扣件式模板支撐架剪刀撐受力特征現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究*

宮廣娟，牛學(xué)超

(1.北京財(cái)貿(mào)職業(yè)學(xué)院，北京 101101； 2.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100042)

0 引言

扣件式模板支撐架的剪刀撐分為水平剪刀撐和豎向剪刀撐，由于桿件連接節(jié)點(diǎn)的特殊性致使其受力狀況較復(fù)雜，目前大都按照半剛性連接進(jìn)行分析，除數(shù)值計(jì)算以外，工程應(yīng)用中設(shè)計(jì)計(jì)算較少，相關(guān)規(guī)范中也無剪刀撐的計(jì)算校核要求[1-2]。部分工程技術(shù)人員對(duì)模板支撐架剪刀撐受力特點(diǎn)認(rèn)識(shí)不足且對(duì)規(guī)范理解不透，只是機(jī)械地按規(guī)范要求設(shè)置，導(dǎo)致剪刀撐布置不甚合理。有些現(xiàn)場(chǎng)模架安裝工人對(duì)模架剪刀撐的作用不甚重視，安裝時(shí)出現(xiàn)剪刀撐桿件不連續(xù)、剪刀撐與立桿或水平桿連接點(diǎn)較隨意等情況。為此，通過對(duì)危大工程模板支撐架剪刀撐受力的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，獲得架體桿件測(cè)點(diǎn)的真實(shí)受力數(shù)據(jù)并加以分析，為工程技術(shù)人員布置剪刀撐位置、專家學(xué)者分析剪刀撐受力特征提供參考，為現(xiàn)場(chǎng)正確安裝剪刀撐提供理論依據(jù)。

1 工程概況

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工地位于北京市副中心，工程為某醫(yī)院地下停車庫直線加速器機(jī)房，采用短鋼管結(jié)合扣件式模板支撐架支護(hù)方式。地下停車場(chǎng)和機(jī)房工程包括地下3層，擬施工工程為機(jī)房地下2層頂板，厚度為1.5m，局部達(dá)2.8m，自重達(dá)76.6kN/m2，施工總荷載>15kN/m2，屬于危險(xiǎn)性較大的模板支撐體系。試驗(yàn)針對(duì)機(jī)房地下2層1.5m厚混凝土板澆筑施工期間板下模板支撐架受力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

此區(qū)域地下3層機(jī)房頂板厚度與地下2層相同，其他部分為250，300mm，已施工完成，混凝土強(qiáng)度已達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%。為保證該區(qū)域地下3層頂板結(jié)構(gòu)安全，避免因2層結(jié)構(gòu)自重及施工荷載較大產(chǎn)生裂縫，將地下3層對(duì)應(yīng)區(qū)域支撐架全部拆除卸載，然后再進(jìn)行加固回頂，保證上、下立桿對(duì)應(yīng)，使上部荷載沿支撐立桿傳遞至基礎(chǔ)。地下3層頂板回頂架體采用扣件式模板支撐架支撐，鋼管桿件規(guī)格為φ48×3.0，立桿間距450mm×450mm，步距為600mm，掃地桿高度為200mm，上下對(duì)應(yīng)布置。在架體外側(cè)周邊及內(nèi)部，每隔3.0～3.2m跨度設(shè)置由底至頂連續(xù)式豎向剪刀撐，并在豎向剪刀撐部位的頂部、掃地桿處設(shè)置連續(xù)水平剪刀撐，架體采用鋼管與周圍框柱每?jī)刹嚼Y(jié)固定。地下2層板下模板支撐架的布置與地下3層規(guī)格相同。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 測(cè)點(diǎn)位置

整個(gè)工程布置A，B 2個(gè)測(cè)區(qū)，測(cè)區(qū)A用于混凝土澆筑期間的安全監(jiān)測(cè)，測(cè)區(qū)B用于模架桿件受力特征監(jiān)測(cè)，本文僅分析測(cè)區(qū)B桿件受力特征。在測(cè)區(qū)B的地下2層和地下3層板下模板支撐架立桿、水平剪刀撐和豎向剪刀撐具有代表性的受力部位布置測(cè)點(diǎn)，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)剪刀撐受力狀況。由于地下3層支撐屬于回頂，頂板傳遞至下方模架上的荷載較小但較均勻；地下2層為混凝土澆筑層，荷載直接施加在模架上，承受的荷載較大但分散性可能較大。監(jiān)測(cè)區(qū)域地下2層和地下3層模架桿件布置上下對(duì)應(yīng)，地下3層測(cè)位布置如圖1所示。

在2根立桿上布置2個(gè)測(cè)位3L1，3L2，2根水平剪刀撐上布置2個(gè)測(cè)位3SC1，3SC2，架體東側(cè)豎向剪刀撐上布置1個(gè)測(cè)位3LC1，架體北側(cè)豎向剪刀撐上布置1個(gè)測(cè)位3LC2。符號(hào)中3代表地下3層，1個(gè)測(cè)位布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)。

2.2 監(jiān)測(cè)儀器和方法

采用自行研制的MTS-1型模架遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集儀、振弦式應(yīng)變傳感器、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸4G模塊等部分組成。測(cè)區(qū)A采用部分振弦式應(yīng)變傳感器和應(yīng)變片采集數(shù)據(jù)，測(cè)區(qū)B采用應(yīng)變片采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通過近程無線方式傳送至計(jì)算機(jī)，由軟件記錄并實(shí)時(shí)顯示采集數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)曲線?；炷翝仓陂g采用了2～5s數(shù)據(jù)采集頻率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為合理分配采集通道，同一臺(tái)采集儀有可能既采集地下2層應(yīng)變數(shù)據(jù)，又采集地下3層應(yīng)變數(shù)據(jù)。按照1/4橋接法連接應(yīng)變片，采用外接補(bǔ)償片消除溫度對(duì)監(jiān)測(cè)應(yīng)變數(shù)據(jù)的影響。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

地下2層和地下3層桿件測(cè)點(diǎn)應(yīng)變曲線分別如圖2，3所示。圖中2L1-1，2SC1-1，2LC1-1分別代表對(duì)應(yīng)測(cè)位立桿北側(cè)、水平剪刀撐上側(cè)和豎向剪刀撐上側(cè)應(yīng)變監(jiān)測(cè)值，2L1-2，2SC1-2，2LC1-2分別代表其立桿南側(cè)、剪刀撐下側(cè)和豎向剪刀撐下側(cè)應(yīng)變監(jiān)測(cè)值。以此類推，其他測(cè)點(diǎn)測(cè)到的應(yīng)變值分別代表立桿南、北兩側(cè)或剪刀撐上、下2點(diǎn)值。監(jiān)測(cè)時(shí)間為澆筑混凝土前至澆筑混凝土結(jié)束，選取的數(shù)據(jù)為06-09 08:47—23:00采集的應(yīng)變值。

圖2 地下2層桿件測(cè)點(diǎn)應(yīng)變曲線

3.1 分析理論

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)僅監(jiān)測(cè)到各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變片的應(yīng)變值，分析桿件受力時(shí)需采用桿件內(nèi)力，為此，需將監(jiān)測(cè)的應(yīng)變值轉(zhuǎn)換為桿件軸力和彎矩。根據(jù)電橋法監(jiān)測(cè)應(yīng)變的原理[3]，假設(shè)桿件為偏心受壓桿，在桿件的相對(duì)兩側(cè)粘貼應(yīng)變片測(cè)到的應(yīng)變值分別為ε1，ε2，由軸力引起的壓桿應(yīng)變?yōu)棣舙，由偏心力引起的壓桿應(yīng)變?yōu)棣舖，則有：

ε1=εp+εm

(1)

ε2=εp-εm

(2)

由式(1)，(2)得：

εp=(ε1+ε2)/2

(3)

εm=(ε1-ε2)/2

(4)

壓桿最大彎矩正應(yīng)力和內(nèi)力為[4]：

M=WEεm

(5)

N=AEεp

(6)

式中：W為壓桿彎曲截面系數(shù)；E為壓桿彈性模量；A為壓桿截面面積。

3.2 結(jié)果分析

各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變曲線可反映測(cè)點(diǎn)應(yīng)變隨時(shí)間的變化關(guān)系，但仍然不利于比較測(cè)點(diǎn)所在桿件內(nèi)力。為此，選取應(yīng)變較為顯著時(shí)間的各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值，利用公式(5)，(6)計(jì)算測(cè)點(diǎn)內(nèi)力值，列表予以比較較為合理。由于監(jiān)測(cè)過程中測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值不穩(wěn)定，選取較短時(shí)間內(nèi)某點(diǎn)應(yīng)變平均值作為該點(diǎn)在某個(gè)時(shí)刻的應(yīng)變值加以比較。本文選取時(shí)序?yàn)?6-09 21:00:05—01:45采集的10組數(shù)據(jù)平均值作為內(nèi)力計(jì)算的依據(jù)，如表1所示。受壓時(shí)應(yīng)變?yōu)檎?，受拉時(shí)應(yīng)變?yōu)樨?fù)；軸力受壓時(shí)為正，受拉時(shí)為負(fù)；桿件向下、向右彎曲時(shí)彎矩為正，向上、向左彎曲時(shí)為負(fù)。

3.2.1桿件受拉分析

由表1可知，個(gè)別桿件1個(gè)測(cè)位2個(gè)應(yīng)變片監(jiān)測(cè)到的應(yīng)變值有正有負(fù)，如地下2層的豎向剪刀撐測(cè)位2LC1上側(cè)測(cè)點(diǎn)為正，下側(cè)測(cè)點(diǎn)為負(fù)，說明桿件偏心受壓。有些桿件1個(gè)測(cè)位2個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值均為負(fù)，如地下3層的水平剪刀撐測(cè)位3SC1，說明桿件屬于受拉狀態(tài)。通過公式(5)，(6)計(jì)算的桿件軸力和彎矩，也表現(xiàn)出有正有負(fù)，如地下3層立桿2測(cè)位3L2和地下3層水平剪刀撐測(cè)位3SC1軸力均為負(fù)。一般認(rèn)為當(dāng)模架澆筑混凝土?xí)r立桿和其他桿件應(yīng)受壓，表現(xiàn)軸心壓力為正值。這與模架上方澆筑混凝土位置有關(guān)，澆筑混凝土過程中模架桿件變形如圖4所示(圖中實(shí)線代表澆筑混凝土前模架桿件未變形的位置，虛線代表澆筑混凝土過程中模架桿件位置)。

圖4 模架受力變形

由圖4可知，當(dāng)右側(cè)澆筑混凝土?xí)r，或者左側(cè)已經(jīng)完成混凝土澆筑而右側(cè)屬于后澆混凝土，后澆混凝土重量較左側(cè)大時(shí)，其下方立桿均屬于受壓狀態(tài)，左側(cè)立桿有可能出現(xiàn)受拉狀態(tài)。而左右兩側(cè)的水平桿、水平剪刀撐和豎向剪刀撐受力更復(fù)雜，均有可能出現(xiàn)受拉狀態(tài)。

3.2.2不同位置桿件受力分析

由表1可知，地下2層桿件承受的軸力和彎矩整體比地下3層大。如地下2層豎向剪刀撐軸力是地下3層的2倍多，彎矩是地下3層的3～7倍；地下2層的水平剪刀撐軸力約是地下3層的12倍，彎矩約是地下3層的24倍，這與地下3層頂板已經(jīng)完成混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)有關(guān)，這里體現(xiàn)出厚板(1.5m)條件下上層混凝土澆筑對(duì)下層模架的影響特征，據(jù)此可合理設(shè)計(jì)下層模架支撐強(qiáng)度，也可根據(jù)后續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定下層模架拆架時(shí)間。

同一層模架不同方向的豎向剪刀撐承受的軸力和彎矩相差較大。無論是地下2層還是地下3層，東側(cè)豎向剪刀撐均比北側(cè)豎向剪刀撐內(nèi)力大。例如，地下2層?xùn)|側(cè)豎向剪刀撐軸力和彎矩分別為北側(cè)的2.2，9.4倍；地下3層?xùn)|側(cè)豎向剪刀撐的軸力和彎矩分別為北側(cè)的2.7，4.0倍，通過現(xiàn)場(chǎng)查看可知，北側(cè)有模架抱柱而東側(cè)無。因此，增加抱柱或連墻桿可減小模架側(cè)面豎向剪刀撐內(nèi)力。

3.2.3水平剪刀撐受力分析

水平剪刀撐不僅起到構(gòu)造作用，而且起到承受荷載的作用。表1中地下2層水平剪刀撐(2SC1)承受的軸力和彎矩分別約為19N，230N·m，既起到構(gòu)造作用，又起到承受荷載作用；地下3層水平剪刀撐(3SC1)承受的軸力和彎矩分別約為1.5N，9.4N·m，與其他桿件相比較小，主要起到構(gòu)造作用。從長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)果和相關(guān)資料分析，2個(gè)水平剪刀撐中間位置的立桿往往變形較大[5-6]，增加水平剪刀撐數(shù)量，可顯著減少立桿水平位移，因此，水平剪刀撐的設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量是模架安全的重要保障。

4 結(jié)語

1)模板支撐架各類桿件內(nèi)力有正有負(fù)，說明桿件有可能受壓也可能受拉。桿件受拉對(duì)支撐體系受力平衡不利，往往是由于不均衡澆筑混凝土導(dǎo)致。因此，樓層澆筑混凝土，特別是澆筑大體積混凝土?xí)r，要合理設(shè)計(jì)混凝土澆筑順序。

2)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用連墻桿或抱柱連接的模架側(cè)面豎向剪刀撐內(nèi)力較小，因此，施工時(shí)應(yīng)盡量采用連墻桿或抱柱固定模板支撐架，否則必須在無連接架體側(cè)面加強(qiáng)豎向剪刀撐設(shè)置。

3)扣件式模板支撐架水平剪刀撐是構(gòu)造桿件，也有可能是受力桿件，在模架穩(wěn)定性方面起到極為重要的作用。在模架設(shè)計(jì)和施工時(shí)，應(yīng)充分重視，在模架數(shù)值計(jì)算確定參數(shù)時(shí)要合理設(shè)置。

由于受現(xiàn)場(chǎng)條件和儀器通道數(shù)量的限制，本試驗(yàn)設(shè)置測(cè)點(diǎn)較少，結(jié)論僅作為本次試驗(yàn)桿件受力分析特征，如果探討模架剪刀撐的受力規(guī)律，本文只能作為參考，后續(xù)還需完成更多現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。