孫伯禹,邵志兵,金 蕾,管東芝,郭正興

(1.中天建設集團有限公司,浙江 東陽 322100; 2.東南大學土木工程學院,江蘇 南京 211189; 3.東南大學成賢學院,江蘇 南京 210088)

0 引言

21世紀以來,我國在建筑業(yè)掀起了一場大力發(fā)展建筑工業(yè)化轉(zhuǎn)型升級進程,發(fā)展裝配式建筑結構是重點方向。相對于裝配式鋼結構、木結構而言,裝配式混凝土結構以其良好的結構性能、經(jīng)濟性、耐久性等優(yōu)勢,成為了建筑工業(yè)化發(fā)展進程中最主要的結構形式。在眾多預制混凝土構件中,預制疊合板結構性能可得到有效保障,且規(guī)格化程度相對較高,制造難度相對較低,成為應用量最大的預制混凝土構件,當前幾乎所有新建項目均采用預制疊合板。然而,受我國常用臨時支撐形式、現(xiàn)場勞工作業(yè)習慣、預制疊合板連接構造特點等因素的影響,預制疊合板下部臨時支撐往往直接采用與現(xiàn)澆樓板相同的支架形式,現(xiàn)場支架密度高,搭設量大,造成預制疊合板下施工空間有限、現(xiàn)場安裝成本高等問題,不能發(fā)揮預制疊合板優(yōu)勢。

在裝配式混凝土結構推廣應用過程中,部分學者、工程師開展了預制構件臨時支撐相關的改進和研究。Peng等[1]研究了一種用于裝配式結構的門式腳手架結構;Ding等[2]總結了預制混凝土構件臨時支撐特點;李云鋒[3]介紹了一種預制疊合板下采用鋁模優(yōu)化支設施工技術;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立支撐體系施工技術;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,力圖實現(xiàn)預制梁與預制板共支效果?？傊?豎向預制構件安裝和連接往往需要較大施工空間,而水平預制構件臨時支撐多采用分布式支設,支設量相對較大,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制疊合板模塊化盤扣式支撐腳手架,增大預制疊合板在安裝階段的下部施工空間,靈活布置施工通道,同時減少板下支架支設量,降低成本,提高安裝效率。針對該支架形式,開展豎向加載試驗,了解破壞形式和機理,掌握豎向承載力,為形成針對性設計方法并進一步推廣使用奠定基礎。

1 架體形式

如圖1所示,預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個立面均形成平面桁架結構,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,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有盤扣式插銷連接頭,可與立桿連接盤進行連接。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不同尺寸開間的需求。

圖1 模塊化盤扣式支撐腳手架

對于一般裝配式住宅結構,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,可形成適應常規(guī)尺寸開間的模塊化盤扣式支撐腳手架,以支撐預制疊合板;預制疊合板間連接縫下部模板可通過吊模[9]或多層木龍骨進行支設。對于裝配式住宅中的單開間,該支撐腳手架位于開間中央,承受預制疊合板自重及相關施工荷載,四面三角撐頂住預制疊合板邊緣,距離豎向構件表面300～500mm,將預制疊合板周圈荷載傳遞至盤扣式鋼管腳手架承重核心,同時在三角撐下方形成一定施工空間,便于周圈預制剪力墻、預制柱等豎向構件灌漿作業(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,可改變當前預制疊合板下滿堂支架方式,減少現(xiàn)場支架工作量,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)場施工效率,降低成本。

2 試驗概況

為研究預制疊合板模塊化盤扣式支撐腳手架受力機理和承載力,進行豎向加載試驗。根據(jù)模塊化盤扣式支撐腳手架基本構造搭設試驗架體,立桿采用Q355材質(zhì)φ48.3×3.2桿件,長度為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。相關桿件規(guī)格如圖2所示。在可調(diào)托撐頂部設置千斤頂,通過同步液壓系統(tǒng)進行加載。

圖2 三角撐規(guī)格

根據(jù)該支撐腳手架特點,重點研究三角撐及整架破壞機理和承載力,共進行6種加載試驗。試驗1,2僅對三角撐進行加載,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,僅對一側三角撐進行加載。

圖3 試驗1,2加載示意

試驗3～6通過前、后2排千斤頂進行對稱加載,為研究最不利工況承載力,可調(diào)托撐自由長度均調(diào)至規(guī)范允許的最大長度650mm,腳撐自由段長度為550mm。試驗3重點研究該模塊化支撐腳手架立桿承載力,僅對中間4個立桿進行加載,如圖4a所示。試驗4～6對三角撐和立桿進行整體加載,將步距依次設為900,1 500,1 800mm,以研究步距對承載力的影響。由于加載裝置的限制,試驗4～6中,通過分配梁對立桿進行加載,如圖4b所示。試驗加載匯總如表1所示。

表1 試驗加載匯總

圖4 試驗3～6加載示意

3 試驗結果與分析

3.1 試驗現(xiàn)象與破壞模式

試驗1在35kN荷載前,無明顯現(xiàn)象。加載至35kN時,三角撐開始出現(xiàn)彎曲,加載至58.3kN時,一側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,同時斜桿在撕裂位置發(fā)生面外彎折。由于試驗1架體頂撐和腳撐自由段較短,并采取了增強穩(wěn)定性的措施,因此試驗1三角撐為強度破壞,如圖5a所示。試驗2在加載前期,架體無特別現(xiàn)象,加載至30kN時,由于單側加載,整架開始出現(xiàn)少許傾覆,加載至36.4kN時,整架明顯傾覆無法加載,此時三角撐發(fā)生少許平面外變形,如圖5b所示。

圖5 試驗1,2破壞模式

試驗3只對中間4根立桿進行加載,加載至35kN時,立桿懸挑位置出現(xiàn)略微彎曲,加載至55kN時,一側立桿上端出現(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4～6對整架進行加載,試驗4加載至25kN時,三角撐略微彎曲,荷載達32kN時,三角撐向一側傾斜,同時立桿發(fā)生平面外彎曲,由于試驗4步距較小,發(fā)生整體失穩(wěn)破壞,如圖6b所示。試驗5荷載達38kN時,三角撐出現(xiàn)傾斜,荷載達41.9kN時,三角撐明顯彎折,停止加載,如圖6c所示。試驗6加載至34kN時,三角撐出現(xiàn)明顯傾斜,加載至36kN時,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,進一步對立桿進行加載,加載至42kN時,立桿頂部開始傾斜,加載至55kN時,立桿傾斜嚴重,停止加載,破壞模式如圖6d所示。

圖6 試驗3～6破壞模式

3.2 承載力分析

試驗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。三角撐自身強度較高,組件強度控制的承載力可達58.3kN,完全可保障使用安全;當三角撐可調(diào)托撐自由段長度調(diào)至規(guī)范允許最大值時,主要破壞模式為面外失穩(wěn),發(fā)生在試驗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,當可調(diào)托撐自由段長度調(diào)至規(guī)范允許最大值時,發(fā)生立桿上端局部失穩(wěn)破壞,單根立桿承載力為55.0kN。進行整架試驗時,三角撐失穩(wěn)會導致鋼管腳手架承重核心承載力降低。當步距為900mm時,發(fā)生整架整體失穩(wěn),單根立桿承載力僅為16.0kN,因此,對于開間過小情況,該支撐腳手架整體穩(wěn)定性不足,不建議采用。由于試驗5在三角撐發(fā)生面外失穩(wěn)時即停止加載,故未得到單根立桿極限承載力,但可明確其超過21.0kN。當步距為1 800mm時,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27.5kN。

表2 承載力及破壞模式

4 簡易計算方法

對于常規(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,對盤扣式立桿穩(wěn)定性約束相對較弱。為確保承載力設計值具有一定安全性,針對鋼管腳手架承重核心單根立桿承載力計算公式,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標準》[10]中單根立桿計算方法基礎上,增加約束降低系數(shù)ζ。由試驗結果可知,三角撐失穩(wěn)破壞會降低立桿承載力,因此,當三角撐用于承受預制疊合板自重及相關施工荷載時,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為軸心受壓構件穩(wěn)定系數(shù);f為鋼材強度設計值;A為立桿橫截面積。

將相關參數(shù)代入式(1),計算可得模塊化盤扣式支撐腳手架單根立桿承載力設計值為25.3kN,小于試驗6加載值,具有一定安全性。對于三角撐,除試驗1,4外,其他試驗均發(fā)生了面外失穩(wěn),為增加安全性并簡易計算,三角撐穩(wěn)定承載力設計值可取為試驗結果平均值的0.9倍,為34.29kN。鑒于常規(guī)裝配式住宅施工階段荷載估算,上述簡易計算方法可滿足施工階段使用需求,并保證一定安全性。隨著進一步研究的深入,上述計算公式相關系數(shù)取值將進一步完善并精確。

5 結語

1) 提出了一種適用于裝配式住宅的預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,結構清晰,搭設簡單,減少了現(xiàn)場支架工作量,便于形成較寬敞的下部施工空間,布置靈活,顯著提高現(xiàn)場施工效率,降低成本。

2) 進行模塊化盤扣式支撐腳手架加載試驗研究,三角撐破壞時主要發(fā)生面外失穩(wěn),并且會降低鋼管腳手架承重核心承載力;當步距為1 800mm時,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27.5kN。

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