鋁模早拆體系獨(dú)立支撐承載性能研究

楊皓東， 仰樹(shù)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)有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

鋁模體系中，早拆體系獨(dú)立支撐至關(guān)重要，由樓面和梁底早拆系統(tǒng)組成[1,2]。早拆技術(shù)施工原理是：對(duì)早拆頭、主次梁和可調(diào)鋼立桿組成的整體，通過(guò)增加豎向支撐點(diǎn)，使構(gòu)件由長(zhǎng)跨承重變?yōu)槎炭绯兄兀档蜆?gòu)件內(nèi)力，待混凝土達(dá)到其設(shè)計(jì)強(qiáng)度的一半，拆除模板，鋼支撐和早拆頭保持不動(dòng)，其余模板和支架通過(guò)預(yù)留傳料口傳遞至下一流水施工[3-6]。鋁模支撐形式與扣件式鋼管不同，步距大、無(wú)水平拉桿，且目前大多數(shù)研究是針對(duì)整體模架，對(duì)于單支撐的試驗(yàn)和研究成果比較少，因此對(duì)單支撐施工承載性能的研究非常有必要。

1 單支撐承載力理論計(jì)算

鋁模多用于高層住宅，而住宅普遍高度為2.9 m，因此取2.7 m單支撐作為研究對(duì)象。單支撐規(guī)格為：φ60×2.2套管套住φ48×2.5插管，內(nèi)管孔洞直徑為15 mm，銷(xiāo)鍵直徑為14 mm。

根據(jù)《建筑施工計(jì)算手冊(cè)》[7]，單支撐的承載力可按四種破壞形態(tài)進(jìn)行計(jì)算，其中最小值即為支撐的承載力設(shè)計(jì)值。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 四種計(jì)算模式下鋼支撐的承載力

因此，單支撐的容許承載力計(jì)算值為13.52 kN。

2 單支撐承載力試驗(yàn)研究

本次針對(duì)2.7 m和3.1 m單支撐進(jìn)行了試驗(yàn)，具體以2.7 m為例。

2.1 試驗(yàn)?zāi)康摹?nèi)容、測(cè)點(diǎn)布置及加載方案

(1)試驗(yàn)?zāi)康模哼M(jìn)一步驗(yàn)證單支撐的施工承載力和變形。

(2)試驗(yàn)內(nèi)容：利用反力架、千斤頂、壓力傳感器和測(cè)力計(jì)，進(jìn)行豎向加載，在單支撐上貼應(yīng)變片，頂點(diǎn)和中點(diǎn)放置位移計(jì)，如圖1所示，測(cè)出單支撐屈服承載力、極限承載力和變形。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

(3)測(cè)點(diǎn)布置：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，G，如圖2所示。

圖2 應(yīng)變片和位移計(jì)分布示意圖

(4)加載方案：先預(yù)加2 kN，持荷10 min后卸載，檢測(cè)試驗(yàn)裝置是否完備；再按每級(jí)2 kN正式加載，持荷2 min，當(dāng)加載至理論計(jì)算的容許承載力后，每級(jí)加載1 kN，每次持荷2 min，一直加至鋼支撐發(fā)生失穩(wěn)破壞；最后當(dāng)荷載加至測(cè)力計(jì)讀數(shù)上不去時(shí)，進(jìn)行卸載。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.7 m(3.1 m)立桿的頂點(diǎn)和中點(diǎn)位移變化如圖3(圖4)所示。

圖3 2.7 m立桿頂點(diǎn)、中點(diǎn)位移-荷載曲線

圖4 3.1 m立桿頂點(diǎn)、中點(diǎn)位移-荷載曲線

由圖3、圖4可知：

(1)曲線呈線性變化階段——非線性上升階段——較緩臺(tái)階段——峰值(最高點(diǎn))——下降階段，由此可知立桿在豎向荷載作用下，發(fā)生了三個(gè)變化階段，即彈性階段——彈塑性階段——破壞階段。

(2)17 kN(13 kN)是立桿彈性階段臨界點(diǎn)，此階段立桿水平和豎直位移均只發(fā)生微小變化。30 kN(20.5 kN)是彈塑性臨界點(diǎn)。32 kN(21 kN)是曲線最高點(diǎn)，隨后曲線呈下降趨勢(shì)，立桿變形加大，力卻在減小，說(shuō)明此荷載即為立桿的極限荷載。而將17 kN(13 kN)作為立桿的彈性臨界點(diǎn)，原因是：圖3(圖4)中位移曲線的0～17 kN(0～13 kN)階段各點(diǎn)兩兩之間的角度變化不大，該段曲線呈線性關(guān)系，此后各階段的曲線斜率發(fā)生明顯的偏差。

(3)頂點(diǎn)豎向位移與中點(diǎn)水平位移相差不大，誤差在13%～16%，最大誤差僅為16%，平均誤差為14%。這是相對(duì)合理的，故可通過(guò)中點(diǎn)水平位移來(lái)研究立桿的變形。

3 單支撐有限元模擬分析

3.1 模型建立

立桿為內(nèi)外套管式，φ60×2.2套管套住φ48×2.5插管，使用高度2.7 m，內(nèi)管開(kāi)孔直徑為15 mm，底座為120 mm×120 mm×3 mm，鋼管采用Q235B級(jí)鋼，材料參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 單支撐材料參數(shù)

根據(jù)以上工況，先創(chuàng)建部件，再定義立桿的材料和截面屬性。內(nèi)外管采用殼單元，連接部位通過(guò)耦合完成，立桿的頂部和底部是鉸接形式。創(chuàng)建完立桿的材料和截面屬性后，設(shè)置分析步，在鋼管頂部施加豎向集中荷載，一直加至鋼支撐達(dá)到極限狀態(tài)。

3.2 模擬結(jié)果

對(duì)立桿進(jìn)行后屈曲分析，失穩(wěn)變形如圖5所示。

圖5 立桿屈曲變形

(1)彈性荷載和極限荷載。模擬分析得到，立桿的彈性荷載臨界點(diǎn)為17.8 kN，彈塑性臨界點(diǎn)為31.6 kN，加至34 kN時(shí)，達(dá)到極限狀態(tài)，進(jìn)入破壞階段。

(2)位移值。中點(diǎn)荷載-位移曲線如圖6所示。

圖6 2.7 m和3.1 m立桿位移-荷載模擬曲線

3.3 結(jié)果分析

(1)對(duì)比圖3和圖6可知，模擬下的位移變化規(guī)律同試驗(yàn)，彈性階段、彈塑性階段和破壞階段的變形值相近，因此試驗(yàn)狀態(tài)接近理想狀態(tài)。

(2)17.8 kN(14.1 kN)是立桿彈性變形臨界點(diǎn)，此荷載下，立桿各點(diǎn)變形均很小，且呈線性變化，此時(shí)立桿能正常工作，隨后進(jìn)入彈塑性階段32.3 kN(21.4 kN)，極限荷載達(dá)到了34 kN(22.8 kN)，此時(shí)立桿開(kāi)始進(jìn)入破壞階段。

3.4 承載性能影響因素分析

通過(guò)ABAQUS模擬不同因素對(duì)立桿承載性能的影響，結(jié)果如下：

(1)支撐高度影響：3.3節(jié)對(duì)2.7 m和3.1 m立桿進(jìn)行了模擬，由圖6的結(jié)果可知,兩立桿的彈性承載力分別為17.8 kN和14.1 kN，極限承載力分別為34 kN和22.8 kN。高度增加15%，彈性承載力下降了21%，極限承載力下降了33%。因此支撐高度對(duì)早拆立桿的承載性能影響顯著。

(2)立桿壁厚影響：不同壁厚下立桿的變形如圖7所示。

圖7 壁厚2.5 m、3 mm和3.5 mm下位移-荷載曲線

由圖7可知,立桿的壁厚對(duì)承載力的影響是較大的，壁厚每增加0.5 mm，彈性承載力增大15%左右，約3 kN，因此立桿壁厚越厚，承載力越大，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)進(jìn)行材料質(zhì)量控制。

(3)初始偏心影響：施工時(shí)，立桿的內(nèi)外管，在連接部位可能因松動(dòng)導(dǎo)致立桿的軸線不在一條直線上，由此產(chǎn)生初始偏心，以偏心1/4/、1/2內(nèi)管直徑進(jìn)行模擬，變形結(jié)果如圖8所示。

圖8 偏心0、12 mm和24 mm下位移-荷載曲線

由圖8可知,偏心增加12 mm，彈性承載力降低40%左右，極限荷載也有所降低，彈性階段變形增大。因此，初始偏心對(duì)立桿承載力影響顯著：初始偏心越大，立桿的承載力就越小，屈曲變形越大，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)進(jìn)行安裝質(zhì)量控制。

4 理論值、試驗(yàn)值、模擬值對(duì)比分析

三者的對(duì)比見(jiàn)表2，如圖9所示(以2.7m立桿為例)。

表2 2.7m立桿理論值、試驗(yàn)值和模擬值對(duì)比

圖9 三種結(jié)果對(duì)比圖

由表2分析可知：

(1)豎向荷載下，承載力試驗(yàn)值為17 kN，模擬值為17.8 kN，模擬值與試驗(yàn)值的誤差僅為4.7%?，F(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)架體時(shí)垂直度會(huì)有偏差，一旦搭設(shè)誤差達(dá)到24 mm，承載力直降40%左右，且存在材料質(zhì)量誤差，而試驗(yàn)是理想的，故可將試驗(yàn)狀態(tài)下的彈性荷載折減70%后作為施工設(shè)計(jì)值，即為12 kN，而理論承載力為13.52 kN，說(shuō)明理論值偏高，且距離彈性臨界點(diǎn)17 kN較近。

(2)取折減70%作為設(shè)計(jì)荷載(即12 kN)，離破壞點(diǎn)(32 kN)還有63%，距離彈塑性臨界點(diǎn)(30 kN)還剩60%，有很大的安全余量，說(shuō)明12 kN是合理且安全的。

(3)對(duì)比試驗(yàn)下和模擬下立桿的彈性位移可知：兩種情況下的彈性變形相差不大，且均為超過(guò)0.9 mm，該變形是很小且相對(duì)安全的，立桿能正常工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)理論計(jì)算、試驗(yàn)研究、模擬分析，對(duì)早拆立桿的承載性能進(jìn)行了研究，主要有以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)對(duì)于φ60×2.2套管套住φ48×2.5插管的2.7 m(3.1 m)立桿，建議施工承載力設(shè)計(jì)值為12 kN(9 kN)。

(2)立桿的高度、壁厚、初始偏心等因素對(duì)立桿的承載力和穩(wěn)定性有顯著影響，施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制：立桿規(guī)格應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案布置，立桿垂直度應(yīng)控制在層高的1/300以?xún)?nèi)。

(3)在施工技術(shù)上，應(yīng)對(duì)施工人員進(jìn)行規(guī)范操作技術(shù)的培訓(xùn)，提高施工水平。