预制叠合板模块化盘扣式支撑脚手架试验研究*

2023-08-26孙伯禹邵志兵管东芝郭正兴

施工技术(中英文) 2023年14期

孙伯禹,邵志兵,金蕾,管东芝,郭正兴

(1.中天建设集团有限公司,浙江东阳 322100; 2.东南大学土木工程学院,江苏南京 211189; 3.东南大学成贤学院,江苏南京 210088)

0 引言

21世纪以来,我国在建筑业掀起了一场大力发展建筑工业化转型升级进程,发展装配式建筑结构是重点方向。相对于装配式钢结构、木结构而言,装配式混凝土结构以其良好的结构性能、经济性、耐久性等优势,成为了建筑工业化发展进程中最主要的结构形式。在众多预制混凝土构件中,预制叠合板结构性能可得到有效保障,且规格化程度相对较高,制造难度相对较低,成为应用量最大的预制混凝土构件,当前几乎所有新建项目均采用预制叠合板。然而,受我国常用临时支撑形式、现场劳工作业习惯、预制叠合板连接构造特点等因素的影响,预制叠合板下部临时支撑往往直接采用与现浇楼板相同的支架形式,现场支架密度高,搭设量大,造成预制叠合板下施工空间有限、现场安装成本高等问题,不能发挥预制叠合板优势。

在装配式混凝土结构推广应用过程中,部分学者、工程师开展了预制构件临时支撑相关的改进和研究。Peng等[1]研究了一种用于装配式结构的门式脚手架结构;Ding等[2]总结了预制混凝土构件临时支撑特点;李云锋[3]介绍了一种预制叠合板下采用铝模优化支设施工技术;叶永鑫[4]讨论了盘扣式模板支撑体系在装配式工程中的受力计算方法;邓国杰等[5]提出了一种采用三角架和花篮螺栓的预制叠合板大跨度支撑系统;何东亮等[6]介绍了一种叠合板铝模独立支撑体系施工技术;刘炳义[7]基于扣件式钢管脚手架形式,分析了叠合楼板支撑体系力学性能;郭士新等[8]提出了一种装配式建筑组合式可调支撑体系,力图实现预制梁与预制板共支效果。总之,竖向预制构件安装和连接往往需要较大施工空间,而水平预制构件临时支撑多采用分布式支设,支设量相对较大,造成施工空间有限,施工通道难以有效组织,影响装配式建筑安装效率和成本。

本文提出一种适用于住宅建筑的预制叠合板模块化盘扣式支撑脚手架,增大预制叠合板在安装阶段的下部施工空间,灵活布置施工通道,同时减少板下支架支设量,降低成本,提高安装效率。针对该支架形式,开展竖向加载试验,了解破坏形式和机理,掌握竖向承载力,为形成针对性设计方法并进一步推广使用奠定基础。

1 架体形式

如图1所示,预制叠合板模块化盘扣式支撑脚手架由立杆、横杆、斜杆和三角撑组成,盘扣式立杆位于支架单元四角,间距为1.5～1.8m;立杆、横杆和斜杆通过连接盘及插销锁紧固定,各杆件固定后,4个立面均形成平面桁架结构,形成稳定的盘扣式钢管脚手架承重核心。立杆上部安装可调托撑,下部安装撑脚,调整支撑高度。三角撑位于承重核心一侧,由小横杆、小斜杆、小立杆与短立杆组成,小横杆和小斜杆一端设有盘扣式插销连接头,可与立杆连接盘进行连接。小横杆与小斜杆插销连接头间距为1m,短立杆上安装可调托撑,与立杆上部可调托撑保持高度一致。短立杆中心距离立杆600mm或900mm,形成2种三角撑规格,便于模块化支撑脚手架适应不同尺寸开间的需求。

图1 模块化盘扣式支撑脚手架

对于一般装配式住宅结构,通过改变钢管脚手架承重核心的盘扣式立杆数量和布置,配合2种规格三角撑,可形成适应常规尺寸开间的模块化盘扣式支撑脚手架,以支撑预制叠合板;预制叠合板间连接缝下部模板可通过吊模[9]或多层木龙骨进行支设。对于装配式住宅中的单开间,该支撑脚手架位于开间中央,承受预制叠合板自重及相关施工荷载,四面三角撑顶住预制叠合板边缘,距离竖向构件表面300～500mm,将预制叠合板周圈荷载传递至盘扣式钢管脚手架承重核心,同时在三角撑下方形成一定施工空间,便于周圈预制剪力墙、预制柱等竖向构件灌浆作业及施工通道灵活安排。该支撑脚手架适用于常规装配式住宅建筑,可改变当前预制叠合板下满堂支架方式,减少现场支架工作量,便于形成较为宽敞的下部施工空间,布置灵活,显著提高现场施工效率,降低成本。

2 试验概况

为研究预制叠合板模块化盘扣式支撑脚手架受力机理和承载力,进行竖向加载试验。根据模块化盘扣式支撑脚手架基本构造搭设试验架体,立杆采用Q355材质φ48.3×3.2杆件,长度为2m;横杆采用Q235材质φ48.3×2.5杆件;斜杆采用Q235材质φ38×2.5杆件;三角撑采用600mm规格。相关杆件规格如图2所示。在可调托撑顶部设置千斤顶,通过同步液压系统进行加载。

图2 三角撑规格

根据该支撑脚手架特点,重点研究三角撑及整架破坏机理和承载力,共进行6种加载试验。试验1,2仅对三角撑进行加载,分别研究三角撑自身承载力和稳定承载力,如图3所示。其中,试验1将可调托撑调至最低,上端自由高度为380mm,前后三角撑通过横杆相连,防止失稳;试验2将可调托撑调至规范[10]允许最大值,上端自由高度为650mm,仅对一侧三角撑进行加载。

图3 试验1,2加载示意

试验3～6通过前、后2排千斤顶进行对称加载,为研究最不利工况承载力,可调托撑自由长度均调至规范允许的最大长度650mm,脚撑自由段长度为550mm。试验3重点研究该模块化支撑脚手架立杆承载力,仅对中间4个立杆进行加载,如图4a所示。试验4～6对三角撑和立杆进行整体加载,将步距依次设为900,1 500,1 800mm,以研究步距对承载力的影响。由于加载装置的限制,试验4～6中,通过分配梁对立杆进行加载,如图4b所示。试验加载汇总如表1所示。

表1 试验加载汇总

图4 试验3～6加载示意

3 试验结果与分析

3.1 试验现象与破坏模式

试验1在35kN荷载前,无明显现象。加载至35kN时,三角撑开始出现弯曲,加载至58.3kN时,一侧三角撑立杆与斜杆连接处出现明显弯折,焊缝位置撕裂破坏,同时斜杆在撕裂位置发生面外弯折。由于试验1架体顶撑和脚撑自由段较短,并采取了增强稳定性的措施,因此试验1三角撑为强度破坏,如图5a所示。试验2在加载前期,架体无特别现象,加载至30kN时,由于单侧加载,整架开始出现少许倾覆,加载至36.4kN时,整架明显倾覆无法加载,此时三角撑发生少许平面外变形,如图5b所示。

图5 试验1,2破坏模式

试验3只对中间4根立杆进行加载,加载至35kN时,立杆悬挑位置出现略微弯曲,加载至55kN时,一侧立杆上端出现屈曲失稳,不适于加载,破坏模式为立杆上端屈曲失稳,如图6a所示。试验4～6对整架进行加载,试验4加载至25kN时,三角撑略微弯曲,荷载达32kN时,三角撑向一侧倾斜,同时立杆发生平面外弯曲,由于试验4步距较小,发生整体失稳破坏,如图6b所示。试验5荷载达38kN时,三角撑出现倾斜,荷载达41.9kN时,三角撑明显弯折,停止加载,如图6c所示。试验6加载至34kN时,三角撑出现明显倾斜,加载至36kN时,三角撑弯曲不适于加载。考虑到立杆依旧完好,故维持三角撑荷载不变,进一步对立杆进行加载,加载至42kN时,立杆顶部开始倾斜,加载至55kN时,立杆倾斜严重,停止加载,破坏模式如图6d所示。

图6 试验3～6破坏模式

3.2 承载力分析

试验1～6承载力及破坏模式如表2所示。模块化盘扣式支撑脚手架主要由中间钢管脚手架承重核心和四周三角撑组成,由表2可知,三角撑的存在对于钢管脚手架承重核心承载力具有重要影响。三角撑自身强度较高,组件强度控制的承载力可达58.3kN,完全可保障使用安全;当三角撑可调托撑自由段长度调至规范允许最大值时,主要破坏模式为面外失稳,发生在试验2,5,6,且失稳承载力较接近。钢管脚手架承载核心自身承载力较高,在步距为1 500mm情况下,当可调托撑自由段长度调至规范允许最大值时,发生立杆上端局部失稳破坏,单根立杆承载力为55.0kN。进行整架试验时,三角撑失稳会导致钢管脚手架承重核心承载力降低。当步距为900mm时,发生整架整体失稳,单根立杆承载力仅为16.0kN,因此,对于开间过小情况,该支撑脚手架整体稳定性不足,不建议采用。由于试验5在三角撑发生面外失稳时即停止加载,故未得到单根立杆极限承载力,但可明确其超过21.0kN。当步距为1 800mm时,在三角撑发生面外失稳情况下,单根立杆极限承载力可达27.5kN。

表2 承载力及破坏模式

4 简易计算方法

对于常规开间装配式住宅建筑,由于模块化盘扣式支撑脚手架杆件较少,对盘扣式立杆稳定性约束相对较弱。为确保承载力设计值具有一定安全性,针对钢管脚手架承重核心单根立杆承载力计算公式,建议在JGJ/T 231—2021《建筑施工承插型盘扣式钢管脚手架安全技术标准》[10]中单根立杆计算方法基础上,增加约束降低系数ζ。由试验结果可知,三角撑失稳破坏会降低立杆承载力,因此,当三角撑用于承受预制叠合板自重及相关施工荷载时,建议增加三角撑影响系数μ。故模块化盘扣式支撑脚手架立杆承载力计算公式如下:

N=ζμφfA

(1)

式中:ζ为竖向杆件约束降低系数,建议取值为0.85;μ为三角撑影响系数,建议取值为0.5;φ为轴心受压构件稳定系数;f为钢材强度设计值;A为立杆横截面积。

将相关参数代入式(1),计算可得模块化盘扣式支撑脚手架单根立杆承载力设计值为25.3kN,小于试验6加载值,具有一定安全性。对于三角撑,除试验1,4外,其他试验均发生了面外失稳,为增加安全性并简易计算,三角撑稳定承载力设计值可取为试验结果平均值的0.9倍,为34.29kN。鉴于常规装配式住宅施工阶段荷载估算,上述简易计算方法可满足施工阶段使用需求,并保证一定安全性。随着进一步研究的深入,上述计算公式相关系数取值将进一步完善并精确。