撐頂部發(fā)生向下豎向位移,位移隨著荷載的增大而增大。當加載至6級時,試件1頂部最大豎向位移0.13 mm;試件2頂部最大豎向位移0.11 mm。

第2階段支撐頂部豎向位移繼續(xù)發(fā)展,由于架體加載偏心,支撐頂部西側豎向位移發(fā)展速度比東側快。當加載至23級時,試件1頂部西側最大豎向位移1.54 mm,東側最大豎向位移0.57 mm;試件2頂部西側最大豎向位移1.50 mm,東側最大豎向位移0.68 mm。

第3階段支撐頂部豎向位移繼續(xù)發(fā)展,由于架體加載偏心,支撐頂部東側豎向位移發(fā)展速度比西側快。當加載至38級時,試件1頂部西側最大豎向位移1.62 mm,東側最大豎向位移1.82 mm;試件2頂部西側最大豎向位移1.70 mm,東側最大豎向位移2.10 mm。

第4階段支撐頂部豎向位移繼續(xù)發(fā)展,發(fā)展速度略微加快。當加載至43級時,試件1頂部最大豎向位移2.21 mm,試件2頂部最大豎向位移2.52 mm。

第5階段支撐頂部豎向位移繼續(xù)發(fā)展,且發(fā)展速度加快。當試件1加載至50級、試件2加載至49級時,支撐底部西側立桿屈服,豎向位移突然加速增大,試件1頂部最大豎向位移3.40 mm,最大豎向位移僅為支撐高度的0.100%;試件2頂部最大豎向位移3.76 mm,最大豎向位移僅為支撐高度的0.099%。

3.2.4 支撐底部橫向位移

由圖10(a)和10(b)可知:支撐底部橫向位移的曲線變化與加載階段相對應,分為5個階段,第1階段橫向位移明顯,位移隨著荷載的增大而增大。試件1發(fā)生輕微扭轉,支撐底部南側向西傾斜,北側向東傾斜,當加載至6級時,支撐南側向西最大橫向位移0.23 mm,北側最大橫向位移0.43 mm;試件2未發(fā)生扭轉,支撐底部向西發(fā)生傾斜,當加載至6級時,支撐向西最大橫向位移0.59 mm。

第2階段架體加載偏心,試件1底部扭轉繼續(xù)發(fā)展,速度緩慢,當加載至23級時,支撐底部南側向西最大橫向位移0.74 mm,北側向東最大橫向位移0.57 mm;試件2底部繼續(xù)向西傾斜,當加載至23級時,支撐底部向西最大橫向位移0.91 mm。

第3階段試件1扭轉繼續(xù)發(fā)展,速度緩慢,當加載至38級時,支撐底部南側向西最大橫向位移0.65 mm,北側向東最大橫向位移0.59 mm;試件2底部反向開始向東傾斜,抵消第1、2階段部分橫向位移,當加載至38級時,支撐底部向西最大橫向位移0.69 mm。

第4階段試件1扭轉繼續(xù)發(fā)展,速度緩慢,當加載至43級時,支撐底部南側向西最大橫向位移0.75 mm,北側向東最大橫向位移0.62 mm;試件2發(fā)生扭轉,支撐底部南側向西側移,北側向東側移,當加載至43級時,支撐底部南側向西最大橫向位移0.36 mm,北側向西最大橫向位移0.63 mm。

第5階段支撐扭轉趨勢繼續(xù)發(fā)展,速度加快,當試件1加載至50級、試件2加載至49級時,支撐底部西側立桿屈服,橫向位移突然增大,試件1底部南側向西最大橫向位移1.28 mm,北側向東最大橫向位移0.95 mm,最大橫向位移僅為支撐高度的0.039%;試件2底部南側向西最大橫向位移0.56 mm,北側向西最大橫向位移0.29 mm,最大橫向位移僅為支撐高度的0.015%。

3.2.5 支撐底部縱向位移

由圖10(c)和10(d)可知:第1階段支撐底部發(fā)生輕微扭轉,支撐西側向南傾斜,支撐東側向北傾斜,位移隨著荷載的增大而增大。當加載至6級時,試件1西側向南最大縱向位移0.11 mm,東側向北最大縱向位移0.02 mm;試件2西側向南最大縱向位移0.27 mm,東側向北最大縱向位移0.05 mm。

第2階段支撐底部扭轉趨勢發(fā)展,由于架體加載偏心,支撐西側位移發(fā)展速度比東側快。當加載至23級時,試件1西側向南最大縱向位移0.79 mm,東側向北最大縱向位移0.18 mm;試件2西側向南最大縱向位移0.69 mm,東側向北最大縱向位移0.40 mm。

第3階段支撐底部扭轉繼續(xù)發(fā)展,支撐東側位移發(fā)展速度比西側快。當加載至38級時,試件1西側向南最大縱向位移0.79 mm,東側向北最大縱向位移0.48 mm;試件2西側向南最大縱向位移0.85 mm,東側向北最大縱向位移0.56 mm。

第4階段支撐底部扭轉繼續(xù)發(fā)展,位移發(fā)展速度比第3階段慢。當加載至43級時,試件1西側向南最大縱向位移1.09 mm,東側向北最大縱向位移0.55 mm;試件2西側向南最大縱向位移1.08 mm,東側向北最大縱向位移0.69 mm。

第5階段支撐底部扭轉繼續(xù)發(fā)展,且位移發(fā)展速度比前4階段快。當試件1加載至50級、試件2加載至49級時,支撐底部西側立桿屈服,縱向位移突然加速增大,試件1西側向南最大縱向位移1.48 mm,東側向北最大縱向位移0.90 mm,最大縱向位移僅為支撐高度的0.045%;試件2西側向南最大縱向位移1.43 mm,東側向北最大縱向位移1.06 mm,最大縱向位移僅為支撐高度的0.038%。

3.3 荷載-應變曲線

以應變?yōu)闄M坐標,荷載級為縱坐標,繪制桿件的應變隨荷載的變化情況,如圖11所示。

圖11 支撐荷載-應變曲線

3.3.1 支撐頂部立桿應變

由圖11(a)和11(b)可知:支撐頂部立桿應變的曲線變化與加載階段相對應,分為5個階段,第1階段立桿的應變隨著荷載的增大而增大。當加載至5級時,試件1立桿最大應變?yōu)?81.93×10-6(測點04),試件2立桿最大應變?yōu)?78.95×10-6(測點04)。

第2階段由于加載偏心,支撐頂部西側立桿應變增大,東側立桿應變保持不變。當加載至23級時,試件1西側立桿最大應變?yōu)?350.12×10-6(測點02),東側立桿最大應變?yōu)?81.24×10-6(測點04);試件2西側立桿最大應變?yōu)?337.39×10-6(測點02),東側立桿最大應變?yōu)?78.28×10-6(測點04)。

第3階段由于加載偏心,支撐頂部東側兩根立桿應變增大,西側立桿由于頂部千斤頂在長時間保持荷載時不可避免地發(fā)生荷載下降,導致應變略有下降。當加載至38級時,試件1西側立桿最大應變?yōu)?353.64×10-6(測點02),東側立桿最大應變?yōu)?348.26×10-6(測點03);試件2西側立桿最大應變?yōu)?321.78×10-6(測點02),東側立桿最大應變?yōu)?323.74×10-6(測點03)。

第4階段支撐頂部立桿應變繼續(xù)增大,當加載至43級時,試件1立桿最大應變?yōu)?471.03×10-6(測點02),試件2立桿最大應變?yōu)?453.90×10-6(測點02)。

第5階段支撐頂部立桿應變繼續(xù)增大,且速度加快。當試件1加載至50級、試件2加載至49級時,支撐底部西側立桿屈服,試件1立桿最大應變?yōu)?797.08×10-6(測點03),試件2立桿最大應變?yōu)?698.70×10-6(測點02)。

3.3.2 支撐底部立桿應變

由圖11(c)和11(d)可知:支撐底部立桿應變的曲線變化與加載階段相對應,分為5個階段,第1階段立桿的應變隨著荷載的增大而增大。當加載至5級時,試件1立桿最大應變?yōu)?147.68×10-6(測點01),試件2立桿最大應變?yōu)?104.35×10-6(測點01)。

第2階段由于加載偏心,支撐底部西側立桿應變增大,東側立桿應變保持不變。當加載至23級時,試件1西側立桿最大應變?yōu)?718.63×10-6(測點01),東側立桿最大應變?yōu)?77.04×10-6(測點04);試件2西側立桿最大應變?yōu)?662.78×10-6(測點01),東側立桿最大應變?yōu)?70.97×10-6(測點04)。

第3階段由于加載偏心,支撐底部東側立桿應變增大,西側立桿由于頂部千斤頂在長時間保持荷載時不可避免地發(fā)生荷載下降,導致應變略有下降,當加載至38級時,試件1西側立桿最大應變?yōu)?652.35×10-6(測點01),東側立桿最大應變?yōu)?461.58×10-6(測點04);試件2西側立桿最大應變?yōu)?577.46×10-6(測點01),東側立桿最大應變?yōu)?461.58×10-6(測點04)。

第4階段支撐底部4根立桿應變繼續(xù)增大,當加載至43級時,試件1立桿最大應變?yōu)?823.10×10-6(測點01),試件2立桿最大應變?yōu)?794.63×10-6(測點01)。

第5階段支撐底部立桿應變繼續(xù)增大,且速度加快。當試件1加載至50級、試件2加載至49級時,支撐底部西側立桿屈服,試件1立桿最大應變?yōu)?1 145.96×10-6(測點01),試件2立桿最大應變?yōu)?1 181.01×10-6(測點01)。

3.3.3 支撐連接角鋼應變

由圖11(e)和11(f)可知:支撐連接角鋼應變的變化曲線在加載過程中出現兩種情況,一種為應變隨著荷載的增大而增大,第二種為應變先增大再減小再次增大。

試件2中測點12應變隨著荷載的增大而增大,為第一種情況,原因有二:一是連接角鋼通過上下兩個螺栓與立桿連接直接受力,此時連接角鋼與立桿之間無相對滑移;二是連接角鋼僅通過下部螺栓與立桿連接受力,此時下部螺栓作用類似于插銷。

試件1中測點10應變先增大再減小再次增大,為第二種情況。加載級為1～10時,應變隨著荷載的增大而增大,此時連接角鋼通過上下兩個螺栓與立桿連接直接受力,角鋼受壓,應變增大;當加載級達到10級時,連接角鋼與立桿產生滑移,應變發(fā)生突變降低;當加載級為11～50時,應變再次隨著荷載的增大而增大,產生滑移后連接角鋼通過下部螺栓與立桿連接受力,此時下部螺栓作用類似于插銷。

3.4 極限承載力

取結構破壞前一級荷載作為結構的極限承載力,試件的極限承載力如表2所示。由表2可知:試件1極限承載力比試件2大6.25%,試件1極限承載力大的原因是支撐高度比試件2低0.5 m。

表3 極限承載力

4 結論

1)當其他條件不變時,支撐體系整體高度越高,極限承載力越小。

2)支撐體系荷載-位移、荷載-應變的變化與加載方式相對應,偏心加載時,支撐水平位移方向相應變化,并且水平位移的同時伴隨著扭轉,說明所設計支撐體系與常用滿堂搭設腳手架支撐體系受力性能不同。

3)支撐體系立桿應變較大,立桿底部應變與頂部應變相比增大較小,立桿為支撐體系的主要受力桿件。

4)支撐均是底部桿件局部屈曲而喪失承載力,支撐體系的極限承載力達到預期要求,驗證了支撐設計的合理性。