王志揚
(中國南水北調(diào)集團中線公司天津分公司霸州管理處,河北 廊坊 065700)
扣件式鋼管模板高支撐架屬于一種輔助施工設(shè)施,在工程中起到了固定模板與臨時支撐作用,對穩(wěn)定性與牢固性要求較高。李燕[1]進行了其地區(qū)可調(diào)式支撐體系施工技術(shù)的研究與應(yīng)用分析,通過建立高支撐架體系模型,獲取了其使用過程中需要注意的安全要點,實現(xiàn)對扣件式鋼管模板高支撐架的安全使用。邢國榮[2]通過研究復(fù)雜環(huán)形結(jié)構(gòu)支撐架的使用特點,實現(xiàn)對高支撐架施工技術(shù)的設(shè)計。萬霆[3]進行了其地區(qū)扣件式鋼管模板高支撐架的使用安全研究,通過建立支撐架結(jié)構(gòu)模型,獲取支撐架在不同工況下的使用情況,得出支撐架使用安全要點與現(xiàn)場檢查驗收要點。
當(dāng)前傳統(tǒng)的高支撐架在工程實際應(yīng)用中,無法有效地避免扣件式鋼管模板高支撐架出現(xiàn)偏心受壓問題,降低了其立桿穩(wěn)定性,不能保證模板高支撐架使用的穩(wěn)固性與安全性?;诖?,本文引入高支撐架結(jié)構(gòu)分析模型,提出了一種全新的扣件式鋼管模板高支撐架設(shè)計方法,并針對其使用安全作出了深入研究。
本文在設(shè)計扣件式鋼管模板高支撐架前,首先,建立其結(jié)構(gòu)分析模型,對其外部結(jié)構(gòu)與受力特點作出全方位的分析,為后續(xù)的設(shè)計提供基礎(chǔ)保障。
首先,對扣件式鋼管模板高支撐架的多層多跨空間框架體系結(jié)構(gòu)進行分析,明確荷載傳遞的方向與傳遞作用,提取高支撐架實際應(yīng)用過程中表現(xiàn)出的幾何非線性特征。在此基礎(chǔ)上,建立高支撐架結(jié)構(gòu)分析模型,以可視化的形式,展示模板高支撐架的結(jié)構(gòu)示意圖,如圖1 所示。
由圖1 可知,按照高支撐架立桿中心的實際受壓情況,對其他桿件結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。根據(jù)高支撐架結(jié)構(gòu)示意圖,明確各個旋轉(zhuǎn)扣件之間連接的嵌固能力與變形協(xié)調(diào)能力,將施工荷載有序地傳遞給其他桿件,避免扣件式鋼管模板高支撐架在后續(xù)應(yīng)用中出現(xiàn)偏心受壓的情況。
圖1 扣件式鋼管模板高支撐架結(jié)構(gòu)示意圖
扣件式鋼管模板高支撐架結(jié)構(gòu)分析模型建立完畢后,對扣件式鋼管模板高支撐架進行設(shè)計。在設(shè)計過程中,根據(jù)模板工程施工及驗收規(guī)范,明確扣件式鋼管模板高支撐架的荷載與壓縮變形要求。在此基礎(chǔ)上,對高支撐架立桿的長度進行計算,公式為:
其中,la表示高支撐架立桿計算長度;h表示高支撐架立桿步距;c表示高支撐架立桿頂層橫桿中心線到支撐點之間的距離。通過計算,得出高支撐架立桿的長度,結(jié)合高支撐架安全要求的相關(guān)規(guī)定,對其計算長度的取值范圍進行設(shè)定[4]。由于扣件式鋼管模板高支撐架立桿與橫桿之間的連接節(jié)點多數(shù)采用直角扣件進行連接,不具備旋轉(zhuǎn)特征[5]。因此,在高支撐架空間框架結(jié)構(gòu)形式設(shè)計過程中,需要全方面考慮高支撐架的荷載作用,控制直角扣件連接的松緊程度,對節(jié)點進行半剛性處理,避免對支撐架節(jié)點的性能產(chǎn)生不利影響[6]。扣件式鋼管模板高支撐架節(jié)點半剛性處理結(jié)束后,接下來,確定高支撐架施工的體系軸線,分別搭設(shè)立桿、縱橫掃地桿、縱橫向水平牽桿、水平剪刀撐與垂直剪刀撐。針對扣件式鋼管模板高支撐架橋面板支撐體系施工來說,本文認(rèn)為,應(yīng)當(dāng)采取先上后下的逆向作業(yè)方式,先完成高支撐架上橋面板的模板支撐體系施工,保證立桿的頂部標(biāo)高不超過板底標(biāo)高[7]。其次,進行高支撐架下橋面板的模板支撐體系施工,結(jié)束后,拆除上下橋面板之間的高支撐架體系,通過短管搭接的方式,連接上下橋面板,保證連接結(jié)構(gòu)滿足承載力的相關(guān)要求。在扣件式鋼管模板高支撐架設(shè)計過程中,需要特別注意各個扣件選取的質(zhì)量,嚴(yán)格控制搭接尺寸要求,搭接高支撐架體,保證施工作業(yè)的安全。在高支撐架設(shè)計完畢后,及時清理工程施工現(xiàn)場,并保管好相關(guān)的設(shè)計材料。
在扣件式鋼管模板高支撐架設(shè)計結(jié)束后,接下來,對其立桿的穩(wěn)定性進行計算,保證其穩(wěn)定性符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求。
綜合考慮高支撐架結(jié)構(gòu)體系的節(jié)點半剛性,分別對不組合風(fēng)荷載與組合風(fēng)荷載兩種工況下,扣件式鋼管模板高支撐架立桿穩(wěn)定性進行計算,公式分別為:
其中,f表示高支撐架的抗壓強度設(shè)計值;N表示高支撐架立桿軸向力設(shè)計值;d表示高支撐架立桿軸心受到壓力時對應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù);S表示高支撐架立桿截面面積;Ha表示水平力荷載在高支撐架立桿上產(chǎn)生的彎矩;Hac表示等效水平力荷載在高支撐架立桿頂端產(chǎn)生的彎矩;Hw表示高支撐架立桿段受到風(fēng)荷載作用產(chǎn)生的彎矩;E表示高支撐架立桿截面模量。通過扣件式鋼管模板高支撐架立桿穩(wěn)定性計算結(jié)果,判定高支撐架的設(shè)計是否符合工程建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[8]。在此基礎(chǔ)上,對扣件式鋼管模板高支撐架結(jié)構(gòu)的抗力設(shè)計值進行計算,公式為:
其中,R表示高支撐架結(jié)構(gòu)的抗力設(shè)計值;ψ表示高支撐架受壓桿件的穩(wěn)定系數(shù);λ表示高支撐架受壓桿件抗力附加分項系數(shù)。通過計算得出高支撐架結(jié)構(gòu)的抗力設(shè)計值,作為穩(wěn)定性系數(shù),保證了高支撐架的剛度。結(jié)合扣件架設(shè)計規(guī)范,對扣件式鋼管模板高支撐架的穩(wěn)定性與抗力性作出判定。根據(jù)模板工程的實際建設(shè)需求,適當(dāng)調(diào)整扣件式鋼管模板高支撐架的結(jié)構(gòu)參數(shù),進而保證其能夠在模板工程施工中發(fā)揮最佳效能。
在高支撐架立桿穩(wěn)定性與抗力性符合相關(guān)規(guī)范要求后,在此基礎(chǔ)上,對其使用安全作出研究,保證工程建設(shè)的質(zhì)量與安全。首先,在實際模板工程施工中,根據(jù)模板工程支撐體系設(shè)計荷載的相關(guān)需求,選取單立桿或雙立桿的模板高支撐架。其次,對立桿不同方向的設(shè)計剛度作出合理模擬分析,根據(jù)模擬分析結(jié)果,設(shè)定高支撐架相鄰立桿之間的步距。若高支撐架立桿在不同高度情況下,受壓時軸向力產(chǎn)生的動態(tài)變化較小時,則相鄰立桿之間采用等步距設(shè)置;若受壓時軸向力產(chǎn)生的動態(tài)變化較大時,則相鄰立桿之間采用變步距設(shè)置。在高支撐架整體構(gòu)造層設(shè)置方面,根據(jù)其架構(gòu)的剛度特征,設(shè)置所需的水平加強層,主要包括單水平加強層與雙水平加強層兩種,其構(gòu)造示意圖,如圖2、3 所示。
圖2 單水平加強層構(gòu)造示意圖
圖3 雙水平加強層構(gòu)造示意圖
如圖2、3 所示,通過設(shè)置水平加強層,形成模板工程上下連接的構(gòu)造桁架,使扣件式鋼管模板高支撐架具有較大的剛度,進而提高其變形約束能力與使用安全。
綜合上述內(nèi)容,便是本文提出的扣件式鋼管模板高支撐架的整體設(shè)計流程。在該支撐架投入工程實際應(yīng)用前,需要對其穩(wěn)定性作出客觀驗證,在保證其應(yīng)用效果與使用安全后,方可投入到工程應(yīng)用中。
選取M 高架橋工程項目為本次試驗的研究目標(biāo),該工程整體采用邊跨混凝土結(jié)構(gòu)。高架橋每個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段由2 根縱梁與橫梁加面板結(jié)構(gòu)共同組成,在施工中,各個施工階段均搭設(shè)了扣件式鋼管模板高支撐系統(tǒng)。其中,在扣件式鋼管模板高支撐系統(tǒng)中,最大搭設(shè)高度為53.2m。對M 高架橋工程項目扣件式鋼管模板高支撐體系布置情況作出分析,獲取如表1 所示的布置信息表。
如表1 所示,為M 高架橋工程模板高支撐體系布置的相關(guān)信息數(shù)據(jù),在掌握以上信息后,按照上述本文提出的設(shè)計內(nèi)容,對工程使用的扣件式鋼管模板高支撐架進行設(shè)計。
表1 M 高架橋工程模板高支撐體系布置表
選取扣件式鋼管模板高支撐架立桿穩(wěn)定性作為本次試驗的評價指標(biāo),通過式(2)(3)對高支撐架設(shè)計完畢后立桿的穩(wěn)定性進行驗算,保證其穩(wěn)定性符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。為了使試驗結(jié)果更加直觀清晰,且具有說服力,采用對比分析的方法原理,設(shè)置本文提出的扣件式鋼管模板高支撐架設(shè)計方法為試驗組,設(shè)置傳統(tǒng)的高支撐架設(shè)計方法為對照組,進行對比試驗。隨機設(shè)定5 種不同的水平作用力工況,包括不加水平力、水平力大小為0.5F、水平力大小為2F、水平力大小為5F、水平力大小為10F。分別標(biāo)號為工況#01、工況#02、工況#03、工況#04、工況#05,測定5 種不同水平作用力工況下,兩種方法設(shè)計后的高支撐架的最大位移,進而反映扣件式鋼管模板高支撐架立桿的穩(wěn)定性變化。試驗結(jié)果如表2 所示。
表2 扣件式鋼管模板高支撐架最大位移對比
通過表2 的高支撐架最大位移對比結(jié)果可以得知,通過本文提出的設(shè)計方法設(shè)計出的扣件式鋼管模板高支撐架,其在不同水平作用力工況下,高支撐架立桿的最大位移量均在3.12mm以下,較對照組相比,最大位移變化較小,具有明顯差距。由此可見,本文提出的設(shè)計方法具有較高的可行性,高支撐架的穩(wěn)定性較高,能夠有效地避免高支撐架立桿出現(xiàn)局部失穩(wěn)的情況,使用安全具有一定的保障。
通過上述本文提出的論述內(nèi)容,能夠得出以下幾個方面的結(jié)論:
(1)根據(jù)式(2)、式(3)可以對不組合風(fēng)荷載與組合風(fēng)荷載兩種情況下,扣件式鋼管模板高支撐架的穩(wěn)定性作出驗算,進而判斷高支撐架設(shè)計是否符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。
(2)通過表2 的最大位移對比結(jié)果能夠得知,利用本文提出的設(shè)計方法設(shè)計扣件式鋼管模板高支撐架,在不同水平作用力下,其立桿的最大位移量不超過3.12mm,穩(wěn)定性較高,使用安全具有保障。