鋁合金模板單根可調(diào)式鋼支撐承載力的理論計(jì)算與試驗(yàn)研究

楊皓東 仰樹燕

1.安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院 安徽 合肥 230601；2.合肥建工集團(tuán) 安徽 合肥 230009

鋁合金模板質(zhì)量輕、承載能力高、施工周期短，施工現(xiàn)場(chǎng)一般只需1套主模板、3套支撐，便可完成對(duì)鋁模板的安裝與拆除。鋁合金模板體系是由4個(gè)系統(tǒng)組成：模板、支撐、附件及緊固系統(tǒng)。其中，支撐系統(tǒng)主要是為混凝土結(jié)構(gòu)的施工，梁、樓面和懸臂結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定等提供支撐作用[1-2]。可調(diào)式鋼支撐體系可縮短工期，能夠解決普通鋼管滿堂支設(shè)方法造成的高成本、低模板周轉(zhuǎn)率等弊端[3-5]，可實(shí)現(xiàn)5 d一層的施工速度，并能保證工程質(zhì)量。它主要由外管、內(nèi)管和長(zhǎng)度調(diào)節(jié)器3個(gè)部分組成[6-7]，并可通過(guò)插銷粗調(diào)和長(zhǎng)度調(diào)節(jié)器微調(diào)來(lái)調(diào)節(jié)立桿的使用高度。

1 工程概況

合肥碧桂公館項(xiàng)目一標(biāo)段工程，建筑總面積約為225 000 m2。本項(xiàng)目中10#（22層）、16#、21#、22#（27層）這4棟樓采用鋁模板系統(tǒng)。建筑結(jié)構(gòu)形式為剪力墻結(jié)構(gòu)。本次鋁模板系統(tǒng)用于標(biāo)準(zhǔn)層，標(biāo)準(zhǔn)層的層高為2 900 mm，樓板厚度主要為120 mm。該工程采用可調(diào)式鋼支撐作為模板支撐體系，使用高度為2.7 m。

2 單根可調(diào)式鋼支撐承載力的理論計(jì)算

單根可調(diào)式立桿的使用高度為2.7 m，內(nèi)管管壁孔洞直徑為15 mm，插銷鋼鍵直徑為14 mm，底座規(guī)格為120 mm×120 mm×3 mm。內(nèi)外管的管徑與壁厚等屬性如表1所示。

表1 可調(diào)式鋼支撐的尺寸與力學(xué)性能

根據(jù)JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》，按以下可能發(fā)生的4種破壞形態(tài)（2.1—2.4節(jié)）分別對(duì)立桿進(jìn)行承載力計(jì)算，4個(gè)計(jì)算結(jié)果中的最小值即為該鋼支撐立桿的容許承載力。

2.1 按鋼銷鍵處鋼管壁承壓強(qiáng)度來(lái)計(jì)算容許荷載

在該工況下，鋼支撐立桿的容許荷載N1具體如式（1）所示：

式中：fce——插銷孔處管壁端承壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

Ace——2個(gè)鋼銷鍵處管壁承壓面積，Ace=2dt，此處的d為鋼銷鍵直徑，t為管壁厚度。

經(jīng)計(jì)算，容許荷載N1=35.19 kN。

2.2 按鋼銷鍵抗剪強(qiáng)度來(lái)計(jì)算容許荷載

在該工況下，鋼支撐立桿的容許荷載N2具體如式（2）所示：

式中：fc——鋼銷鍵抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

A0——鋼銷鍵的凈截面面積。

經(jīng)計(jì)算，容許荷載N2=38.48 kN。

2.3 按鋼管立柱受壓穩(wěn)定性來(lái)計(jì)算容許荷載

根據(jù)《建筑施工計(jì)算手冊(cè)》，考慮插管與套管由于配合間隙及安裝誤差產(chǎn)生的上下端偏心為1/2鋼管直徑，即最大初偏心為24 mm。根據(jù)表1數(shù)據(jù)和相關(guān)的規(guī)范公式，可求得該工況下的鋼支撐立桿容許荷載N3=13.52 kN。

2.4 按鋼管的強(qiáng)度來(lái)計(jì)算容許荷載

在該工況下，鋼支撐立桿的容許荷載N4具體如式（3）所示：

式中：f——鋼管的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

An——插管的凈截面面積。

經(jīng)計(jì)算，容許荷載N4=60.6 kN。

2.5 按容許荷載設(shè)計(jì)值計(jì)算應(yīng)力值

由以上4項(xiàng)計(jì)算結(jié)果可知：立桿最薄弱的環(huán)節(jié)為內(nèi)管，壓彎構(gòu)件下，已達(dá)到荷載設(shè)計(jì)值。因此，將13.52 kN作為單根立桿在高2.7 m時(shí)的容許荷載設(shè)計(jì)值，繼而可求得應(yīng)力值為151.24 MPa。

3 單根可調(diào)式鋼支撐的承載力試驗(yàn)

鋁模廣泛應(yīng)用于高層住宅，而住宅的層高普遍為2.9 m。因此，本次試驗(yàn)取2.7 m的鋼支撐作為最基本的試驗(yàn)立桿。

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為測(cè)試單根立桿的極限承載力和應(yīng)力應(yīng)變，利用反力架，在鋼管頂部放置千斤頂和測(cè)力計(jì)進(jìn)行分級(jí)加載試驗(yàn)（圖1）。

3.2 試驗(yàn)加載方案

1）預(yù)加荷載至2 kN，持荷10 min后卸載。

2）正式加載至2 kN以后，按每級(jí)2 kN加載，每級(jí)持荷2 min。

圖1 試驗(yàn)裝置

3）若持荷過(guò)程中應(yīng)變值不斷增大，則視為立桿進(jìn)入屈服階段，此時(shí)的荷載值為極限荷載。

4）分級(jí)卸載至零。

3.3 試驗(yàn)內(nèi)容

1）在立桿中點(diǎn)（1.35 m）四周貼上應(yīng)變片，測(cè)點(diǎn)分別為1、2、3、4。從連接部位起，沿內(nèi)管往鋼管頂端每隔15 cm貼一圈（鋼管四周）應(yīng)變片，測(cè)點(diǎn)分別為A、B、C、D、E、F（圖2），測(cè)出鋼管變形較大處的應(yīng)變。

圖2 應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)

2）在鋼管頂托和中點(diǎn)位置放置位移計(jì)，測(cè)出鋼管頂點(diǎn)位移和中點(diǎn)位移。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.4.1 位移情況

試驗(yàn)過(guò)程中每級(jí)加載2 kN，每級(jí)持荷2 min，由鋼管頂托上的位移計(jì)和中點(diǎn)位移計(jì)可以測(cè)出每級(jí)荷載下頂點(diǎn)和中點(diǎn)的位移變化（圖3）。

由圖3可知：

1）當(dāng)荷載為20 kN時(shí)，頂點(diǎn)豎向位移由0.402 mm突增至0.789 mm，而中點(diǎn)水平位移由1.046 mm突減為0.669 mm。突變?cè)驗(yàn)椋贺Q向荷載作用下，頂點(diǎn)的豎向位移不斷增長(zhǎng)，中點(diǎn)水平位移出現(xiàn)回彈，從而導(dǎo)致變小。

2）荷載24 kN是鋼管變形的臨界點(diǎn)，此時(shí)鋼管處于有效工作狀態(tài)，是彈性階段，隨后進(jìn)入彈塑性階段，31 kN后鋼管進(jìn)入破壞階段。

圖3 頂點(diǎn)與中點(diǎn)處的位移-荷載曲線

3.4.2 應(yīng)力情況

試驗(yàn)中B測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值最大，隨著荷載的施加，B點(diǎn)的應(yīng)力值如圖4所示。

圖4 測(cè)點(diǎn)B應(yīng)力-荷載曲線

由圖4可知：

1）隨著荷載的施加，應(yīng)力值不斷加大，B點(diǎn)的應(yīng)力最大值為440 MPa，此時(shí)鋼管進(jìn)入破壞狀態(tài)。

2）當(dāng)荷載為臨界荷載24 kN時(shí)，鋼管B處的應(yīng)力值達(dá)到308 MPa，鋼管仍處于正常使用狀態(tài)。

4 理論值與試驗(yàn)值對(duì)比分析

1）理論計(jì)算考慮初偏心下的荷載容許值為13.52 kN，而試驗(yàn)時(shí)認(rèn)為初偏心為0，測(cè)得的容許荷載值為24 kN，31 kN后進(jìn)入破壞階段?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)由于操作技術(shù)原因必然存在偏心，而試驗(yàn)是理想狀態(tài)，需對(duì)試驗(yàn)值進(jìn)行折減，故理論荷載容許值是合理且偏安全的。

2）試驗(yàn)中荷載為24 kN時(shí)是一個(gè)臨界點(diǎn)，此時(shí)鋼管處于彈性階段，是偏于安全的。

3）理論計(jì)算時(shí)，外管強(qiáng)度大，內(nèi)管按受壓穩(wěn)定性計(jì)算的容許荷載值小，容許應(yīng)力值為151.24 MPa，最易先發(fā)生失穩(wěn)破壞。而試驗(yàn)中測(cè)點(diǎn)B處的應(yīng)力值最大，在臨界點(diǎn)時(shí)，B點(diǎn)的應(yīng)力值為308 MPa，理論應(yīng)力值在試驗(yàn)值上折減了約50%，是相對(duì)合理的。

4）JGJ 386—2016《組合鋁合金模板工程技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，可調(diào)鋼支撐的壓縮變形限值為計(jì)算高度的1/1 000，即為2.7 mm，對(duì)比試驗(yàn)值可知，荷載超過(guò)28 kN時(shí)，鋼支撐已屈服，工程中已無(wú)法使用。

5）鋼支撐破壞形式主要為插管失穩(wěn)破壞。因此，在施工過(guò)程中，要保證內(nèi)管的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，以防支撐失穩(wěn)破壞導(dǎo)致的模板倒塌。

5 結(jié)語(yǔ)

可調(diào)式鋼支撐體系是一種操作便捷、安全可靠的新型綠色模板支撐體系[8]。本文通過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)單根可調(diào)式鋼支撐的承載力進(jìn)行了分析，主要得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）可調(diào)式鋼支撐施工比較方便，在相同使用高度時(shí)，承載力比普通扣件式鋼管大，且現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)無(wú)需增設(shè)水平支撐桿。

2）對(duì)于鋼支撐的力學(xué)性能，試驗(yàn)值與理論計(jì)算值基本吻合。

3）可調(diào)式支撐體系具有粗調(diào)和細(xì)調(diào)2種調(diào)節(jié)方式，只需一種規(guī)格就可以滿足不同樓層高度的施工需要。