新型可折疊式輕型鋼結構施工臨時支撐體系的研制

張月樓，劉祥，張良蘭，宋生志，馮國軍

（中建八局新型建造工程有限公司，上海 200125）

0 引言

目前，在鋼結構建筑安裝施工過程中，上部結構未整體成型之前，需要采用臨時支撐體系對單構件進行支撐，使得未成型結構與臨時支撐結構形成一個臨時穩定結構。現階段，應用最為廣泛的是重型格構式、實腹式或組合式鋼結構臨時支撐[1]。

對于大型公共場館建筑，其結構構件一般較重，在安裝施工過程中，重型臨時支撐會表現出較為優越的性能[2]。但針對網殼、網架、小跨度桁架等輕型結構，其構件質量較輕，重型臨時支撐體系就有些大材小用，進而在工程應用中呈現出較為明顯的缺憾和不足：（1）質量重，用鋼量大，加工及應用成本高；（2）體積大，倉儲及運輸不便；（3）質量重，現場吊裝不便，施工效率低；（4）現場布置及移動不靈活；（5）現場拼裝需要占用較多的大型機具和人力；（6）占用較多關鍵路線，影響工期。

為彌補重型支撐在輕型鋼結構工程中應用的缺憾和不足，業界開發了可折疊式輕型鋼結構臨時支撐，該新型支撐可以實現折疊安裝和拆卸，更加集成高效；折疊后形成平面，更加便于運輸和倉儲；單節整體質量較輕，可以免用吊裝機械，雙人即可完成拼裝和拆卸，有效提高施工效率，大大節省造價和施工工期[3]。

1 可折疊式輕型鋼支撐的構造設計

可折疊式輕型鋼支撐主體構造型式為三角型，中間通過轉動節點將腹桿與主桿連接在一起，上下構造單元節通過陰陽拼接頭和三角平面箍撐連接在一起[4]。其基本構造詳圖如圖1 所示。

圖1 可折疊式鋼結構臨時支撐

可折疊式輕型鋼支撐是一種高效集成的新型支撐體系，支撐架主桿采用Φ63.5×4，斜腹桿采用Φ30×3 的成品鋼管，單節總重控制在70kg 左右，可在無任何吊具的情況下，雙人輕松整體折疊成為一個平面，真正實現輕型化。折疊成平面后減少運輸及倉儲空間，現場施工效率大幅提高，折疊成平面后效果圖如圖2 所示。

圖2 可折疊式鋼結構臨時支撐（折疊后）

可折疊式輕型鋼支撐上下單元節間根據設計要求，設置合理數量三角箍撐架（圖3），三角箍撐架配套與支撐架兩端配套的陰陽頭，可以通過銷孔與主體架穩固地連接在一起，同時可以有效提升支撐架的整體性。

圖3 三角箍撐架

上下單元節采用陰陽連接頭連接，陰陽連接頭及中間旋轉軸均為空心鋼棒機加工制造，連接性能高效安全。陰陽頭部位采用新型卡銷連接，如圖4 所示。新型卡銷采用創新構造，可以實現自鎖緊功能，現場施工便捷高效，如圖5 所示。

圖4 旋轉節點及閉口節點構造

圖5 陰陽接頭及卡銷構造

2 可折疊式輕型鋼支撐的應用方法

可折疊式輕型鋼支撐的應用技術優勢主要體現在打包運輸、倉儲和現場安裝等工序環節中。基于新型支撐的折疊式和輕型兩個優勢特點，達到創新的集成高效打包運輸和倉儲，現場高效快速拼裝。

2.1 打包運輸

為了實現高效運輸和倉儲，創新開發了集成式打包方法，該打包方法是將折疊后的輕型支撐豎向層疊放置，采用橫隔枕梁和豎向拉桿將其緊固，形成一個整體，便于吊裝、運輸和倉儲。

折疊后的三角支撐采用隔層交錯的方式放置，目的在于使得折疊后支撐層疊放置后為一平面，橫隔枕梁如圖6 所示，其尺寸經過設計，以確保交錯折疊后支撐斜后為一平面。

圖6 集成打包示意圖

橫隔枕梁如圖7 所示，其尺寸經過設計，以確保交錯折疊后支撐斜腹桿不與橫隔枕梁碰撞。豎向拉桿采用圓鋼制成，長度根據支撐的疊放層數確定，一般疊放層數為5～ 12 層，疊放過高會導致打包整體的穩定性較差，容易發生傾覆事故。

圖7 橫隔枕梁及拉桿示意圖

2.2 現場安裝

集成打包件運送到現場后，拆掉四個吊環及頂部橫隔梁，逐層將折疊式支撐架取下。該支撐單節質量較輕僅70kg，兩人可搬動拼裝。首先將單節支撐橫向放置在地面上，然后展開將閉口節點朝上，閉口節點采用四個U 型卡連接，如圖8 所示。

圖8 閉口節點U 型卡連接示意圖

U 型卡一端插入抱箍孔中，一端卡在抱箍邊緣，該連接形式牢固可靠，且僅采用錘頭可輕松實現裝配和拆卸。然后將三角箍撐架安裝上，并將卡銷分別插入每一個連接孔中，按照同樣方式組裝完成其他單節支撐，在現場地面上將單節支撐組合連接在一起，單次拼接單節支撐的數量不宜多于6 個[5]，可折疊式輕型鋼支撐單節及多節拼裝效果圖如圖9 所示。

圖9 可折疊式輕型鋼支撐單節及多節拼裝效果圖

3 可折疊式輕型鋼支撐的受力性能分析

采用ABAQUS 有限元軟件對可折疊式輕型鋼支撐的安全性能進行分析，分別進行雙節拼裝單元支撐結構軸心壓彎、上偏心壓彎及下偏心壓彎承載性能分析。

3.1 有限元模型

有限元模型中，管材均采用理想彈塑性模型，符合Von Mises 屈服準則，彈性模量E=200 000 N/mm2，泊松比v=0.3。網格劃分均采用C3D8R 減縮積分單元。支撐底端采用固接約束方式，在頂端撐頂工裝上施加集中力[6-7]，如圖10 所示。

圖10 有限元分析模型及網格劃分

加載模式采用位移控制加載，分三種加載工況：（1）在支撐頂工裝的幾何中心施加軸心荷載；（2）在支撐頂工裝幾何中心向上偏移866mm；（3）在支撐頂工裝幾何中心向下偏移866mm[8]。

3.2 應力及變形對比

通過模擬計算得到了輕型鋼支撐分別在軸心、上偏心及下偏心荷載作用下屈曲失穩破壞的應力分布及變形云圖，如圖11～13 所示。

圖11 軸心加載屈曲失穩破壞時的應力及變形圖

從圖中可以看出，支撐主桿軸力較大，斜拉腹桿軸力較小，單節主桿均發生了整體屈曲失穩破壞。

支撐在軸心荷載作用下，如圖11 所示。三根主桿分別發生了整體屈曲失穩破壞，變形主要為主桿中間部位向外鼓曲，由于斜腹桿和中間三角箍撐的約束作用，主管整體豎向變形呈現波浪形。

支撐在上偏心荷載作用下，如圖12 所示。鄰近上偏心荷載施加點的兩主桿內部軸力較大，支撐整體發生失穩破壞，向偏心方向整體傾覆。

圖12 上偏心加載屈曲失穩破壞時的應力及變形圖

支撐在下偏心荷載作用下，如圖13 所示。鄰近下偏心荷載施加點的主桿內部軸力較大，支撐整體發生失穩破壞，向偏心方向整體傾覆。

圖13 下偏心加載屈曲失穩破壞時的應力及變形圖

3.3 受力性能試驗

試驗在上海應用技術大學城市建設與安全工程學院的結構與安全工程試驗室1 000t 多功能試驗機上進行。分別進行軸心受壓、上偏心受壓、下偏心受壓三組實驗，三組構件試驗過程中，彈性階段構件未出現可直接觀測到的明顯變形，且無異常聲音出現。超過極限荷載后，三根鋼管柱逐漸出現屈曲現象，軸心受壓構件試驗南側鋼管屈曲現象最為明顯，上偏心受壓構件試驗破壞更為明顯的是東北側鋼管柱，下偏心受壓構件試驗南側（靠近加載點）鋼管柱逐漸出現屈曲現象，主要屈曲變形集中在上節段，詳見圖14。鋼管的主要變形發生在上部節段，這說明橫桿能夠有效提供支承，降低鋼管的無約束段長度，從而提高輕型支撐的承載力。試驗過程中，節點板、連接銷釘等節點位置未出現失效現象。

圖14 軸心受壓、上偏心受壓、下偏心受壓三組實驗加載屈曲失穩破壞時的試件變形圖

4 結論

（1）新型可折疊式輕型鋼結構支撐體系采用標準化及模數化，可標準化施工，模塊化組合，實現多領域、廣范圍使用。

（2）通過對輕型支撐的承載性能試驗，可發現輕型支撐的承載能力滿足設計要求，隨著荷載中心點偏向肢背，承載力逐漸上升。由于桿件比較細長，構件均為彈性失穩破壞。從試驗結果可以看出，考慮為使輕型支撐適用項目范圍更廣，使用周期更長，輕型支撐結構設計時考慮了必要的安全儲備。

（3）新型可折疊式輕型鋼結構支撐體系，節點均為標準化的轉向套管，閉合配套接頭采用抱箍式連接，與主管實現干式連接，體系安全可靠、可高效裝配施工、便于存儲運輸，免于機械安裝，節省人工及施工造價。