扣件式模板支撑架剪刀撑受力特征现场试验研究*

宫广娟，牛学超

(1.北京财贸职业学院，北京 101101； 2.北京工业职业技术学院，北京 100042)

0 引言

扣件式模板支撑架的剪刀撑分为水平剪刀撑和竖向剪刀撑，由于杆件连接节点的特殊性致使其受力状况较复杂，目前大都按照半刚性连接进行分析，除数值计算以外，工程应用中设计计算较少，相关规范中也无剪刀撑的计算校核要求[1-2]。部分工程技术人员对模板支撑架剪刀撑受力特点认识不足且对规范理解不透，只是机械地按规范要求设置，导致剪刀撑布置不甚合理。有些现场模架安装工人对模架剪刀撑的作用不甚重视，安装时出现剪刀撑杆件不连续、剪刀撑与立杆或水平杆连接点较随意等情况。为此，通过对危大工程模板支撑架剪刀撑受力的现场监测，获得架体杆件测点的真实受力数据并加以分析，为工程技术人员布置剪刀撑位置、专家学者分析剪刀撑受力特征提供参考，为现场正确安装剪刀撑提供理论依据。

1 工程概况

现场试验工地位于北京市副中心，工程为某医院地下停车库直线加速器机房，采用短钢管结合扣件式模板支撑架支护方式。地下停车场和机房工程包括地下3层，拟施工工程为机房地下2层顶板，厚度为1.5m，局部达2.8m，自重达76.6kN/m2，施工总荷载>15kN/m2，属于危险性较大的模板支撑体系。试验针对机房地下2层1.5m厚混凝土板浇筑施工期间板下模板支撑架受力进行监测。

此区域地下3层机房顶板厚度与地下2层相同，其他部分为250，300mm，已施工完成，混凝土强度已达到设计强度的100%。为保证该区域地下3层顶板结构安全，避免因2层结构自重及施工荷载较大产生裂缝，将地下3层对应区域支撑架全部拆除卸载，然后再进行加固回顶，保证上、下立杆对应，使上部荷载沿支撑立杆传递至基础。地下3层顶板回顶架体采用扣件式模板支撑架支撑，钢管杆件规格为φ48×3.0，立杆间距450mm×450mm，步距为600mm，扫地杆高度为200mm，上下对应布置。在架体外侧周边及内部，每隔3.0～3.2m跨度设置由底至顶连续式竖向剪刀撑，并在竖向剪刀撑部位的顶部、扫地杆处设置连续水平剪刀撑，架体采用钢管与周围框柱每两步拉结固定。地下2层板下模板支撑架的布置与地下3层规格相同。

2 现场试验

2.1 测点位置

整个工程布置A，B 2个测区，测区A用于混凝土浇筑期间的安全监测，测区B用于模架杆件受力特征监测，本文仅分析测区B杆件受力特征。在测区B的地下2层和地下3层板下模板支撑架立杆、水平剪刀撑和竖向剪刀撑具有代表性的受力部位布置测点，重点监测剪刀撑受力状况。由于地下3层支撑属于回顶，顶板传递至下方模架上的荷载较小但较均匀；地下2层为混凝土浇筑层，荷载直接施加在模架上，承受的荷载较大但分散性可能较大。监测区域地下2层和地下3层模架杆件布置上下对应，地下3层测位布置如图1所示。

在2根立杆上布置2个测位3L1，3L2，2根水平剪刀撑上布置2个测位3SC1，3SC2，架体东侧竖向剪刀撑上布置1个测位3LC1，架体北侧竖向剪刀撑上布置1个测位3LC2。符号中3代表地下3层，1个测位布置2个测点。

2.2 监测仪器和方法

采用自行研制的MTS-1型模架远程实时数据采集系统，该系统由数据采集仪、振弦式应变传感器、远程数据传输4G模块等部分组成。测区A采用部分振弦式应变传感器和应变片采集数据，测区B采用应变片采集数据。数据通过近程无线方式传送至计算机，由软件记录并实时显示采集数据和对应曲线。混凝土浇筑期间采用了2～5s数据采集频率的实时监测。为合理分配采集通道，同一台采集仪有可能既采集地下2层应变数据，又采集地下3层应变数据。按照1/4桥接法连接应变片，采用外接补偿片消除温度对监测应变数据的影响。

3 监测数据分析

地下2层和地下3层杆件测点应变曲线分别如图2，3所示。图中2L1-1，2SC1-1，2LC1-1分别代表对应测位立杆北侧、水平剪刀撑上侧和竖向剪刀撑上侧应变监测值，2L1-2，2SC1-2，2LC1-2分别代表其立杆南侧、剪刀撑下侧和竖向剪刀撑下侧应变监测值。以此类推，其他测点测到的应变值分别代表立杆南、北两侧或剪刀撑上、下2点值。监测时间为浇筑混凝土前至浇筑混凝土结束，选取的数据为06-09 08:47—23:00采集的应变值。

图2 地下2层杆件测点应变曲线

3.1 分析理论

现场试验仅监测到各测点应变片的应变值，分析杆件受力时需采用杆件内力，为此，需将监测的应变值转换为杆件轴力和弯矩。根据电桥法监测应变的原理[3]，假设杆件为偏心受压杆，在杆件的相对两侧粘贴应变片测到的应变值分别为ε1，ε2，由轴力引起的压杆应变为εp，由偏心力引起的压杆应变为εm，则有：

ε1=εp+εm

(1)

ε2=εp-εm

(2)

由式(1)，(2)得：

εp=(ε1+ε2)/2

(3)

εm=(ε1-ε2)/2

(4)

压杆最大弯矩正应力和内力为[4]：

M=WEεm

(5)

N=AEεp

(6)

式中：W为压杆弯曲截面系数；E为压杆弹性模量；A为压杆截面面积。

3.2 结果分析

各测点应变曲线可反映测点应变随时间的变化关系，但仍然不利于比较测点所在杆件内力。为此，选取应变较为显著时间的各测点应变值，利用公式(5)，(6)计算测点内力值，列表予以比较较为合理。由于监测过程中测点应变值不稳定，选取较短时间内某点应变平均值作为该点在某个时刻的应变值加以比较。本文选取时序为06-09 21:00:05—01:45采集的10组数据平均值作为内力计算的依据，如表1所示。受压时应变为正，受拉时应变为负；轴力受压时为正，受拉时为负；杆件向下、向右弯曲时弯矩为正，向上、向左弯曲时为负。

3.2.1杆件受拉分析

由表1可知，个别杆件1个测位2个应变片监测到的应变值有正有负，如地下2层的竖向剪刀撑测位2LC1上侧测点为正，下侧测点为负，说明杆件偏心受压。有些杆件1个测位2个测点应变值均为负，如地下3层的水平剪刀撑测位3SC1，说明杆件属于受拉状态。通过公式(5)，(6)计算的杆件轴力和弯矩，也表现出有正有负，如地下3层立杆2测位3L2和地下3层水平剪刀撑测位3SC1轴力均为负。一般认为当模架浇筑混凝土时立杆和其他杆件应受压，表现轴心压力为正值。这与模架上方浇筑混凝土位置有关，浇筑混凝土过程中模架杆件变形如图4所示(图中实线代表浇筑混凝土前模架杆件未变形的位置，虚线代表浇筑混凝土过程中模架杆件位置)。

图4 模架受力变形

由图4可知，当右侧浇筑混凝土时，或者左侧已经完成混凝土浇筑而右侧属于后浇混凝土，后浇混凝土重量较左侧大时，其下方立杆均属于受压状态，左侧立杆有可能出现受拉状态。而左右两侧的水平杆、水平剪刀撑和竖向剪刀撑受力更复杂，均有可能出现受拉状态。

3.2.2不同位置杆件受力分析

由表1可知，地下2层杆件承受的轴力和弯矩整体比地下3层大。如地下2层竖向剪刀撑轴力是地下3层的2倍多，弯矩是地下3层的3～7倍；地下2层的水平剪刀撑轴力约是地下3层的12倍，弯矩约是地下3层的24倍，这与地下3层顶板已经完成混凝土浇筑及养护有关，这里体现出厚板(1.5m)条件下上层混凝土浇筑对下层模架的影响特征，据此可合理设计下层模架支撑强度，也可根据后续监测数据确定下层模架拆架时间。

同一层模架不同方向的竖向剪刀撑承受的轴力和弯矩相差较大。无论是地下2层还是地下3层，东侧竖向剪刀撑均比北侧竖向剪刀撑内力大。例如，地下2层东侧竖向剪刀撑轴力和弯矩分别为北侧的2.2，9.4倍；地下3层东侧竖向剪刀撑的轴力和弯矩分别为北侧的2.7，4.0倍，通过现场查看可知，北侧有模架抱柱而东侧无。因此，增加抱柱或连墙杆可减小模架侧面竖向剪刀撑内力。

3.2.3水平剪刀撑受力分析

水平剪刀撑不仅起到构造作用，而且起到承受荷载的作用。表1中地下2层水平剪刀撑(2SC1)承受的轴力和弯矩分别约为19N，230N·m，既起到构造作用，又起到承受荷载作用；地下3层水平剪刀撑(3SC1)承受的轴力和弯矩分别约为1.5N，9.4N·m，与其他杆件相比较小，主要起到构造作用。从长期监测结果和相关资料分析，2个水平剪刀撑中间位置的立杆往往变形较大[5-6]，增加水平剪刀撑数量，可显著减少立杆水平位移，因此，水平剪刀撑的设计和施工质量是模架安全的重要保障。

4 结语

1)模板支撑架各类杆件内力有正有负，说明杆件有可能受压也可能受拉。杆件受拉对支撑体系受力平衡不利，往往是由于不均衡浇筑混凝土导致。因此，楼层浇筑混凝土，特别是浇筑大体积混凝土时，要合理设计混凝土浇筑顺序。

2)试验发现，采用连墙杆或抱柱连接的模架侧面竖向剪刀撑内力较小，因此，施工时应尽量采用连墙杆或抱柱固定模板支撑架，否则必须在无连接架体侧面加强竖向剪刀撑设置。

3)扣件式模板支撑架水平剪刀撑是构造杆件，也有可能是受力杆件，在模架稳定性方面起到极为重要的作用。在模架设计和施工时，应充分重视，在模架数值计算确定参数时要合理设置。

由于受现场条件和仪器通道数量的限制，本试验设置测点较少，结论仅作为本次试验杆件受力分析特征，如果探讨模架剪刀撑的受力规律，本文只能作为参考，后续还需完成更多现场试验。