新型鋼木組合模板破壞性試驗

楊志剛, 李曉霞

(1.山東理工大學 建筑工程學院, 山東 淄博 255049；2.淄博職業學院 信息工程系, 山東 淄博 255000)

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新型鋼木組合模板破壞性試驗

楊志剛1, 李曉霞2

(1.山東理工大學 建筑工程學院, 山東 淄博 255049；2.淄博職業學院 信息工程系, 山東 淄博 255000)

為研究新開發的新型組合鋼模板的力學性能，制作了5塊試驗用板，分別進行了四種情況下的破壞性試驗，試驗得到了每種情況下的最大適用荷載，并對模板的加工改進和使用提出了建議.以框架柱組合模板為例，對其受力狀態進行了仿真模擬，得到了合理的柱箍支撐.

組合鋼模板; 破壞性試驗； 力學性能; 仿真模擬

設計開發了一系列新型鋼木組合模板模塊，它由金屬框架和木質面板構成，平均自重輕，每塊僅約25/m2，適合單個工人手工操作[1].模板可根據適用構件選擇不同的配模設計方案，橫豎方向都可以拼裝和任意組合，拼裝成不同尺寸的板面和整體模架，廣泛適用于混凝土矩形柱、梁、板、墻等各類構件.模板現場安裝時無需測量放線，切割、鉆孔、打釘固定等操作，模塊之間的拼裝全部聯接均為銷釘連接，拼裝、拆卸時只需一把小錘即可完成，能大幅降低成本和節省大量的勞動力，與傳統模板比有較大的優越性[2].

為了測試新開發模板的力學性能，本文設計了包括模板整體均布受壓的承載力等多項試驗、框內短鋼梁承載力試驗、框內通長鋼梁承載力試驗及兩塊模板連接處承載力等多項試驗，測試出了單模塊的最大適用荷載和變形值.并以常見的柱模板為例，進行了在允許荷載下的仿真模擬和計算，得到了施工時模板支撐的合理間距.為以后類似產品開發提供了數據支持.

1　試驗概況

試驗采用的模板型號為500×600，模板鋼框型號尺寸如下圖1所示，鋼材型號均為Q235，除邊框為異形鋼管外，其余鋼管均為矩形.焊接方式為鎢極惰性氣體保護焊，焊腳尺寸約2mm.試驗設備為30噸電子萬能試驗機及配套檢測變形設備.

圖1　單模塊尺寸

2　試驗過程及結論

2.1模擬模板整體均布受壓的承載力試驗

為模擬現場混凝土壓力荷載為面荷載的狀況，制作了500×500×20mm的鋼板作為加載面板，在框架的長跨方向下部放置鋼墊板條，用以模擬現場柱箍，裝置如圖2所示.試件破壞后的荷載變形曲線如圖3所示.圖3中曲線橫坐標為壓板豎向位移，豎坐標為加載力，由于模板面板在壓縮時會產生變形，曲線中的位移包含面板的壓縮變形.

圖2　均壓試驗裝置圖

圖3　均壓試驗荷載變形曲線

試驗初期，加載速度控制在0.05mm/min，力增長緩慢，當變形數值在3mm以前主要發生面板變形，當變形至5mm，加載力大約為25kN時，下部鋼梁最大變形約2mm，基本接近規范規定的變形限值2.4mm(L/250).此時鋼梁除了有輕微變形外，構件及焊接點未發生破壞.

試驗中期，加載速度控制在0.1mm/min，加載速度較快，試驗加載力和鋼梁變形繼續增加，當變形在11mm，試驗力約70kN時，荷載開始主要由模板兩端鋼管承受，中間的鋼板和模板之間出現明顯縫隙，表明中間鋼管已不受力，由于實際工程中混凝土為無剛度的液態，此時受力與實際工程已有差別..

試驗后期，加載速度控制在1mm/min，加載速度很快，此時荷載主要由鋼梁兩端承受，模板的受彎狀態變為剪切受力為主，承載能力繼續增加，當試驗力達到90kN時，支撐位置處鋼管開始發生變形，且變形隨著荷載的增加而加嚴重，直至破壞.

本次試驗中的最大加載量為120kN，內部鋼梁和焊縫沒明顯破壞(由于鋼板的剛度大，試驗后期模板中部受力較小)，破壞主要集中在支撐端部的局部受壓破壞，按模板技術規程，在滿足變形的前提下，每塊試驗模板的承載力定為20kN.

2.2框內短鋼梁承載力試驗

為檢測焊縫質量，對框內短梁施加線荷載，兩側通長梁下部放置鋼墊板，裝置如圖4所示，荷載變形曲線如圖5所示.

圖4　短鋼梁試驗裝置圖

圖5　鋼梁試驗荷載變形圖

試驗過程如下，加載速度控制在0.1mm/min，當加載力達到8kN，變形數值在0.8mm時，鋼梁主要發生整體變形，繼續加載時，由于鋼梁壁厚較薄，上部受壓面和側面開始出現局部變形，鋼材開始從彈性階段進入彈塑性階段，但荷載仍能繼續增加，焊縫質量保持完好.當試驗機荷載超過24kN以后，材料發生塑性流動，鋼梁形狀開始急劇變形，表現為被迅速壓扁.此時焊縫仍沒有破壞.當鋼材進入強化階段，鋼管變形逐漸變小，試驗力卻大幅增加，受力由主要焊縫承擔.直至發生最終破壞，破壞主要出現在通長鋼梁的焊縫邊緣側壁，表現為撕裂狀破壞，破壞圖詳圖6.

圖6　短鋼梁試驗破壞圖

試驗中的最大加載量為34kN，短鋼梁已經發生嚴重變形破壞，大部分焊縫沒明顯破壞，表明現有焊接工藝能滿足要求，試驗中同時發現，當焊縫端部有夾渣、裂縫缺陷時，容易首先在此處開裂，所以加工制作中要注意焊縫端部的質量.由于鋼管厚度明顯小于焊縫尺寸，連接破壞主要集中在與焊縫連接的鋼管表面，發生撕裂破壞.

2.3模板框內通長鋼梁承載力試驗

為測試模板框內通長鋼梁的承載力，模擬施工現場集中荷載的影響.試驗對象為兩根通長鋼梁，加載部位為跨中區域，為防止實驗發生局部受壓破壞，壓頭下加鋼壓板.荷載變形曲線如圖7.

圖7　通長鋼梁荷載變形圖

試驗過程如下，加載速度控制在0.1mm/min，當試驗力為2kN時,鋼梁變形主要是彈性變形，最大變形已達到規范允許值2mm.

在試驗力達到8kN之前，從圖7中可以看到，力和變形均增長較快，此時的變形主要包含兩部分，一是兩側鋼管的彈性變形，二是跨中鋼管的塑性變形.當荷載在8kN～24kN時，梁的變形非常明顯，主要包含梁的整體塑性變形和壓板下的鋼管的壓縮變形.當變形達到48mm時，由于鋼管變形過大，鋼管端部焊接處出現管壁撕裂，停止加載.最終破壞圖如圖8所示.

圖8　通長鋼梁試驗破壞圖

試驗結果表明，當施工現場有較重設備作為集中荷載施加于鋼梁時，每根鋼梁跨中最大荷載不應超過2kN,否則應采取相應的加固措施.

2.4兩塊模板連接處承載力試驗

本項目目的為測試兩塊模板連接處承載力，模擬施工現場當模板出現懸挑時的工況.試驗對象為兩塊模板通過兩個銷釘連接，每塊板每端懸挑300mm，跨度為600mm，加載部位為跨中區域，加載裝置如圖9所示.

圖9　模板連接承載力試驗裝置

由于模板支座處為擱置狀態，跨中加載時會出現較大變形，與實際施工時模板為多跨板的狀態不符，故曲線中的位移無參考價值.只需考慮破壞荷載值.試驗開始后，模板即有明顯變形，當荷載值達到6kN時，銷釘帽下面的鋼管開始出現局部壓縮變形，另側的插銷片產生彎曲，試驗結束后銷釘表面有明顯壓痕.

試驗結果表明，當模板出現懸挑時，銷釘插片和銷釘帽下的局部受壓區最容易出現損害的，所以.設計模板支撐時宜設在模板端部以減少懸挑，必須懸挑時長度不宜超過300mm.對墻、柱等側壓力較大部位不應懸挑.

3　合理支撐間距的模擬與選擇

3.1計算模型

矩形柱模板的設計尺寸：長2400mm寬500mm，如圖10所示.

(1)模板尺寸　　　　　　　　　　(2)計算模型圖10　柱模板尺寸及計算模型

根據JGJ162-2008公式4.1.1-1 得現澆混凝土的模板側壓力為

F=0.22×24×5.71×1.2×1.0×

根據JGJ162-2008公式4.1.1-2得現澆混凝土的模板側壓力為

F=24×3=72kN/m

取其最小值，最終選取72kN/m為新澆筑混凝土側壓力值[3].考慮傾倒混凝土時活荷載，按JGJ162-2008第4.3節進行組合，結構重要性系數按照0.9，考慮永久荷載控制的效應組合，按公式4.3.1-4.得出計算側壓力設計值圖如圖10所示.

3.2MIDAS GEN仿真模擬結果

采用有限元分析軟件MIDASGEN對計算模型進行建模分析，經多次試算和優選，當支撐豎向間距為400/500/500/500/500時，模板的最大側向變形值0.442mm，滿足模板規范變形0.5mm要求[4]，鋼梁最大彎曲應力值為198Mpa，基本滿足鋼梁強度215Mpa要求[5].詳細分析結果如圖11所示.

(a)側面變形(mm)　　　　　(b)鋼梁應力Mpa圖11　柱模板仿真模擬計算結果

3.3合理支撐間距

選取矩形柱模板柱箍布置間距為400×500×500×500mm.如圖12所示.

圖12　合理的模板支撐間距圖

4　結論

1)當模板整體均布受壓的承載力時，在滿足變形的前提下，每塊試驗模板的承載力定為20kN.

2)短梁試驗中的最大加載量為34kN，焊縫強度明顯高于梁本身，表明模板的現有焊接工藝能滿足要求，破壞主要集中在與焊縫連接的鋼管表面，發生撕裂破壞.加工時要特別注意焊縫起始端的焊接質量.

3)施工現場有集中荷載作用于鋼梁時，最大數值不應超過2kN,否則應采取相應的加固措施.

4)荷載達到單模板設計限值時，鋼號應提高到Q345.

5)通常施工荷載情況下，柱、墻模板的支撐合理間距為400/500/500/500/500.

[1]王潤蓬.全鋼大模板技術在高層結構施工中的應用[J].建筑， 2016(1)：73-74.

[2] 翟忠保.定型鋼模板在鳳鳴水電站飾面清水混凝土施工中的應用[J].水電與抽水蓄能，2015，1(4)：19-22.

[3]中華人民共和國建設部.JGJ162-2008 建筑施工模板安全技術規范[S].

[4] 中華人民共和國建設部.GB5024-2015 混凝土結構工程施工驗收規范[S] .

[5]中華人民共和國建設部.GB50017-2003 鋼結構設計規范[S] .

(編輯：劉寶江)

Destructive test study of new type steel and wood composite formwork

YANG Zhi-gang1, LI Xiao-xia2

( 1. School of Civil and Architecture Engineering， Shandong University of Technology, Zibo 255049， China;2.DepartmentofInformationEngineering,ZiboVacationalCollege,Zibo255000China)

Fivetestformworkswerefabricatedinordertostudythemechanicalpropertiesofthenewcombinedsteelformwork.Destructivetestswerecarriedoutinfourcases.Themaximumapplicableloadforeachcaseisobtained.Andthesuggestionontheimprovementanduseoftheformworkissuggested.Withthecombinationofframecolumnformworkasanexample,analoguesimulationresearchofthestressstatewasconducted,thereasonablesupportcolumnhoopisobtained.

steelandwoodcompositeformwork;destructivetest;themechanicalproperties;analoguesimulation

2016-03-11

楊志剛，男，sdglyzg@126.com

1672-6197(2016)06-0058-05

TU746. 3

A