石開(kāi)榮，盧永徽，林金龍，許潔檳，姜正榮，孫 暉，杜 飛，陳 炬

(1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641；2.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510641；3.中建科技集團(tuán)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518118；4.深汕特別合作區(qū)磐汩新材料有限公司，廣東 深圳 516473)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)，人民生活水平顯著提高，我國(guó)建筑業(yè)取得了飛速發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)形式和功能豐富多樣，出現(xiàn)了眾多大跨度、超高層建筑，對(duì)施工期間模板支撐體系(模板支撐架、安裝支撐架等)穩(wěn)定承載能力提出了更高要求。

近年來(lái)，我國(guó)模板和腳手架體系發(fā)展迅速，但在安全技術(shù)與管理方面仍存在不足，進(jìn)而造成施工安全與工程質(zhì)量隱患[1]，導(dǎo)致因模板支撐架傾覆、坍塌引起的工程事故時(shí)有發(fā)生[2]，工程事故給人們生命財(cái)產(chǎn)造成損失，阻礙了我國(guó)建筑業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展。因此，除對(duì)現(xiàn)有模板支撐體系進(jìn)行深入研究外，還需研發(fā)新型模板支撐體系，以更好地滿足建筑業(yè)快速與高質(zhì)量發(fā)展需求。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者主要研究常規(guī)模板支撐體系穩(wěn)定性，如莊金平等[3]利用有限元軟件對(duì)高大模板扣件式鋼管支撐體系穩(wěn)定承載力進(jìn)行了分析，得到了不同參數(shù)對(duì)體系整體穩(wěn)定承載力的影響規(guī)律；陳志華等[4-6]研究了直角扣件半剛性特征，對(duì)扣件式鋼管模板支撐架穩(wěn)定承載力及失穩(wěn)情況進(jìn)行了分析，并對(duì)滿堂支撐架與滿堂腳手架力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比研究；劉敏[7]借助有限元分析軟件ANSYS中的彈簧單元等效模擬了碗扣節(jié)點(diǎn)半剛性，對(duì)不同連接方式下的碗扣式模板支撐架整體失穩(wěn)情況進(jìn)行了分析；黃浩等[8]考慮了節(jié)點(diǎn)連接剛度，對(duì)插銷式鋼管腳手架結(jié)構(gòu)安全性能進(jìn)行了研究；周潭飛[9]對(duì)盤(pán)扣式模板支撐架進(jìn)行了試驗(yàn)研究與有限元模擬分析，探究了斜桿設(shè)置方式、架體高度、立桿間距等因素對(duì)架體穩(wěn)定承載力的影響；Zhao等[10]通過(guò)試驗(yàn)研究和有限元模擬分析，探究了承插型輪扣式鋼管腳手架節(jié)點(diǎn)受彎性能及支撐架體系屈曲性能。

對(duì)各類新型模板支撐體系的研究主要集中在基本力學(xué)性能方面[11-15]，而對(duì)于架體整體抗傾覆穩(wěn)定性的研究較少。本研究在文獻(xiàn)[16]的基礎(chǔ)上，對(duì)改進(jìn)型陣列式組合模架體系進(jìn)行優(yōu)化提升，并進(jìn)行足尺模型試驗(yàn)及有限元模擬分析，研究體系整體抗傾覆穩(wěn)定性。

1 改進(jìn)型陣列式組合模架體系

陣列式組合模架體系又稱格柵組合模架體系，本研究在文獻(xiàn)[16]的基礎(chǔ)上，對(duì)陣列式組合模架體系鋁框主次楞截面形狀與尺寸及配套梁、柱模板體系進(jìn)行優(yōu)化，得到改進(jìn)型陣列式組合模架體系，提升了體系整體受力性能和裝拆便捷性。改進(jìn)型陣列式組合模架體系由新型陣列式鋁框(見(jiàn)圖1)、塑料平板模板、可調(diào)鋼管支撐及水平桿組成，如圖2所示。鋁框由橫向主楞和縱向次楞組成，次楞焊接在主楞上方，塑料模板平鋪于鋁框上方，鋁框下方設(shè)置可調(diào)鋼管支撐，在可調(diào)鋼管支撐中部設(shè)置雙向水平桿，以增加體系穩(wěn)定性?？烧{(diào)鋼管支撐主要由上部插管和下部套管組成，如圖3所示，插管設(shè)置限位插銷孔，上部插管和下部套管通過(guò)調(diào)節(jié)螺母、插銷進(jìn)行連接，支撐頂部設(shè)置專用頂托，用于連接并支撐上部鋁框?？烧{(diào)鋼管支撐與水平桿通過(guò)直角扣件連接。

圖1 新型陣列式鋁框構(gòu)造

圖2 改進(jìn)型陣列式組合模架體系

圖3 可調(diào)鋼管支撐

為加強(qiáng)改進(jìn)型陣列式組合模架體系與梁、柱模板的整體協(xié)同作用，梁、柱模板摒棄了傳統(tǒng)的膠合板和木方，采用新型鋁模板，其中，梁模板由側(cè)模板、底模板組成(見(jiàn)圖4)，柱模板由各邊側(cè)模板組成(見(jiàn)圖5)。同時(shí)，在梁模板與柱模板相應(yīng)位置設(shè)置梁夾、對(duì)拉螺栓套件和柱箍，以增加整體性。

圖4 梁模板

圖5 柱模板

改進(jìn)型陣列式組合模架體系構(gòu)造簡(jiǎn)單，性能可靠，模板和支撐構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化程度高，梁、柱鋁模板質(zhì)量小、回收率高，搭設(shè)工作量小，安裝、拆卸便捷，施工管理方便，施工效率高，可調(diào)鋼管支撐高度可靈活調(diào)節(jié)。

2 穩(wěn)定性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

選取平面軸線尺寸為8m×8m、板底結(jié)構(gòu)標(biāo)高為3.600m的單跨四柱框架單元進(jìn)行足尺試驗(yàn)(見(jiàn)圖6)，其中鋼筋混凝土樓板設(shè)計(jì)厚度為200mm，柱截面尺寸為700mm×700mm，梁截面尺寸為400mm×600mm。梁、柱模板鋁材型號(hào)為6061-T6，梁模板底部設(shè)置豎向支撐，端距為1 300mm，中距為1 000mm，在柱間對(duì)稱分布。在梁軸線位置下方設(shè)置豎向剪刀撐，并在柱模板內(nèi)側(cè)面設(shè)置斜撐。

圖6 足尺試驗(yàn)

樓板模板由32塊標(biāo)準(zhǔn)鋁框組成，平面布置如圖6b所示，單塊鋁框(型號(hào)為6061-T6)平面尺寸為1 800mm×915mm，基本構(gòu)造如圖1所示，鋁框上方鋪設(shè)15mm厚塑料模板。板底可調(diào)鋼管支撐布置與上部新型陣列式鋁框尺寸相匹配，間距對(duì)應(yīng)為1 800mm×915mm，在可調(diào)鋼管支撐2.1m高度處設(shè)置雙向水平桿(見(jiàn)圖6c)。在鋁框與梁模板間隙處設(shè)置C型鋼，以保證水平力能夠順利傳遞。

其他主要構(gòu)配件參數(shù)如表1所示，材質(zhì)均為鋼材，型號(hào)均為Q235。

表1 主要構(gòu)配件參數(shù)

2.2 試驗(yàn)方案

2.2.1加載方案

采用千斤頂施加水平荷載，通過(guò)兩級(jí)分配梁(見(jiàn)圖7，8a)將水平荷載均勻施加在梁側(cè)面模板上，在加載端梁模板內(nèi)相應(yīng)位置設(shè)置截面尺寸為50mm×50mm的木方(見(jiàn)圖7)，保證水平荷載順利傳至鋁框。利用樓面模板上的軟底水袋(見(jiàn)圖8b)，以注水的方式施加豎向荷載(架體豎向永久荷載)。試驗(yàn)時(shí)首先施加豎向荷載，然后以單調(diào)分級(jí)加載方式施加水平荷載，以2kN為一級(jí)，持荷5min左右，體系穩(wěn)定后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。正式試驗(yàn)前進(jìn)行預(yù)加載，盡量消除各構(gòu)件間隙對(duì)加載過(guò)程的影響，并確保試驗(yàn)設(shè)備正常工作。

圖7 加載及位移測(cè)點(diǎn)布置示意

圖8 加載裝置

軟底水袋安裝前，在梁、柱模板中裝滿砂，用于模擬實(shí)際工程中梁、柱混凝土自重。由于混凝土密度大于砂密度，扣除砂質(zhì)量后，將剩余的梁、柱混凝土自重折算為豎向均布荷載，并施加于樓面上。考慮軟底水袋自重1.51kN，最終施加在樓面的豎向均布荷載為8.43kN/m2。根據(jù)GB 50666—2011《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》[17]規(guī)定，需施加的水平荷載為14.3kN，最終實(shí)際施加至21.5kN(1.5倍的規(guī)定水平荷載)。

2.2.2測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)選取4個(gè)水平位移測(cè)點(diǎn)，編號(hào)分別為E，F(xiàn)，G，H，測(cè)點(diǎn)對(duì)稱分布于加載端和遠(yuǎn)端可調(diào)鋼管支撐頂部與鋁框連接處，如圖7所示。水平位移量測(cè)采用YHD-100型位移傳感器。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在豎向荷載加載過(guò)程中及加載至豎向荷載預(yù)定值時(shí)，體系穩(wěn)定，未出現(xiàn)異常。體系水平荷載-位移曲線如圖9所示，加載初期體系水平位移隨著水平荷載的增加先線性增長(zhǎng)后非線性增長(zhǎng)；各測(cè)點(diǎn)水平位移相差較小，表明體系整體性良好；當(dāng)水平荷載達(dá)14.3kN時(shí)，測(cè)點(diǎn)最大水平位移為3.23mm，層間位移角約為1/1 115，此時(shí)支撐、鋁框及模板等均未出現(xiàn)異常；當(dāng)水平荷載增至21.5kN時(shí)，各測(cè)點(diǎn)最大水平位移為8.48mm，層間位移角約為1/425；試驗(yàn)結(jié)束后，各構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)狀態(tài)良好，結(jié)構(gòu)未發(fā)生損壞，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 體系水平荷載-位移曲線

3 數(shù)值模擬分析

3.1 有限元模型建立

采用MIDAS/Gen有限元軟件對(duì)改進(jìn)型陣列式組合模架體系進(jìn)行分析，有限元模型如圖10所示。采用梁?jiǎn)卧M鋁框、梁模板、柱模板、可調(diào)鋼管支撐、水平桿、梁支撐、柱支撐、剪刀撐、柱箍、梁夾、對(duì)拉螺栓及木方，采用板單元模擬塑料模板，其中平鋪于鋁框上方的塑料模板僅考慮傳遞荷載作用。為模擬砂對(duì)梁、柱模板的剛度貢獻(xiàn)，在柱箍相應(yīng)高度處及垂直于加載方向的梁模板內(nèi)相應(yīng)位置處設(shè)置100mm厚板單元，材質(zhì)為鋼材。在平行于加載方向的梁模板底部設(shè)置截面尺寸為100mm×100mm的木方，單元類型為梁?jiǎn)卧?。鋼材和鋁材采用理想雙折線彈塑性模型模擬，木材及塑料模板采用線性模型模擬，不考慮其塑性變形。鋼材、鋁材、木材及塑料模板彈性模量分別為2.06×105，7.0×104，9.0×103，1.41×103MPa。

圖10 有限元模型

綜合考慮各構(gòu)件實(shí)際受力情況，在有限元模型中，構(gòu)件之間的連接處理如下：為保證荷載能夠順利傳遞，在鋁框與梁模板連接處，耦合鋁框與梁模板水平方向平動(dòng)自由度；在可調(diào)鋼管支撐與鋁框連接處，耦合可調(diào)鋼管支撐與鋁框的平動(dòng)自由度，以模擬可調(diào)鋼管支撐通過(guò)支撐頂托對(duì)鋁框產(chǎn)生的平動(dòng)約束；可調(diào)鋼管支撐上部插管與下部套管設(shè)置為剛接；梁、柱模板相交處設(shè)置為鉸接；梁、柱支撐頂部與梁、柱模板連接處設(shè)置為鉸接；剪刀撐頂部與柱模板連接處設(shè)置為鉸接；可調(diào)鋼管支撐、柱模板、梁支撐、柱支撐底部均設(shè)置為鉸接，約束底部結(jié)點(diǎn)平動(dòng)自由度。

根據(jù)文獻(xiàn)[18-21]，水平桿與可調(diào)鋼管支撐間的連接按半剛性結(jié)點(diǎn)考慮，相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度設(shè)為19kN·m/rad，結(jié)構(gòu)分析時(shí)考慮幾何非線性效應(yīng)。

3.2 結(jié)果分析

將試驗(yàn)與有限元分析得到的體系水平荷載-位移曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖11所示。由圖11可知，體系水平位移隨著水平荷載的增加線性增長(zhǎng)；當(dāng)水平荷載<14.3kN時(shí)，有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差較?。划?dāng)水平荷載>14.3kN時(shí)，隨著荷載的增加，有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差較大，這是由于有限元模型難以考慮各類構(gòu)件連接存在的間隙、初始偏心和結(jié)點(diǎn)實(shí)際剛度復(fù)雜性等，導(dǎo)致水平位移仍表現(xiàn)為線性增長(zhǎng)，而實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)呈非線性增長(zhǎng)。

圖11 體系水平荷載-位移曲線對(duì)比

體系在1.0倍規(guī)定水平荷載作用下的側(cè)向變形如圖12所示。整體上看，有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較符合，且在荷載作用下，有限元分析得到的加載端水平位移大于遠(yuǎn)端，表明有限元分析結(jié)果與體系實(shí)際受力情況基本相符。

圖12 體系側(cè)向變形(單位：mm)

3.3 不同體系對(duì)比

本研究與文獻(xiàn)[16]鋁框截面及梁、柱模板對(duì)比如圖13，14所示。將本研究分析結(jié)果與文獻(xiàn)[16]進(jìn)行對(duì)比，如圖15和表2所示。在相同荷載作用下，本研究得到的加載端和遠(yuǎn)端測(cè)點(diǎn)水平位移平均值均小于文獻(xiàn)[16]，最大水平位移差為5.5mm。本研究得到的體系平均側(cè)向剛度試驗(yàn)值與有限元分析值分別較文獻(xiàn)[16]提高了121.6%，124.6%；在1.0倍規(guī)定水平荷載作用下，本研究得到的層間位移角試驗(yàn)值與有限元分析值分別較文獻(xiàn)[16]減少了55.2%，57.3%，表明本研究提出的改進(jìn)型陣列式組合模架體系側(cè)向剛度大于文獻(xiàn)[16]模架體系，整體抗傾覆穩(wěn)定性得到顯著提高。

圖13 鋁框?qū)Ρ?/p>

圖14 梁、柱模板對(duì)比

圖15 分析結(jié)果對(duì)比

表2 側(cè)向剛度及層間位移角對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

1)依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》，在1.0倍規(guī)定水平荷載作用下，改進(jìn)型陣列式組合模架體系處于穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)一步加載至1.5倍規(guī)定水平荷載，體系仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，且未發(fā)生構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)破壞，表明體系滿足整體抗傾覆穩(wěn)定性要求。

2)對(duì)改進(jìn)型陣列式組合模架體系受力與變形進(jìn)行分析，有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，表明本研究建立的有限元模型及分析方法較合理。

3)改進(jìn)型陣列式組合模架體系側(cè)向剛度顯著提高，具有更優(yōu)的整體抗傾覆穩(wěn)定能力，且梁、柱模板裝拆更便捷，可用于大柱網(wǎng)現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)支模施工。