預(yù)制疊合板模塊化盤扣式支撐腳手架試驗(yàn)研究*

孫伯禹,邵志兵,金 蕾,管東芝,郭正興

(1.中天建設(shè)集團(tuán)有限公司,浙江 東陽 322100; 2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院,江蘇 南京 211189; 3.東南大學(xué)成賢學(xué)院,江蘇 南京 210088)

0 引言

21世紀(jì)以來,我國在建筑業(yè)掀起了一場(chǎng)大力發(fā)展建筑工業(yè)化轉(zhuǎn)型升級(jí)進(jìn)程,發(fā)展裝配式建筑結(jié)構(gòu)是重點(diǎn)方向。相對(duì)于裝配式鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)而言,裝配式混凝土結(jié)構(gòu)以其良好的結(jié)構(gòu)性能、經(jīng)濟(jì)性、耐久性等優(yōu)勢(shì),成為了建筑工業(yè)化發(fā)展進(jìn)程中最主要的結(jié)構(gòu)形式。在眾多預(yù)制混凝土構(gòu)件中,預(yù)制疊合板結(jié)構(gòu)性能可得到有效保障,且規(guī)格化程度相對(duì)較高,制造難度相對(duì)較低,成為應(yīng)用量最大的預(yù)制混凝土構(gòu)件,當(dāng)前幾乎所有新建項(xiàng)目均采用預(yù)制疊合板。然而,受我國常用臨時(shí)支撐形式、現(xiàn)場(chǎng)勞工作業(yè)習(xí)慣、預(yù)制疊合板連接構(gòu)造特點(diǎn)等因素的影響,預(yù)制疊合板下部臨時(shí)支撐往往直接采用與現(xiàn)澆樓板相同的支架形式,現(xiàn)場(chǎng)支架密度高,搭設(shè)量大,造成預(yù)制疊合板下施工空間有限、現(xiàn)場(chǎng)安裝成本高等問題,不能發(fā)揮預(yù)制疊合板優(yōu)勢(shì)。

在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)推廣應(yīng)用過程中,部分學(xué)者、工程師開展了預(yù)制構(gòu)件臨時(shí)支撐相關(guān)的改進(jìn)和研究。Peng等[1]研究了一種用于裝配式結(jié)構(gòu)的門式腳手架結(jié)構(gòu);Ding等[2]總結(jié)了預(yù)制混凝土構(gòu)件臨時(shí)支撐特點(diǎn);李云鋒[3]介紹了一種預(yù)制疊合板下采用鋁模優(yōu)化支設(shè)施工技術(shù);葉永鑫[4]討論了盤扣式模板支撐體系在裝配式工程中的受力計(jì)算方法;鄧國杰等[5]提出了一種采用三角架和花籃螺栓的預(yù)制疊合板大跨度支撐系統(tǒng);何東亮等[6]介紹了一種疊合板鋁模獨(dú)立支撐體系施工技術(shù);劉炳義[7]基于扣件式鋼管腳手架形式,分析了疊合樓板支撐體系力學(xué)性能;郭士新等[8]提出了一種裝配式建筑組合式可調(diào)支撐體系,力圖實(shí)現(xiàn)預(yù)制梁與預(yù)制板共支效果。總之,豎向預(yù)制構(gòu)件安裝和連接往往需要較大施工空間,而水平預(yù)制構(gòu)件臨時(shí)支撐多采用分布式支設(shè),支設(shè)量相對(duì)較大,造成施工空間有限,施工通道難以有效組織,影響裝配式建筑安裝效率和成本。

本文提出一種適用于住宅建筑的預(yù)制疊合板模塊化盤扣式支撐腳手架,增大預(yù)制疊合板在安裝階段的下部施工空間,靈活布置施工通道,同時(shí)減少板下支架支設(shè)量,降低成本,提高安裝效率。針對(duì)該支架形式,開展豎向加載試驗(yàn),了解破壞形式和機(jī)理,掌握豎向承載力,為形成針對(duì)性設(shè)計(jì)方法并進(jìn)一步推廣使用奠定基礎(chǔ)。

1 架體形式

如圖1所示,預(yù)制疊合板模塊化盤扣式支撐腳手架由立桿、橫桿、斜桿和三角撐組成,盤扣式立桿位于支架單元四角,間距為1.5～1.8m;立桿、橫桿和斜桿通過連接盤及插銷鎖緊固定,各桿件固定后,4個(gè)立面均形成平面桁架結(jié)構(gòu),形成穩(wěn)定的盤扣式鋼管腳手架承重核心。立桿上部安裝可調(diào)托撐,下部安裝撐腳,調(diào)整支撐高度。三角撐位于承重核心一側(cè),由小橫桿、小斜桿、小立桿與短立桿組成,小橫桿和小斜桿一端設(shè)有盤扣式插銷連接頭,可與立桿連接盤進(jìn)行連接。小橫桿與小斜桿插銷連接頭間距為1m,短立桿上安裝可調(diào)托撐,與立桿上部可調(diào)托撐保持高度一致。短立桿中心距離立桿600mm或900mm,形成2種三角撐規(guī)格,便于模塊化支撐腳手架適應(yīng)不同尺寸開間的需求。

圖1 模塊化盤扣式支撐腳手架

對(duì)于一般裝配式住宅結(jié)構(gòu),通過改變鋼管腳手架承重核心的盤扣式立桿數(shù)量和布置,配合2種規(guī)格三角撐,可形成適應(yīng)常規(guī)尺寸開間的模塊化盤扣式支撐腳手架,以支撐預(yù)制疊合板;預(yù)制疊合板間連接縫下部模板可通過吊模[9]或多層木龍骨進(jìn)行支設(shè)。對(duì)于裝配式住宅中的單開間,該支撐腳手架位于開間中央,承受預(yù)制疊合板自重及相關(guān)施工荷載,四面三角撐頂住預(yù)制疊合板邊緣,距離豎向構(gòu)件表面300～500mm,將預(yù)制疊合板周圈荷載傳遞至盤扣式鋼管腳手架承重核心,同時(shí)在三角撐下方形成一定施工空間,便于周圈預(yù)制剪力墻、預(yù)制柱等豎向構(gòu)件灌漿作業(yè)及施工通道靈活安排。該支撐腳手架適用于常規(guī)裝配式住宅建筑,可改變當(dāng)前預(yù)制疊合板下滿堂支架方式,減少現(xiàn)場(chǎng)支架工作量,便于形成較為寬敞的下部施工空間,布置靈活,顯著提高現(xiàn)場(chǎng)施工效率,降低成本。

2 試驗(yàn)概況

為研究預(yù)制疊合板模塊化盤扣式支撐腳手架受力機(jī)理和承載力,進(jìn)行豎向加載試驗(yàn)。根據(jù)模塊化盤扣式支撐腳手架基本構(gòu)造搭設(shè)試驗(yàn)架體,立桿采用Q355材質(zhì)φ48.3×3.2桿件,長(zhǎng)度為2m;橫桿采用Q235材質(zhì)φ48.3×2.5桿件;斜桿采用Q235材質(zhì)φ38×2.5桿件;三角撐采用600mm規(guī)格。相關(guān)桿件規(guī)格如圖2所示。在可調(diào)托撐頂部設(shè)置千斤頂,通過同步液壓系統(tǒng)進(jìn)行加載。

圖2 三角撐規(guī)格

根據(jù)該支撐腳手架特點(diǎn),重點(diǎn)研究三角撐及整架破壞機(jī)理和承載力,共進(jìn)行6種加載試驗(yàn)。試驗(yàn)1,2僅對(duì)三角撐進(jìn)行加載,分別研究三角撐自身承載力和穩(wěn)定承載力,如圖3所示。其中,試驗(yàn)1將可調(diào)托撐調(diào)至最低,上端自由高度為380mm,前后三角撐通過橫桿相連,防止失穩(wěn);試驗(yàn)2將可調(diào)托撐調(diào)至規(guī)范[10]允許最大值,上端自由高度為650mm,僅對(duì)一側(cè)三角撐進(jìn)行加載。

圖3 試驗(yàn)1,2加載示意

試驗(yàn)3～6通過前、后2排千斤頂進(jìn)行對(duì)稱加載,為研究最不利工況承載力,可調(diào)托撐自由長(zhǎng)度均調(diào)至規(guī)范允許的最大長(zhǎng)度650mm,腳撐自由段長(zhǎng)度為550mm。試驗(yàn)3重點(diǎn)研究該模塊化支撐腳手架立桿承載力,僅對(duì)中間4個(gè)立桿進(jìn)行加載,如圖4a所示。試驗(yàn)4～6對(duì)三角撐和立桿進(jìn)行整體加載,將步距依次設(shè)為900,1 500,1 800mm,以研究步距對(duì)承載力的影響。由于加載裝置的限制,試驗(yàn)4～6中,通過分配梁對(duì)立桿進(jìn)行加載,如圖4b所示。試驗(yàn)加載匯總?cè)绫?所示。

表1 試驗(yàn)加載匯總

圖4 試驗(yàn)3～6加載示意

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象與破壞模式

試驗(yàn)1在35kN荷載前,無明顯現(xiàn)象。加載至35kN時(shí),三角撐開始出現(xiàn)彎曲,加載至58.3kN時(shí),一側(cè)三角撐立桿與斜桿連接處出現(xiàn)明顯彎折,焊縫位置撕裂破壞,同時(shí)斜桿在撕裂位置發(fā)生面外彎折。由于試驗(yàn)1架體頂撐和腳撐自由段較短,并采取了增強(qiáng)穩(wěn)定性的措施,因此試驗(yàn)1三角撐為強(qiáng)度破壞,如圖5a所示。試驗(yàn)2在加載前期,架體無特別現(xiàn)象,加載至30kN時(shí),由于單側(cè)加載,整架開始出現(xiàn)少許傾覆,加載至36.4kN時(shí),整架明顯傾覆無法加載,此時(shí)三角撐發(fā)生少許平面外變形,如圖5b所示。

圖5 試驗(yàn)1,2破壞模式

試驗(yàn)3只對(duì)中間4根立桿進(jìn)行加載,加載至35kN時(shí),立桿懸挑位置出現(xiàn)略微彎曲,加載至55kN時(shí),一側(cè)立桿上端出現(xiàn)屈曲失穩(wěn),不適于加載,破壞模式為立桿上端屈曲失穩(wěn),如圖6a所示。試驗(yàn)4～6對(duì)整架進(jìn)行加載,試驗(yàn)4加載至25kN時(shí),三角撐略微彎曲,荷載達(dá)32kN時(shí),三角撐向一側(cè)傾斜,同時(shí)立桿發(fā)生平面外彎曲,由于試驗(yàn)4步距較小,發(fā)生整體失穩(wěn)破壞,如圖6b所示。試驗(yàn)5荷載達(dá)38kN時(shí),三角撐出現(xiàn)傾斜,荷載達(dá)41.9kN時(shí),三角撐明顯彎折,停止加載,如圖6c所示。試驗(yàn)6加載至34kN時(shí),三角撐出現(xiàn)明顯傾斜,加載至36kN時(shí),三角撐彎曲不適于加載?？紤]到立桿依舊完好,故維持三角撐荷載不變,進(jìn)一步對(duì)立桿進(jìn)行加載,加載至42kN時(shí),立桿頂部開始傾斜,加載至55kN時(shí),立桿傾斜嚴(yán)重,停止加載,破壞模式如圖6d所示。

圖6 試驗(yàn)3～6破壞模式

3.2 承載力分析

試驗(yàn)1～6承載力及破壞模式如表2所示。模塊化盤扣式支撐腳手架主要由中間鋼管腳手架承重核心和四周三角撐組成,由表2可知,三角撐的存在對(duì)于鋼管腳手架承重核心承載力具有重要影響。三角撐自身強(qiáng)度較高,組件強(qiáng)度控制的承載力可達(dá)58.3kN,完全可保障使用安全;當(dāng)三角撐可調(diào)托撐自由段長(zhǎng)度調(diào)至規(guī)范允許最大值時(shí),主要破壞模式為面外失穩(wěn),發(fā)生在試驗(yàn)2,5,6,且失穩(wěn)承載力較接近。鋼管腳手架承載核心自身承載力較高,在步距為1 500mm情況下,當(dāng)可調(diào)托撐自由段長(zhǎng)度調(diào)至規(guī)范允許最大值時(shí),發(fā)生立桿上端局部失穩(wěn)破壞,單根立桿承載力為55.0kN。進(jìn)行整架試驗(yàn)時(shí),三角撐失穩(wěn)會(huì)導(dǎo)致鋼管腳手架承重核心承載力降低。當(dāng)步距為900mm時(shí),發(fā)生整架整體失穩(wěn),單根立桿承載力僅為16.0kN,因此,對(duì)于開間過小情況,該支撐腳手架整體穩(wěn)定性不足,不建議采用。由于試驗(yàn)5在三角撐發(fā)生面外失穩(wěn)時(shí)即停止加載,故未得到單根立桿極限承載力,但可明確其超過21.0kN。當(dāng)步距為1 800mm時(shí),在三角撐發(fā)生面外失穩(wěn)情況下,單根立桿極限承載力可達(dá)27.5kN。

表2 承載力及破壞模式

4 簡(jiǎn)易計(jì)算方法

對(duì)于常規(guī)開間裝配式住宅建筑,由于模塊化盤扣式支撐腳手架桿件較少,對(duì)盤扣式立桿穩(wěn)定性約束相對(duì)較弱。為確保承載力設(shè)計(jì)值具有一定安全性,針對(duì)鋼管腳手架承重核心單根立桿承載力計(jì)算公式,建議在JGJ/T 231—2021《建筑施工承插型盤扣式鋼管腳手架安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[10]中單根立桿計(jì)算方法基礎(chǔ)上,增加約束降低系數(shù)ζ。由試驗(yàn)結(jié)果可知,三角撐失穩(wěn)破壞會(huì)降低立桿承載力,因此,當(dāng)三角撐用于承受預(yù)制疊合板自重及相關(guān)施工荷載時(shí),建議增加三角撐影響系數(shù)μ。故模塊化盤扣式支撐腳手架立桿承載力計(jì)算公式如下:

N=ζμφfA

(1)

式中:ζ為豎向桿件約束降低系數(shù),建議取值為0.85;μ為三角撐影響系數(shù),建議取值為0.5;φ為軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù);f為鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;A為立桿橫截面積。

將相關(guān)參數(shù)代入式(1),計(jì)算可得模塊化盤扣式支撐腳手架單根立桿承載力設(shè)計(jì)值為25.3kN,小于試驗(yàn)6加載值,具有一定安全性。對(duì)于三角撐,除試驗(yàn)1,4外,其他試驗(yàn)均發(fā)生了面外失穩(wěn),為增加安全性并簡(jiǎn)易計(jì)算,三角撐穩(wěn)定承載力設(shè)計(jì)值可取為試驗(yàn)結(jié)果平均值的0.9倍,為34.29kN。鑒于常規(guī)裝配式住宅施工階段荷載估算,上述簡(jiǎn)易計(jì)算方法可滿足施工階段使用需求,并保證一定安全性。隨著進(jìn)一步研究的深入,上述計(jì)算公式相關(guān)系數(shù)取值將進(jìn)一步完善并精確。

5 結(jié)語

1) 提出了一種適用于裝配式住宅的預(yù)制疊合板模塊化盤扣式支撐腳手架,其由鋼管腳手架承重核心和三角撐組成,結(jié)構(gòu)清晰,搭設(shè)簡(jiǎn)單,減少了現(xiàn)場(chǎng)支架工作量,便于形成較寬敞的下部施工空間,布置靈活,顯著提高現(xiàn)場(chǎng)施工效率,降低成本。

2) 進(jìn)行模塊化盤扣式支撐腳手架加載試驗(yàn)研究,三角撐破壞時(shí)主要發(fā)生面外失穩(wěn),并且會(huì)降低鋼管腳手架承重核心承載力;當(dāng)步距為1 800mm時(shí),受三角撐面外失穩(wěn)影響,鋼管腳手架承重核心單根立桿極限承載力可達(dá)27.5kN。

3) 提出了用于計(jì)算三角撐和鋼管腳手架承重核心單根立桿承載力的簡(jiǎn)易取值方法和計(jì)算方法,可滿足常規(guī)裝配式住宅預(yù)制疊合板施工的支撐需求。