鋁合金模板單根可調式鋼支撐承載力的理論計算與試驗研究

楊皓東 仰樹燕

1.安徽建筑大學土木工程學院 安徽 合肥 230601；2.合肥建工集團 安徽 合肥 230009

鋁合金模板質量輕、承載能力高、施工周期短，施工現場一般只需1套主模板、3套支撐，便可完成對鋁模板的安裝與拆除。鋁合金模板體系是由4個系統組成：模板、支撐、附件及緊固系統。其中，支撐系統主要是為混凝土結構的施工，梁、樓面和懸臂結構的穩定等提供支撐作用[1-2]。可調式鋼支撐體系可縮短工期，能夠解決普通鋼管滿堂支設方法造成的高成本、低模板周轉率等弊端[3-5]，可實現5 d一層的施工速度，并能保證工程質量。它主要由外管、內管和長度調節器3個部分組成[6-7]，并可通過插銷粗調和長度調節器微調來調節立桿的使用高度。

1 工程概況

合肥碧桂公館項目一標段工程，建筑總面積約為225 000 m2。本項目中10#（22層）、16#、21#、22#（27層）這4棟樓采用鋁模板系統。建筑結構形式為剪力墻結構。本次鋁模板系統用于標準層，標準層的層高為2 900 mm，樓板厚度主要為120 mm。該工程采用可調式鋼支撐作為模板支撐體系，使用高度為2.7 m。

2 單根可調式鋼支撐承載力的理論計算

單根可調式立桿的使用高度為2.7 m，內管管壁孔洞直徑為15 mm，插銷鋼鍵直徑為14 mm，底座規格為120 mm×120 mm×3 mm。內外管的管徑與壁厚等屬性如表1所示。

表1 可調式鋼支撐的尺寸與力學性能

根據JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技術規范》，按以下可能發生的4種破壞形態（2.1—2.4節）分別對立桿進行承載力計算，4個計算結果中的最小值即為該鋼支撐立桿的容許承載力。

2.1 按鋼銷鍵處鋼管壁承壓強度來計算容許荷載

在該工況下，鋼支撐立桿的容許荷載N1具體如式（1）所示：

式中：fce——插銷孔處管壁端承壓強度設計值；

Ace——2個鋼銷鍵處管壁承壓面積，Ace=2dt，此處的d為鋼銷鍵直徑，t為管壁厚度。

經計算，容許荷載N1=35.19 kN。

2.2 按鋼銷鍵抗剪強度來計算容許荷載

在該工況下，鋼支撐立桿的容許荷載N2具體如式（2）所示：

式中：fc——鋼銷鍵抗剪強度設計值；

A0——鋼銷鍵的凈截面面積。

經計算，容許荷載N2=38.48 kN。

2.3 按鋼管立柱受壓穩定性來計算容許荷載

根據《建筑施工計算手冊》，考慮插管與套管由于配合間隙及安裝誤差產生的上下端偏心為1/2鋼管直徑，即最大初偏心為24 mm。根據表1數據和相關的規范公式，可求得該工況下的鋼支撐立桿容許荷載N3=13.52 kN。

2.4 按鋼管的強度來計算容許荷載

在該工況下，鋼支撐立桿的容許荷載N4具體如式（3）所示：

式中：f——鋼管的強度設計值；

An——插管的凈截面面積。

經計算，容許荷載N4=60.6 kN。

2.5 按容許荷載設計值計算應力值

由以上4項計算結果可知：立桿最薄弱的環節為內管，壓彎構件下，已達到荷載設計值。因此，將13.52 kN作為單根立桿在高2.7 m時的容許荷載設計值，繼而可求得應力值為151.24 MPa。

3 單根可調式鋼支撐的承載力試驗

鋁模廣泛應用于高層住宅，而住宅的層高普遍為2.9 m。因此，本次試驗取2.7 m的鋼支撐作為最基本的試驗立桿。

3.1 試驗設計

為測試單根立桿的極限承載力和應力應變，利用反力架，在鋼管頂部放置千斤頂和測力計進行分級加載試驗（圖1）。

3.2 試驗加載方案

1）預加荷載至2 kN，持荷10 min后卸載。

2）正式加載至2 kN以后，按每級2 kN加載，每級持荷2 min。

圖1 試驗裝置

3）若持荷過程中應變值不斷增大，則視為立桿進入屈服階段，此時的荷載值為極限荷載。

4）分級卸載至零。

3.3 試驗內容

1）在立桿中點（1.35 m）四周貼上應變片，測點分別為1、2、3、4。從連接部位起，沿內管往鋼管頂端每隔15 cm貼一圈（鋼管四周）應變片，測點分別為A、B、C、D、E、F（圖2），測出鋼管變形較大處的應變。

圖2 應變片測點

2）在鋼管頂托和中點位置放置位移計，測出鋼管頂點位移和中點位移。

3.4 試驗結果與分析

3.4.1 位移情況

試驗過程中每級加載2 kN，每級持荷2 min，由鋼管頂托上的位移計和中點位移計可以測出每級荷載下頂點和中點的位移變化（圖3）。

由圖3可知：

1）當荷載為20 kN時，頂點豎向位移由0.402 mm突增至0.789 mm，而中點水平位移由1.046 mm突減為0.669 mm。突變原因為：豎向荷載作用下，頂點的豎向位移不斷增長，中點水平位移出現回彈，從而導致變小。

2）荷載24 kN是鋼管變形的臨界點，此時鋼管處于有效工作狀態，是彈性階段，隨后進入彈塑性階段，31 kN后鋼管進入破壞階段。

圖3 頂點與中點處的位移-荷載曲線

3.4.2 應力情況

試驗中B測點的應力值最大，隨著荷載的施加，B點的應力值如圖4所示。

圖4 測點B應力-荷載曲線

由圖4可知：

1）隨著荷載的施加，應力值不斷加大，B點的應力最大值為440 MPa，此時鋼管進入破壞狀態。

2）當荷載為臨界荷載24 kN時，鋼管B處的應力值達到308 MPa，鋼管仍處于正常使用狀態。

4 理論值與試驗值對比分析

1）理論計算考慮初偏心下的荷載容許值為13.52 kN，而試驗時認為初偏心為0，測得的容許荷載值為24 kN，31 kN后進入破壞階段。現場施工時由于操作技術原因必然存在偏心，而試驗是理想狀態，需對試驗值進行折減，故理論荷載容許值是合理且偏安全的。

2）試驗中荷載為24 kN時是一個臨界點，此時鋼管處于彈性階段，是偏于安全的。

3）理論計算時，外管強度大，內管按受壓穩定性計算的容許荷載值小，容許應力值為151.24 MPa，最易先發生失穩破壞。而試驗中測點B處的應力值最大，在臨界點時，B點的應力值為308 MPa，理論應力值在試驗值上折減了約50%，是相對合理的。

4）JGJ 386—2016《組合鋁合金模板工程技術規程》規定，可調鋼支撐的壓縮變形限值為計算高度的1/1 000，即為2.7 mm，對比試驗值可知，荷載超過28 kN時，鋼支撐已屈服，工程中已無法使用。

5）鋼支撐破壞形式主要為插管失穩破壞。因此，在施工過程中，要保證內管的強度和穩定性，以防支撐失穩破壞導致的模板倒塌。

5 結語

可調式鋼支撐體系是一種操作便捷、安全可靠的新型綠色模板支撐體系[8]。本文通過理論計算和試驗測試，對單根可調式鋼支撐的承載力進行了分析，主要得出以下幾點結論：

1）可調式鋼支撐施工比較方便，在相同使用高度時，承載力比普通扣件式鋼管大，且現場施工時無需增設水平支撐桿。

2）對于鋼支撐的力學性能，試驗值與理論計算值基本吻合。

3）可調式支撐體系具有粗調和細調2種調節方式，只需一種規格就可以滿足不同樓層高度的施工需要。