楊志剛, 李曉霞

(1.山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 山東 淄博 255049；2.淄博職業(yè)學(xué)院 信息工程系, 山東 淄博 255000)

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新型鋼木組合模板破壞性試驗(yàn)

楊志剛1, 李曉霞2

(1.山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 山東 淄博 255049；2.淄博職業(yè)學(xué)院 信息工程系, 山東 淄博 255000)

為研究新開發(fā)的新型組合鋼模板的力學(xué)性能，制作了5塊試驗(yàn)用板，分別進(jìn)行了四種情況下的破壞性試驗(yàn)，試驗(yàn)得到了每種情況下的最大適用荷載，并對模板的加工改進(jìn)和使用提出了建議.以框架柱組合模板為例，對其受力狀態(tài)進(jìn)行了仿真模擬，得到了合理的柱箍支撐.

組合鋼模板; 破壞性試驗(yàn)； 力學(xué)性能; 仿真模擬

設(shè)計(jì)開發(fā)了一系列新型鋼木組合模板模塊，它由金屬框架和木質(zhì)面板構(gòu)成，平均自重輕，每塊僅約25/m2，適合單個(gè)工人手工操作[1].模板可根據(jù)適用構(gòu)件選擇不同的配模設(shè)計(jì)方案，橫豎方向都可以拼裝和任意組合，拼裝成不同尺寸的板面和整體模架，廣泛適用于混凝土矩形柱、梁、板、墻等各類構(gòu)件.模板現(xiàn)場安裝時(shí)無需測量放線，切割、鉆孔、打釘固定等操作，模塊之間的拼裝全部聯(lián)接均為銷釘連接，拼裝、拆卸時(shí)只需一把小錘即可完成，能大幅降低成本和節(jié)省大量的勞動(dòng)力，與傳統(tǒng)模板比有較大的優(yōu)越性[2].

為了測試新開發(fā)模板的力學(xué)性能，本文設(shè)計(jì)了包括模板整體均布受壓的承載力等多項(xiàng)試驗(yàn)、框內(nèi)短鋼梁承載力試驗(yàn)、框內(nèi)通長鋼梁承載力試驗(yàn)及兩塊模板連接處承載力等多項(xiàng)試驗(yàn)，測試出了單模塊的最大適用荷載和變形值.并以常見的柱模板為例，進(jìn)行了在允許荷載下的仿真模擬和計(jì)算，得到了施工時(shí)模板支撐的合理間距.為以后類似產(chǎn)品開發(fā)提供了數(shù)據(jù)支持.

1　試驗(yàn)概況

試驗(yàn)采用的模板型號為500×600，模板鋼框型號尺寸如下圖1所示，鋼材型號均為Q235，除邊框?yàn)楫愋武摴芡猓溆噤摴芫鶠榫匦?焊接方式為鎢極惰性氣體保護(hù)焊，焊腳尺寸約2mm.試驗(yàn)設(shè)備為30噸電子萬能試驗(yàn)機(jī)及配套檢測變形設(shè)備.

圖1　單模塊尺寸

2　試驗(yàn)過程及結(jié)論

2.1模擬模板整體均布受壓的承載力試驗(yàn)

為模擬現(xiàn)場混凝土壓力荷載為面荷載的狀況，制作了500×500×20mm的鋼板作為加載面板，在框架的長跨方向下部放置鋼墊板條，用以模擬現(xiàn)場柱箍，裝置如圖2所示.試件破壞后的荷載變形曲線如圖3所示.圖3中曲線橫坐標(biāo)為壓板豎向位移，豎坐標(biāo)為加載力，由于模板面板在壓縮時(shí)會(huì)產(chǎn)生變形，曲線中的位移包含面板的壓縮變形.

圖2　均壓試驗(yàn)裝置圖

圖3　均壓試驗(yàn)荷載變形曲線

試驗(yàn)初期，加載速度控制在0.05mm/min，力增長緩慢，當(dāng)變形數(shù)值在3mm以前主要發(fā)生面板變形，當(dāng)變形至5mm，加載力大約為25kN時(shí)，下部鋼梁最大變形約2mm，基本接近規(guī)范規(guī)定的變形限值2.4mm(L/250).此時(shí)鋼梁除了有輕微變形外，構(gòu)件及焊接點(diǎn)未發(fā)生破壞.

試驗(yàn)中期，加載速度控制在0.1mm/min，加載速度較快，試驗(yàn)加載力和鋼梁變形繼續(xù)增加，當(dāng)變形在11mm，試驗(yàn)力約70kN時(shí)，荷載開始主要由模板兩端鋼管承受，中間的鋼板和模板之間出現(xiàn)明顯縫隙，表明中間鋼管已不受力，由于實(shí)際工程中混凝土為無剛度的液態(tài)，此時(shí)受力與實(shí)際工程已有差別..

試驗(yàn)后期，加載速度控制在1mm/min，加載速度很快，此時(shí)荷載主要由鋼梁兩端承受，模板的受彎狀態(tài)變?yōu)榧羟惺芰橹?，承載能力繼續(xù)增加，當(dāng)試驗(yàn)力達(dá)到90kN時(shí)，支撐位置處鋼管開始發(fā)生變形，且變形隨著荷載的增加而加嚴(yán)重，直至破壞.

本次試驗(yàn)中的最大加載量為120kN，內(nèi)部鋼梁和焊縫沒明顯破壞(由于鋼板的剛度大，試驗(yàn)后期模板中部受力較小)，破壞主要集中在支撐端部的局部受壓破壞，按模板技術(shù)規(guī)程，在滿足變形的前提下，每塊試驗(yàn)?zāi)０宓某休d力定為20kN.

2.2框內(nèi)短鋼梁承載力試驗(yàn)

為檢測焊縫質(zhì)量，對框內(nèi)短梁施加線荷載，兩側(cè)通長梁下部放置鋼墊板，裝置如圖4所示，荷載變形曲線如圖5所示.

圖4　短鋼梁試驗(yàn)裝置圖

圖5　鋼梁試驗(yàn)荷載變形圖

試驗(yàn)過程如下，加載速度控制在0.1mm/min，當(dāng)加載力達(dá)到8kN，變形數(shù)值在0.8mm時(shí)，鋼梁主要發(fā)生整體變形，繼續(xù)加載時(shí)，由于鋼梁壁厚較薄，上部受壓面和側(cè)面開始出現(xiàn)局部變形，鋼材開始從彈性階段進(jìn)入彈塑性階段，但荷載仍能繼續(xù)增加，焊縫質(zhì)量保持完好.當(dāng)試驗(yàn)機(jī)荷載超過24kN以后，材料發(fā)生塑性流動(dòng)，鋼梁形狀開始急劇變形，表現(xiàn)為被迅速壓扁.此時(shí)焊縫仍沒有破壞.當(dāng)鋼材進(jìn)入強(qiáng)化階段，鋼管變形逐漸變小，試驗(yàn)力卻大幅增加，受力由主要焊縫承擔(dān).直至發(fā)生最終破壞，破壞主要出現(xiàn)在通長鋼梁的焊縫邊緣側(cè)壁，表現(xiàn)為撕裂狀破壞，破壞圖詳圖6.

圖6　短鋼梁試驗(yàn)破壞圖

試驗(yàn)中的最大加載量為34kN，短鋼梁已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重變形破壞，大部分焊縫沒明顯破壞，表明現(xiàn)有焊接工藝能滿足要求，試驗(yàn)中同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊縫端部有夾渣、裂縫缺陷時(shí)，容易首先在此處開裂，所以加工制作中要注意焊縫端部的質(zhì)量.由于鋼管厚度明顯小于焊縫尺寸，連接破壞主要集中在與焊縫連接的鋼管表面，發(fā)生撕裂破壞.

2.3模板框內(nèi)通長鋼梁承載力試驗(yàn)

為測試模板框內(nèi)通長鋼梁的承載力，模擬施工現(xiàn)場集中荷載的影響.試驗(yàn)對象為兩根通長鋼梁，加載部位為跨中區(qū)域，為防止實(shí)驗(yàn)發(fā)生局部受壓破壞，壓頭下加鋼壓板.荷載變形曲線如圖7.

圖7　通長鋼梁荷載變形圖

試驗(yàn)過程如下，加載速度控制在0.1mm/min，當(dāng)試驗(yàn)力為2kN時(shí),鋼梁變形主要是彈性變形，最大變形已達(dá)到規(guī)范允許值2mm.

在試驗(yàn)力達(dá)到8kN之前，從圖7中可以看到，力和變形均增長較快，此時(shí)的變形主要包含兩部分，一是兩側(cè)鋼管的彈性變形，二是跨中鋼管的塑性變形.當(dāng)荷載在8kN～24kN時(shí)，梁的變形非常明顯，主要包含梁的整體塑性變形和壓板下的鋼管的壓縮變形.當(dāng)變形達(dá)到48mm時(shí)，由于鋼管變形過大，鋼管端部焊接處出現(xiàn)管壁撕裂，停止加載.最終破壞圖如圖8所示.

圖8　通長鋼梁試驗(yàn)破壞圖

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)施工現(xiàn)場有較重設(shè)備作為集中荷載施加于鋼梁時(shí)，每根鋼梁跨中最大荷載不應(yīng)超過2kN,否則應(yīng)采取相應(yīng)的加固措施.

2.4兩塊模板連接處承載力試驗(yàn)

本項(xiàng)目目的為測試兩塊模板連接處承載力，模擬施工現(xiàn)場當(dāng)模板出現(xiàn)懸挑時(shí)的工況.試驗(yàn)對象為兩塊模板通過兩個(gè)銷釘連接，每塊板每端懸挑300mm，跨度為600mm，加載部位為跨中區(qū)域，加載裝置如圖9所示.

圖9　模板連接承載力試驗(yàn)裝置

由于模板支座處為擱置狀態(tài)，跨中加載時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大變形，與實(shí)際施工時(shí)模板為多跨板的狀態(tài)不符，故曲線中的位移無參考價(jià)值.只需考慮破壞荷載值.試驗(yàn)開始后，模板即有明顯變形，當(dāng)荷載值達(dá)到6kN時(shí)，銷釘帽下面的鋼管開始出現(xiàn)局部壓縮變形，另側(cè)的插銷片產(chǎn)生彎曲，試驗(yàn)結(jié)束后銷釘表面有明顯壓痕.

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)模板出現(xiàn)懸挑時(shí)，銷釘插片和銷釘帽下的局部受壓區(qū)最容易出現(xiàn)損害的，所以.設(shè)計(jì)模板支撐時(shí)宜設(shè)在模板端部以減少懸挑，必須懸挑時(shí)長度不宜超過300mm.對墻、柱等側(cè)壓力較大部位不應(yīng)懸挑.

3　合理支撐間距的模擬與選擇

3.1計(jì)算模型

矩形柱模板的設(shè)計(jì)尺寸：長2400mm寬500mm，如圖10所示.

(1)模板尺寸　　　　　　　　　　(2)計(jì)算模型圖10　柱模板尺寸及計(jì)算模型

根據(jù)JGJ162-2008公式4.1.1-1 得現(xiàn)澆混凝土的模板側(cè)壓力為

F=0.22×24×5.71×1.2×1.0×

根據(jù)JGJ162-2008公式4.1.1-2得現(xiàn)澆混凝土的模板側(cè)壓力為

F=24×3=72kN/m

取其最小值，最終選取72kN/m為新澆筑混凝土側(cè)壓力值[3].考慮傾倒混凝土?xí)r活荷載，按JGJ162-2008第4.3節(jié)進(jìn)行組合，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)按照0.9，考慮永久荷載控制的效應(yīng)組合，按公式4.3.1-4.得出計(jì)算側(cè)壓力設(shè)計(jì)值圖如圖10所示.

3.2MIDAS GEN仿真模擬結(jié)果

采用有限元分析軟件MIDASGEN對計(jì)算模型進(jìn)行建模分析，經(jīng)多次試算和優(yōu)選，當(dāng)支撐豎向間距為400/500/500/500/500時(shí)，模板的最大側(cè)向變形值0.442mm，滿足模板規(guī)范變形0.5mm要求[4]，鋼梁最大彎曲應(yīng)力值為198Mpa，基本滿足鋼梁強(qiáng)度215Mpa要求[5].詳細(xì)分析結(jié)果如圖11所示.

(a)側(cè)面變形(mm)　　　　　(b)鋼梁應(yīng)力Mpa圖11　柱模板仿真模擬計(jì)算結(jié)果

3.3合理支撐間距

選取矩形柱模板柱箍布置間距為400×500×500×500mm.如圖12所示.

圖12　合理的模板支撐間距圖

4　結(jié)論

1)當(dāng)模板整體均布受壓的承載力時(shí)，在滿足變形的前提下，每塊試驗(yàn)?zāi)０宓某休d力定為20kN.

2)短梁試驗(yàn)中的最大加載量為34kN，焊縫強(qiáng)度明顯高于梁本身，表明模板的現(xiàn)有焊接工藝能滿足要求，破壞主要集中在與焊縫連接的鋼管表面，發(fā)生撕裂破壞.加工時(shí)要特別注意焊縫起始端的焊接質(zhì)量.

3)施工現(xiàn)場有集中荷載作用于鋼梁時(shí)，最大數(shù)值不應(yīng)超過2kN,否則應(yīng)采取相應(yīng)的加固措施.

4)荷載達(dá)到單模板設(shè)計(jì)限值時(shí)，鋼號應(yīng)提高到Q345.

5)通常施工荷載情況下，柱、墻模板的支撐合理間距為400/500/500/500/500.

[1]王潤蓬.全鋼大模板技術(shù)在高層結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用[J].建筑， 2016(1)：73-74.

[2] 翟忠保.定型鋼模板在鳳鳴水電站飾面清水混凝土施工中的應(yīng)用[J].水電與抽水蓄能，2015，1(4)：19-22.

[3]中華人民共和國建設(shè)部.JGJ162-2008 建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范[S].

[4] 中華人民共和國建設(shè)部.GB5024-2015 混凝土結(jié)構(gòu)工程施工驗(yàn)收規(guī)范[S] .

[5]中華人民共和國建設(shè)部.GB50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S] .

(編輯：劉寶江)

Destructive test study of new type steel and wood composite formwork

YANG Zhi-gang1, LI Xiao-xia2

( 1. School of Civil and Architecture Engineering， Shandong University of Technology, Zibo 255049， China;2.DepartmentofInformationEngineering,ZiboVacationalCollege,Zibo255000China)

Fivetestformworkswerefabricatedinordertostudythemechanicalpropertiesofthenewcombinedsteelformwork.Destructivetestswerecarriedoutinfourcases.Themaximumapplicableloadforeachcaseisobtained.Andthesuggestionontheimprovementanduseoftheformworkissuggested.Withthecombinationofframecolumnformworkasanexample,analoguesimulationresearchofthestressstatewasconducted,thereasonablesupportcolumnhoopisobtained.

steelandwoodcompositeformwork;destructivetest;themechanicalproperties;analoguesimulation

2016-03-11

楊志剛，男，sdglyzg@126.com

1672-6197(2016)06-0058-05

TU746. 3

A