拼裝式桁架模板支撐體系力學性能試驗研究

夏 丹

(同圓設(shè)計集團有限公司，山東 濟南 250101)

目前我國建筑業(yè)使用的模板支撐體系主要有扣件式支撐體系、碗扣式支撐體系、門式模板支撐體系等柱式支撐體系[1-3]。其中扣件式腳手架模板支撐體系的應用最為廣泛。扣件式腳手架模板支撐體系雖然構(gòu)造簡單、使用成本較低，但搭設(shè)時費材、費時，施工質(zhì)量受人為影響大，腳手架模板支撐體系坍塌事故更是時有發(fā)生。基于以上不足，提出了一種新型的拼裝式桁架模板支撐體系。本文就該體系的基本單元、構(gòu)造要求、計算分析和足尺結(jié)構(gòu)試驗等方面進行研究，以期能在實際工程中有所應用。

1 新型拼裝式桁架模板支撐體系

拼裝式桁架模板支撐體系包括豎向桁架單元、水平桁架單元和其他配件三部分，如圖1所示。在豎向通過片狀豎向桁架單元上下套接，并在垂直豎向桁架單元的方向通過橫桿承插連接，在結(jié)構(gòu)的梁模板下形成穩(wěn)定的拼裝式豎向桁架；在水平向通過水平桁架單元和桁架單桿螺栓拼接連接形成拼裝式水平桁架，通過變換水平桁架單元類型和組合工況調(diào)節(jié)其跨度，使之滿足兩端桁架式豎向支撐之間板區(qū)模板的支模需求。該支撐體系通過桁架式豎向支撐和水平桁架相互配合，形成穩(wěn)定的梁板模板支撐體系。

1.1 桁架單元概述

拼裝式豎向桁架由片狀豎向桁架單元、構(gòu)造斜撐、水平橫桿和頂部托撐組成。片狀豎向桁架單元根據(jù)高度不同可分為Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型3種型號。各型號桁架單元可通過連接套筒和定型橫桿套插連接形成空間豎向桁架體系。設(shè)置構(gòu)造斜撐用以保證架體的桁架單元平面外穩(wěn)定。桁架頂端設(shè)置頂部托撐用以微調(diào)設(shè)計高度。拼裝式水平桁架由兩種不同形式的水平桁架單元、單桿和端桿組成。水平桁架單元根據(jù)跨度不同分為Ⅰ型、Ⅱ型2種型號。在兩榀Ⅱ型水平桁架單元拼接時，單桿用于連接其下弦桿。端桿用以連接水平桁架和豎向桁架，并可以調(diào)整拼裝式水平桁架的跨度。豎向和水平桁架單元見圖2。

1.2 體系裝配

拼裝式桁架模板支撐體系可通過豎向和水平向不同的模數(shù)變化以滿足不同結(jié)構(gòu)的支模需求，體系化程度高、搭拆方便，其簡潔、高效的全拼裝形式極大地提高了現(xiàn)場支模速度。拼裝式桁架模板支撐體系某組裝工況見圖3。

2 試驗性能研究

對新型拼裝式桁架模板支撐體系的試驗研究包括對基本單元構(gòu)件的試驗研究和對組裝后構(gòu)件的試驗研究。

2.1 桁架單元承載力試驗

桁架單元均采用靜力試驗方法[4]。在豎向桁架單元頂部設(shè)置分配梁并施加集中荷載。Ⅰ型水平單元一端固定于反力墻，另一端施加集中荷載；Ⅱ型水平單元兩端簡支，在跨中施加集中荷載。試件需施加的集中荷載均在試驗前由SAP2000計算得到。桁架單元的試驗結(jié)果見表1。試驗破壞現(xiàn)象見圖4。豎向桁架單元試件均產(chǎn)生立桿受壓平面外側(cè)向失穩(wěn)現(xiàn)象，說明豎向桁架單元的承載力受立桿截面控制。Ⅰ型和Ⅱ型水平桁架單元均產(chǎn)生端腹桿失穩(wěn)和螺栓連接板破壞現(xiàn)象，分析可知水平桁架單元的承載力受端腹桿截面控制。因此適當增加腹桿截面可提高試件承載力。由表1可知，試件的理論值和試驗值基本吻合，但由于加載偏心和試件初始缺陷等原因，試驗值與理論值均存在小幅差異；各試件承載力試驗值均大于2倍使用荷載，試件承載力滿足工程使用要求。

表1 桁架單元試件承載力分析 kN

2.2 拼裝式水平桁架承載力試驗

拼裝式水平桁架試件由2榀Ⅱ型水平桁架單元和1根桁架單桿通過螺栓連接而成。在試件上弦節(jié)點處分級施加豎向集中力20 kN。在桁架單桿跨中處和試件支座處布置3個百分表監(jiān)測試件撓度變化。為避免試件上弦桿受壓側(cè)向失穩(wěn)，在其跨中節(jié)點處設(shè)置側(cè)向支撐。應變片和百分表布置見圖5。試驗整體裝置見圖6。

當千斤頂加載分別至41.9 kN和43.7 kN時，兩榀試件的桁架單桿端板螺栓滑絲，發(fā)出較大聲響，下弦跨中豎向位移明顯增大；分別繼續(xù)加載至50.9 kN和49.1 kN時，桁架單桿端板螺栓再次滑絲，螺母脫離，端板脫開，上弦桿端板連接處焊縫撕裂，構(gòu)件整體破壞，如圖7所示。

采用軟件SAP2000對試驗試件進行有限元分析。試件承載力、桁架單桿內(nèi)力與試驗值的比較見表2。跨中位置撓度與荷載的關(guān)系曲線見圖8。由表2可以看出，構(gòu)件試驗值略低于理論值，但相差不大。原因是構(gòu)件制作存在初始缺陷，試驗加載過程中也很難保證千斤頂、分配梁和構(gòu)件三者豎向軸線始終對齊，加載偏心產(chǎn)生的不利影響在所難免。構(gòu)件承載力試驗平均值大于2倍使用荷載，滿足工程要求。由圖8可知，除去最后一個加載級，試件荷載—位移曲線的SAP2000理論分析值和試驗值基本相符，但試驗值略大，這同樣是試件初始缺陷和加載偏心導致。在最后一個加載級，由于單桿與桁架單元連接破壞，導致試件位移突然增大，而有限元分析結(jié)果沒有類似現(xiàn)象。因此增強水平桁架單元的連接強度可進一步提高組合式水平桁架的承載力并減小其變形。

表2 拼裝式水平桁架承載力分析 kN

3 結(jié)語

基于扣件式腳手架模板支撐體系搭設(shè)繁瑣，施工質(zhì)量不易保證，安全性能低的缺點，提出一種基于模數(shù)化桁架單元的拼裝式桁架模板支撐體系，詳細介紹了該體系的桁架單元及連接構(gòu)件，并對桁架單元和拼裝式水平桁架進行了承載力試驗。結(jié)果表明：1)豎向及水平桁架單元的承載力受其腹板截面控制；基于尺寸優(yōu)化設(shè)計適當提高腹桿截面，可提高桁架單元的承載能力。試件承載力試驗值大于2倍使用荷載，滿足工程使用要求。2)拼裝式水平桁架的破壞集中在水平桁架單元下弦螺栓節(jié)點，主要表現(xiàn)為螺栓滑絲和端板焊縫撕裂。加強節(jié)點可有效提高其承載力。拼裝式水平桁架承載力滿足工程要求，可應用于建筑工程施工。