一種裝配式懸挑輕鋼模架施工平臺受力性能分析*

楊兆源，曹萬林，郭利明，張鵬勃，殷 飛，趙 博

(1.北京工業大學城市建設學部，北京 100124；2.中交第四公路工程局有限公司，北京 100022)

0 引言

“十三五”以來我國出臺系列政策促進裝配式建筑發展[1]。裝配式混凝土剪力墻結構在中高層住宅中開始推廣應用[2]。研發適用于裝配式剪力墻結構的施工平臺體系，對于推進裝配式剪力墻結構的發展十分重要[3]。

目前常見的中高層建筑結構施工平臺包括腳手架體系[4-6]、爬架施工體系[7-8]、液壓頂升施工平臺[9]及附著式升降施工平臺[10]等。傳統腳手架體系堆場面積大、場地資源浪費；裝配效率低，建造成本高；在高層建筑應用中桿件長細比較大，結構失穩風險較高[11]。爬架施工體系、液壓頂升施工平臺及附著式升降施工平臺雖克服了傳統腳手架體系安全風險高、場地占用率高及材料浪費等缺點，但其構造復雜、連接節點施工難度大、施工精度要求高、建造和運營成本較高。

劉樹寶[12]提出懸挑支撐施工平臺體系，為裝配式剪力墻結構施工平臺設計提供了參考。殷粉芳等[13]提出工字鋼斜撐系桿與鋼梁懸挑結構組合而成的施工平臺，可有效解決中高層結構懸挑部件的施工問題。許嚴峰等[14]在高空景觀懸挑陽臺施工中，采用斜拉空間桁架體系構成施工平臺上部懸挑模架系統，解決高空大懸挑結構的施工問題。王兵等[15]采用型鋼三角支撐體系作為施工平臺主要受力結構，采用高空懸挑支模施工89.300m標高處的梁板結構，工程效果良好。鄭麗芬[16]采用斜拉鋼筋施工平臺進行高空懸挑結構支模體系的施工，其中斜拉鋼筋懸挑型鋼施工平臺為主要受力構件，并采取可靠加固措施，形成高空懸挑現澆混凝土結構的支模體系。

目前，國內外部分學者對懸挑支撐施工平臺進行了計算分析，Liu等[17]在簡化力學模型的基礎上提出立體計算模型，結合各構件剛度分布規律對荷載分布及結構彎矩的影響，研究施工荷載與結構剛度變化。Huang等[18-19]提出模板支撐體系承載力計算方法，進行相關試驗研究，并根據實測結果對模擬結果進行修正。Yu等[20-21]通過試驗和模擬研究，對門式支撐鋼架的受力性能進行探索，建立有限元模型，評估支撐鋼架在理想邊界下的極限承載能力。

1 裝配式懸挑輕鋼模架施工平臺

本文依托實際工程，研發一種適用于裝配式混凝土剪力墻結構的新型懸挑輕鋼模架施工平臺體系，如圖1所示。該施工平臺體系由輕鋼模架支撐系統、輕鋼模架與剪力墻連接系統及模架施工平臺防護系統構成。

圖1 懸挑輕鋼模架施工平臺體系

輕鋼模架支撐系統為施工平臺的主要支撐傳力結構，是由方鋼管焊接形成的三角形輕鋼桁架(簡稱“三角架”)，方管截面尺寸均為100mm×100mm×4mm，主要承擔上部結構的恒荷載、施工活荷載及側向荷載。輕鋼模架與剪力墻連接系統由2個高強螺栓附墻節點組成，采用M24 S10.9高強螺栓連接三角架與混凝土剪力墻，附墻節點主要承擔上部結構產生的剪力和彎矩。模架施工平臺防護系統由腳手架框架、外掛密目網及施工模板等構成，主要起防護作用，防止施工人員及器械高空墜落，由于外掛密目網的存在，防護系統外側會產生風荷載作用。

對該平臺體系結構進行受力性能計算分析，建立懸挑輕鋼模架施工平臺體系的簡化力學分析模型，計算該結構的彈性極限承載能力，進行正常使用狀態下結構受力安全性驗算；建立受力結構的有限元模型，進行數值模擬，分析該施工平臺體系的損傷過程、破壞特征及彈性極限承載力。結果顯示，數值模擬結果與簡化力學分析模型計算結果基本一致。

2 力學模型與承載力計算

2.1 力學模型

假定上部附墻節點、下部附墻節點為鉸接；三角架桿件均焊接連接，其連接節點為剛接；腳手架桿連接節點為剛接；風荷載以均布荷載形式作用在腳手架框架上；腳手架自重以集中荷載形式作用在三角架連接節點上。輕鋼模架施工平臺受力分析模型如圖2所示。

圖2 簡化力學分析模型

2.2 承載力計算

懸挑輕鋼模架施工平臺的主要受力結構為三角架，上部安全圍護體系僅起圍護作用，并不直接承擔豎向荷載。因此，懸挑輕鋼模架施工平臺的彈性極限承載力由三角架的承載能力決定。三角架的承載力控制截面為：①上部螺栓連接節點處三角架豎桿截面，該截面處于壓、彎、剪復合受力狀態，易發生強度破壞；②三角架斜桿桿端截面，該桿件處于壓彎狀態，易發生失穩破壞。計算得到三角架達到彈性極限狀態時的內力，如圖3所示。

圖3 彈性極限狀態下三角架內力

三角架橫桿所受均布恒荷載與施工活荷載設計值之和為114.5kN/m時，上部螺栓連接節點處三角架豎桿截面達到最大抗彎承載力，即處于彈性極限狀態，計算如下：

(1)

經驗算[22]，彈性極限狀態下，除三角架斜桿外，其余桿件及螺栓均處于彈性工作狀態。由式(2)，(3)驗算可知，上部螺栓連接節點處三角架豎桿達到彈性極限狀態時，三角架斜桿會發生失穩破壞。

(2)

(3)

3 有限元模擬

3.1 有限元模型

建立有限元模型，如圖4所示。模型中鋼管及混凝土均采用8結點線性縮減積分三維實體單元(C3D8R)，鋼筋采用桁架單元(T3D2)。鋼材本構關系采用理想彈塑性模型，混凝土采用損傷塑性模型來模擬剪力墻板的受力性能。鋼筋骨架嵌入混凝土墻體中；螺栓套筒與混凝土墻體采用綁定約束；高強螺栓與混凝土墻體的連接采用通用接觸，可自動選擇接觸面。

圖4 有限元模型

3.2 模擬結果

三角架破壞數值模擬結果如圖5所示。由圖5可知，懸挑輕鋼模架施工平臺達到承載能力極限狀態過程中，主要破壞位置為三角架豎桿及斜桿。①彈性階段 三角架橫桿與豎桿焊接節點、斜桿與豎桿焊接節點出現應力集中現象，以上部位鋼管最先進入屈服狀態。②彈塑性階段 上部螺栓連接節點處三角架豎桿受壓彎作用發生局部屈曲，三角架斜桿與豎桿焊接位置發生鋼管壁屈曲，斜桿發生失穩破壞。③破壞階段 三角架最終破壞形態為上部螺栓連接節點處三角架豎桿截面屈服并出現局部屈曲，三角架斜桿鋼材屈服并出現整體彎曲變形，斜桿受壓彎作用失穩破壞。

圖5 三角架破壞過程

螺栓連接節點在三角架達到彈性極限承載能力時仍處于彈性階段，高強螺栓未屈服，墻體混凝土和鋼筋基本處于彈性狀態。

通過有限元分析得到施工均布荷載P與三角架橫桿桿端撓度Δ的關系曲線，如圖6所示。

圖6 P-Δ關系曲線

當Δ<30.99mm時，結構處于彈性階段，該階段三角架橫桿與豎桿焊接位置、斜桿與豎桿焊接位置出現應力集中現象；當30.99mm<Δ<60mm時，平臺結構進入彈塑性階段；當Δ>60mm后，平臺結構進入破壞階段。由模擬結果得出三角架彈性極限荷載為105.23kN/m，與簡化力學分析模型計算所得彈性極限承載力114.5kN/m較接近，相差8.1%。

4 結構驗算

4.1 驗算單元選取

選擇最高的一段懸挑輕鋼模架施工平臺進行驗算，懸挑支撐平臺搭設規則為：①三角架橫桿頂面與各層樓地面標高相同；②相鄰三角架間距為3 300mm； ③腳手架框架內、外側豎桿水平間距為1.20m，橫向間距為1.65m；④腳手架橫向系桿間距為1m。施工平臺起始標高為23.200m，頂部標高為25.200m，搭設總跨度為25.20m。選擇其中1個三角架及其左右1 650mm范圍為1個驗算單元，如圖7所示。各部件截面選型及材料強度等級如表1所示。

圖7 驗算單元

表1 各部件截面選型及材料強度等級

4.2 荷載計算與受力分析

4.2.1荷載計算

懸挑輕鋼模架施工平臺所承擔荷載主要為結構自重、施工裝修荷載及風荷載。計算單元范圍內結構自重為4 251.4kN，結構施工荷載標準值qk為3.0kN/m2。

1)風荷載計算[23]①標高25.200m處陣風系數βz=1.9；②查表[24]知擋風系數Φ=0.089，故擋風面積為3.3×2×0.089=0.59m2，且2 000目/100cm2安全網擋風系數Φ=0.5，可求綜合擋風面積An=(3.3×2-0.59)×0.5+0.59=3.60m2，綜合擋風系數Φn=An/Aw=3.595/(3.3×2)=0.544；③風壓高度變化系數按大城市市區C類地面粗糙度，在標高25.200m處取值為μz=0.88；④北京地區基本風壓ω0=0.45kN/m2(50年重現期)，則外架在標高為25.200m處的風荷載標準值ωk=βzμsμzω0=1.9×1.3×0.544×0.88×0.45=0.53kN/m2，μs=1.3Φ=1.3×0.544。

2)荷載設計值 均布荷載組合設計值N=(1.2ΣNGK+1.4ΣNQK)/L=16.72kN/m；風荷載組合設計值Fw=0.85×1.4×0.53×3.3=2.08kN。

4.2.2結構受力分析

平臺結構正常使用狀態下的內力如圖8所示。

圖8 結構正常使用狀態內力

由圖8可知，外側腳手架豎桿、三角架斜桿及豎桿為壓彎桿件，內側腳手架豎桿、腳手架水平系桿及三角架橫桿為拉彎桿件。因此，對三角架斜桿進行壓彎強度驗算與穩定性驗算，對其余桿件進行拉彎或壓彎強度驗算。

4.3 結構驗算

4.3.1桿件截面強度驗算

根據式(4)進行拉彎或壓彎桿件截面強度驗算，計算結果如表2所示。由表2可知，懸挑支撐結構體系中各桿件截面強度均處于安全范圍，且有足夠的安全儲備。

表2 拉彎或壓彎桿件截面強度驗算 MPa

(4)

4.3.2壓彎桿件穩定性驗算

利用式(5)進行三角架斜桿平面內穩定性計算：

(5)

計算結果表明，三角架斜桿平面內穩定滿足要求，且有足夠的安全儲備。

利用式(6)進行平面外穩定性計算：

(6)

同時還應滿足條件式(7)：

(7)

計算結果表明，三角架斜桿平面外穩定性滿足要求，且有足夠的安全儲備。

4.3.3螺栓連接節點強度驗算

利用式(8)進行上、下部螺栓連接節點受力驗算，可得其強度分別為0.09,0.13，均<1.0，說明上、下部螺栓連接節點安全，且有足夠的安全儲備。

(8)

綜上，懸挑支撐結構在正常使用狀態下是安全的，桿件截面強度及穩定性驗算均符合規范要求[22]，螺栓連接節點牢固可靠，整體結構具有足夠的安全儲備。

5 應用效果

該新型裝配式懸挑支撐施工平臺體系已成功應用于北京市順義區夏縣營村棚戶區改造項目。工程應用表明，該施工平臺體系具有以下優勢：①結構設計合理，傳力路徑明確，主要受力結構與連接節點安全可靠，使用過程中結構變形可控；②裝配化程度與工業化水平高，制作材料普遍易得，成本較低；③節點設計均考慮裝配誤差，安裝拆卸順利，現場施工便捷；④2套施工平臺流水作業，操作靈活，節約材料堆場面積；⑤材料循環利用，綠色環保，相比傳統腳手架結構用鋼量明顯降低。

6 結語

1)新型裝配式懸挑支撐施工平臺結構的輕鋼模架支撐系統為三角形方鋼管桁架結構，主要破壞模式為三角架豎桿局部屈曲與斜桿整體失穩。當三角架達到彈性極限承載力時，高強螺栓附墻節點與裝配剪力墻板處于彈性狀態。

2)采用承載力簡化力學分析模型計算所得結構彈性極限荷載為114.5kN/m，與有限元分析結果105.23kN/m較接近，建立的承載力簡化力學分析模型可用于該施工平臺體系的承載力計算。

3)由結構驗算結果可知，該新型懸挑支撐施工平臺結構在正常使用狀態下安全可靠，且具有足夠的安全儲備，在實際工程中應用效果良好。