改進型陣列式組合模架體系整體穩定性研究*

石開榮，盧永徽，林金龍，許潔檳，姜正榮，孫 暉，杜 飛，陳 炬

(1.華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州 510641；2.華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣東 廣州 510641；3.中建科技集團有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518118；4.深汕特別合作區磐汩新材料有限公司，廣東 深圳 516473)

0 引言

隨著我國經濟實力的增強，人民生活水平顯著提高，我國建筑業取得了飛速發展，建筑結構形式和功能豐富多樣，出現了眾多大跨度、超高層建筑，對施工期間模板支撐體系(模板支撐架、安裝支撐架等)穩定承載能力提出了更高要求。

近年來，我國模板和腳手架體系發展迅速，但在安全技術與管理方面仍存在不足，進而造成施工安全與工程質量隱患[1]，導致因模板支撐架傾覆、坍塌引起的工程事故時有發生[2]，工程事故給人們生命財產造成損失，阻礙了我國建筑業健康、可持續發展。因此，除對現有模板支撐體系進行深入研究外，還需研發新型模板支撐體系，以更好地滿足建筑業快速與高質量發展需求。

目前，國內學者主要研究常規模板支撐體系穩定性，如莊金平等[3]利用有限元軟件對高大模板扣件式鋼管支撐體系穩定承載力進行了分析，得到了不同參數對體系整體穩定承載力的影響規律；陳志華等[4-6]研究了直角扣件半剛性特征，對扣件式鋼管模板支撐架穩定承載力及失穩情況進行了分析，并對滿堂支撐架與滿堂腳手架力學性能進行了對比研究；劉敏[7]借助有限元分析軟件ANSYS中的彈簧單元等效模擬了碗扣節點半剛性，對不同連接方式下的碗扣式模板支撐架整體失穩情況進行了分析；黃浩等[8]考慮了節點連接剛度，對插銷式鋼管腳手架結構安全性能進行了研究；周潭飛[9]對盤扣式模板支撐架進行了試驗研究與有限元模擬分析，探究了斜桿設置方式、架體高度、立桿間距等因素對架體穩定承載力的影響；Zhao等[10]通過試驗研究和有限元模擬分析，探究了承插型輪扣式鋼管腳手架節點受彎性能及支撐架體系屈曲性能。

對各類新型模板支撐體系的研究主要集中在基本力學性能方面[11-15]，而對于架體整體抗傾覆穩定性的研究較少。本研究在文獻[16]的基礎上，對改進型陣列式組合模架體系進行優化提升，并進行足尺模型試驗及有限元模擬分析，研究體系整體抗傾覆穩定性。

1 改進型陣列式組合模架體系

陣列式組合模架體系又稱格柵組合模架體系，本研究在文獻[16]的基礎上，對陣列式組合模架體系鋁框主次楞截面形狀與尺寸及配套梁、柱模板體系進行優化，得到改進型陣列式組合模架體系，提升了體系整體受力性能和裝拆便捷性。改進型陣列式組合模架體系由新型陣列式鋁框(見圖1)、塑料平板模板、可調鋼管支撐及水平桿組成，如圖2所示。鋁框由橫向主楞和縱向次楞組成，次楞焊接在主楞上方，塑料模板平鋪于鋁框上方，鋁框下方設置可調鋼管支撐，在可調鋼管支撐中部設置雙向水平桿，以增加體系穩定性。可調鋼管支撐主要由上部插管和下部套管組成，如圖3所示，插管設置限位插銷孔，上部插管和下部套管通過調節螺母、插銷進行連接，支撐頂部設置專用頂托，用于連接并支撐上部鋁框。可調鋼管支撐與水平桿通過直角扣件連接。

圖1 新型陣列式鋁框構造

圖2 改進型陣列式組合模架體系

圖3 可調鋼管支撐

為加強改進型陣列式組合模架體系與梁、柱模板的整體協同作用，梁、柱模板摒棄了傳統的膠合板和木方，采用新型鋁模板，其中，梁模板由側模板、底模板組成(見圖4)，柱模板由各邊側模板組成(見圖5)。同時，在梁模板與柱模板相應位置設置梁夾、對拉螺栓套件和柱箍，以增加整體性。

圖4 梁模板

圖5 柱模板

改進型陣列式組合模架體系構造簡單，性能可靠，模板和支撐構件標準化程度高，梁、柱鋁模板質量小、回收率高，搭設工作量小，安裝、拆卸便捷，施工管理方便，施工效率高，可調鋼管支撐高度可靈活調節。

2 穩定性試驗

2.1 試驗模型

選取平面軸線尺寸為8m×8m、板底結構標高為3.600m的單跨四柱框架單元進行足尺試驗(見圖6)，其中鋼筋混凝土樓板設計厚度為200mm，柱截面尺寸為700mm×700mm，梁截面尺寸為400mm×600mm。梁、柱模板鋁材型號為6061-T6，梁模板底部設置豎向支撐，端距為1 300mm，中距為1 000mm，在柱間對稱分布。在梁軸線位置下方設置豎向剪刀撐，并在柱模板內側面設置斜撐。

圖6 足尺試驗

樓板模板由32塊標準鋁框組成，平面布置如圖6b所示，單塊鋁框(型號為6061-T6)平面尺寸為1 800mm×915mm，基本構造如圖1所示，鋁框上方鋪設15mm厚塑料模板。板底可調鋼管支撐布置與上部新型陣列式鋁框尺寸相匹配，間距對應為1 800mm×915mm，在可調鋼管支撐2.1m高度處設置雙向水平桿(見圖6c)。在鋁框與梁模板間隙處設置C型鋼，以保證水平力能夠順利傳遞。

其他主要構配件參數如表1所示，材質均為鋼材，型號均為Q235。

表1 主要構配件參數

2.2 試驗方案

2.2.1加載方案

采用千斤頂施加水平荷載，通過兩級分配梁(見圖7，8a)將水平荷載均勻施加在梁側面模板上，在加載端梁模板內相應位置設置截面尺寸為50mm×50mm的木方(見圖7)，保證水平荷載順利傳至鋁框。利用樓面模板上的軟底水袋(見圖8b)，以注水的方式施加豎向荷載(架體豎向永久荷載)。試驗時首先施加豎向荷載，然后以單調分級加載方式施加水平荷載，以2kN為一級，持荷5min左右，體系穩定后進行數據采集。正式試驗前進行預加載，盡量消除各構件間隙對加載過程的影響，并確保試驗設備正常工作。

圖7 加載及位移測點布置示意

圖8 加載裝置

軟底水袋安裝前，在梁、柱模板中裝滿砂，用于模擬實際工程中梁、柱混凝土自重。由于混凝土密度大于砂密度，扣除砂質量后，將剩余的梁、柱混凝土自重折算為豎向均布荷載，并施加于樓面上。考慮軟底水袋自重1.51kN，最終施加在樓面的豎向均布荷載為8.43kN/m2。根據GB 50666—2011《混凝土結構工程施工規范》[17]規定，需施加的水平荷載為14.3kN，最終實際施加至21.5kN(1.5倍的規定水平荷載)。

2.2.2測點布置

試驗選取4個水平位移測點，編號分別為E，F，G，H，測點對稱分布于加載端和遠端可調鋼管支撐頂部與鋁框連接處，如圖7所示。水平位移量測采用YHD-100型位移傳感器。

2.3 試驗結果與分析

在豎向荷載加載過程中及加載至豎向荷載預定值時，體系穩定，未出現異常。體系水平荷載-位移曲線如圖9所示，加載初期體系水平位移隨著水平荷載的增加先線性增長后非線性增長；各測點水平位移相差較小，表明體系整體性良好；當水平荷載達14.3kN時，測點最大水平位移為3.23mm，層間位移角約為1/1 115，此時支撐、鋁框及模板等均未出現異常；當水平荷載增至21.5kN時，各測點最大水平位移為8.48mm，層間位移角約為1/425；試驗結束后，各構件連接節點狀態良好，結構未發生損壞，處于穩定狀態。

圖9 體系水平荷載-位移曲線

3 數值模擬分析

3.1 有限元模型建立

采用MIDAS/Gen有限元軟件對改進型陣列式組合模架體系進行分析，有限元模型如圖10所示。采用梁單元模擬鋁框、梁模板、柱模板、可調鋼管支撐、水平桿、梁支撐、柱支撐、剪刀撐、柱箍、梁夾、對拉螺栓及木方，采用板單元模擬塑料模板，其中平鋪于鋁框上方的塑料模板僅考慮傳遞荷載作用。為模擬砂對梁、柱模板的剛度貢獻，在柱箍相應高度處及垂直于加載方向的梁模板內相應位置處設置100mm厚板單元，材質為鋼材。在平行于加載方向的梁模板底部設置截面尺寸為100mm×100mm的木方，單元類型為梁單元。鋼材和鋁材采用理想雙折線彈塑性模型模擬，木材及塑料模板采用線性模型模擬，不考慮其塑性變形。鋼材、鋁材、木材及塑料模板彈性模量分別為2.06×105，7.0×104，9.0×103，1.41×103MPa。

圖10 有限元模型

綜合考慮各構件實際受力情況，在有限元模型中，構件之間的連接處理如下：為保證荷載能夠順利傳遞，在鋁框與梁模板連接處，耦合鋁框與梁模板水平方向平動自由度；在可調鋼管支撐與鋁框連接處，耦合可調鋼管支撐與鋁框的平動自由度，以模擬可調鋼管支撐通過支撐頂托對鋁框產生的平動約束；可調鋼管支撐上部插管與下部套管設置為剛接；梁、柱模板相交處設置為鉸接；梁、柱支撐頂部與梁、柱模板連接處設置為鉸接；剪刀撐頂部與柱模板連接處設置為鉸接；可調鋼管支撐、柱模板、梁支撐、柱支撐底部均設置為鉸接，約束底部結點平動自由度。

根據文獻[18-21]，水平桿與可調鋼管支撐間的連接按半剛性結點考慮，相應的轉動剛度設為19kN·m/rad，結構分析時考慮幾何非線性效應。

3.2 結果分析

將試驗與有限元分析得到的體系水平荷載-位移曲線進行對比，如圖11所示。由圖11可知，體系水平位移隨著水平荷載的增加線性增長；當水平荷載<14.3kN時，有限元分析結果與試驗結果相差較小；當水平荷載>14.3kN時，隨著荷載的增加，有限元分析結果與試驗結果相差較大，這是由于有限元模型難以考慮各類構件連接存在的間隙、初始偏心和結點實際剛度復雜性等，導致水平位移仍表現為線性增長，而實際試驗數據呈非線性增長。

圖11 體系水平荷載-位移曲線對比

體系在1.0倍規定水平荷載作用下的側向變形如圖12所示。整體上看，有限元分析結果與試驗結果較符合，且在荷載作用下，有限元分析得到的加載端水平位移大于遠端，表明有限元分析結果與體系實際受力情況基本相符。

圖12 體系側向變形(單位：mm)

3.3 不同體系對比

本研究與文獻[16]鋁框截面及梁、柱模板對比如圖13，14所示。將本研究分析結果與文獻[16]進行對比，如圖15和表2所示。在相同荷載作用下，本研究得到的加載端和遠端測點水平位移平均值均小于文獻[16]，最大水平位移差為5.5mm。本研究得到的體系平均側向剛度試驗值與有限元分析值分別較文獻[16]提高了121.6%，124.6%；在1.0倍規定水平荷載作用下，本研究得到的層間位移角試驗值與有限元分析值分別較文獻[16]減少了55.2%，57.3%，表明本研究提出的改進型陣列式組合模架體系側向剛度大于文獻[16]模架體系，整體抗傾覆穩定性得到顯著提高。

圖13 鋁框對比

圖14 梁、柱模板對比

圖15 分析結果對比

表2 側向剛度及層間位移角對比

4 結語

1)依據《混凝土結構工程施工規范》，在1.0倍規定水平荷載作用下，改進型陣列式組合模架體系處于穩定狀態，進一步加載至1.5倍規定水平荷載，體系仍處于穩定狀態，且未發生構件及節點破壞，表明體系滿足整體抗傾覆穩定性要求。

2)對改進型陣列式組合模架體系受力與變形進行分析，有限元分析結果與試驗結果基本一致，表明本研究建立的有限元模型及分析方法較合理。

3)改進型陣列式組合模架體系側向剛度顯著提高，具有更優的整體抗傾覆穩定能力，且梁、柱模板裝拆更便捷，可用于大柱網現澆混凝土結構支模施工。