可调节套筒式钢管支模架承载能力的试验研究

浙江建筑，第27卷，第 7期，2010年 7月 Zhejiang Construction，Vo1．27，No．7，Ju1．2010 可调节套筒式钢管支模架承载能力的试验研究 Experimental Study on the Bearing Capacity of the Adjustable Steel Pipe Telescope Die Carrier 潘金 炎 ，张国庆 ，秦 呖 ，李海波 ，马兆龙 ，宗丽杰 PAN Jin—yah，ZHANG Guo—qing，QIN Yang，LI Hai—bo，MA Zhao—long，ZONG Li4ie (1．浙江省建筑科学设计研究院有限公 司，浙江 杭州 310012；2．杭州二建建设有 限公司 ．浙江 杭州 310012 3．临海市建设工程检测 中心 ，浙江 临海 317000) 摘 要：通过对可调节套简式钢管支模架体系单根立杆承载力的试验研究和理论计算，结果表明两者的吻合情况良好； 又对多杆组合的整体支模架的现场加载试验，揭示了可调节套筒式钢管支模架体系的整体受力性能，对搭设可调节套筒式钢管支 模 架的操作具有指导作用 。笔者认为可调节套筒式钢管支模架 体系具有受力合理 ，安全可靠 ，提高 工效的特点 ，其 推广应用 前 景广 阔。 关键词 ：支模架 ；可调节套筒式钢管 ；支撑 ；立杆 中图分类号 ：TU317 文献标识码 ：A 文章编号 ：1008—3707(2010)07—0018—04 1 可调节套筒式钢管支模架简介 可调节套筒式钢管支模架体系是一种新型的支 模架体系，在欧美国家已得到成功的应用和推广 ，其 单管的外形尺寸如图 l所示 ，主要 由外管 、内管和长 度调节器组合而成。外管是一端带外螺纹段的直径 相对较大的套管 ，内管是在管壁上开了插孔的直径 相对较小的插管 ，插管插入在套管 中，利用插销可调 节立杆的高度 ，也可以使用长度调节器进行细调，可 细调范围是螺纹段的长度 ，大约在 20 cm以内。 与 目前常用 的扣件式钢管支模架相 比，可调节 套筒式钢管支模架体系有以下特点 ： (1)传力方式 的不 同，扣件式钢管支模架通过 扣件的紧固来提高与钢管的摩擦力 ，主要依靠 的是 摩擦传力的形式。可调节套筒式钢管的立杆上设计 有托座 ，荷载通过托座施加在立杆的轴心 ，受力形式 是轴心受力形式 ，受力方 向基本保持在立杆 的轴心 方向上 ，从而提高了支撑体系的承载力 。 (a)敞开螺纹段 (b)闭合螺纹段 1 1 - 端面板；2一外管；3一内管；4一长度调节器 4 1一插销；4．2一环螺母；4．3一扳手； 6 5一中心孔；6-连接孔；7-插孔。 图 1 可调节套简式钢管立杆图示 (2)可调节套筒式钢管立杆的高度调节设计了 粗调和细调两种调节方式 ，外管常用 长度在 1．8～ 2．2 m，内管常用长度 约 2 m，可调 节高度在 1．9～ 3．6 m。安装时，只需将销子插人相应的插孔 中，就完 成了操作。在房屋建筑中，有些楼层高度是不同的， 如果使用扣件式钢管支模架体 系，则需配置不同高 度尺寸的立杆，而可调节套筒式钢管支模架体系只 收稿 日期 ：2010—04—12 作者简介：潘金炎(1963一)，男，浙江上虞人，教授级高工，从事建筑结构专业的研发工作。 Administrator 新建图章 第 7期 潘金炎等：可调节套筒式钢管支模架承载能力的试验研究 19 需同一种规格，便可满足施工要求 ，节约了人工费用 和施工成本。 (3)可调节套筒式钢管支模架体系可适 当减少 立杆之间支撑 的数量 ，包括扫地杆、剪刀撑和纵横向 水平支撑杆的设置数量 ，既节省了材料 ，又可使施工 现场美观整洁。 2 单管承载力的理论计算 2．1 可调节套筒式单管承载力的理论计算 可调节套筒式钢管立杆，按使用长度3．0 m计算， 插销直径 d=16 mm，插销孔 20，底板规格 120 mill X 120 mm x 6 mm，托板规格 150 mm x 120 mm x 6 mm， 调节螺母用 60的可锻铸铁 ，连接 丝管用 60× 3．5的钢管。钢管的管径与壁厚及力学性能见表 1。 表 1 可调 节套 简式钢管的力学性能 求钢管立杆的容许荷载值 。根据《模 板安全技术(JGJ 162．2008)》，按以下可能出现 的四种破坏状态 ，分别计算其容许荷载 ，取其 中最小 值为钢支撑的容许荷载。 2．1．1 按钢管的强度来计算容许荷载 [N]=fA =215 X(489—2×3．5 X 2O) = 215 X 349=75 035 N =75．0 kN (1) 式中 钢管的强度设计值 ； A 一 插管的净截面积。 2．1．2 按钢管立杆受压 稳定性计 算容许 荷载 考虑插 管与套管之间因松动而产生的偏心 ，插管与套 管之间产生松动后 ，立杆呈折线状，形成初偏心，按偏 半个钢管直径的压弯构件计算 ，最大初偏心取25 1Tim。 (1)先求 n=7 1, 2 = 1 2 18 X 10 =1．62 (2) ， 1 ． 、 ： ．／1+n： ／1+1．62：1．145 (3) v^ ～ · 4) Lj A = 三-1_145× -l68．38 ／' (4) 2 U·斗 根据 A 值和钢材强度 ，查 JGJ 162-2008附录 D 表 D可得 ： =0．273。 以上计算式中， 为轴心受压构件稳定系数， ， 为插管惯性矩 ， ：为套管惯性矩。 (2)求欧拉临界力 Ⅳ肼 = A = 1 0 ．j6 (3)按下列压弯构件计算公式求 Ⅳ A+ W 1 0 8 X ≤ ㈤ 。 I ( 一 ． Ⅳ／Ⅳ蹦) 式中：卢 一 等效弯矩系数 ，此处取 1．0； M 一 弯矩作用平面内偏心弯矩值，此处 M = N X d／2； d一 钢管支柱外径 ； 一 弯矩作用平面内受压较大的毛截面抵抗矩。 将已知数据代入式(6)得： + — — — v_ 一 ≤215 273 5 。 (⋯．8× 32 300)、 30 ⋯一 ／ 求得 N =70．657 kN 2．1．3 按插销抗剪强度计算容许荷载 N = ·2A0= 125×2 X 0．25 X 3．14 × 196 = 38 465 N =38．5 kN (7) 式中 ：A 一 钢插销的净截面面积； 一 钢插销抗剪强度设计值。 2．1．4 按插销处钢管壁承压强度计算容许荷载 N = ·A。 = 320×2 X 3．5 X 16 = 35 840 N =35．84 kN (8) 式中 ： 一 插销孔处管壁端承压强度设计值 ； 一 两个插销 处管壁承压 面积，A。。=2dt，d 为插销直径 ，t为管壁厚度 。 取以上四项计算结果中的最小值，可得到可调 节套筒式钢管立杆在 3．0 nl高度时的容许荷载设计 值为 35．84 kN。 ． 2．2 与 48 X 3．5钢管立杆的承载力的比较 根据《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规 范(JGJ 130—2001)》，计算 48 X 3．5钢管的承载力。 假设钢管立杆的步距为 h=1．8 m，计算长度 fn= ： 1．155 ×1．5 × 1．8 = 3．008 5 m，A = ： 7 _197．4， JGJ 130-2001规范中的附录 c，得 到 =0．185，N= =0．185×205 X 489=18．5 kN。 以上计算式中 为计算长度附加系数，其值取 1．155,Ix为考虑脚手架整体稳定因素的单杆计算长 度系数 ，此处取 1．50。 20 浙 江 建 筑 2010年 第 27卷 对以上两个算例进行比较，可知当可调节套筒 式立杆的长度为 3 m时，@48×3．5钢管的长度 为 1．8 m时，其容许承载力分别为35．84 kN和l8．5 kN，两 者的承载力相差近一倍。 3 可调节套筒式单根钢管的承载力试验 为验证可调节套筒式单根钢管的极限强度，共抽 取 19根钢管进行了轴压试验，钢管的试压高度在 2．6 ～ 3．6 m之间，其试验结果列于表 2中。对表2中序 号为 1～6的6根 2．6—3．0 m单管在 500 t万能油压 试验机上进行试压，对表2中序号为7～19的 13根 3．0—3．6 m的钢管利用反力架，在钢管底部放置测力 计和千斤顶进行试验，试验过程和结果总结如下： (1)试验结果与支承条件有关。有 4根同样是 3．0 m高的钢管，在油压机上和反力架上的试验值差 异较大，在油压试验机上的承载力为 80～84 kN，在反 力架上的承载力为52～66 kN。分析其差异的主要原 因是油压机两端 的承压板面积较大，刚性较好 ，对钢 管上下端的约束度大，而通过反力架试验的钢管底部 ， 放置测力计和千斤顶，对钢管底部的约束度明显减少。 (2)试验结果与钢管的长度有关。当长度从 1．94 m增加到 3．6 m时，其承载力 由 97 kN显著下 降到 32 kN，根据材料力学的欧拉公式可知，压杆的 承载力与长度的平方成反比。 (3)3．0 m以上的钢管主要呈内管的侧向失稳 破坏，3．0 m以下的钢管主要出现销子变形和栓孔 压扁等现象。 据文献[3]， 8×3．5 mm的单根钢管中心受压 承载力 ，当计算长度为 1．8 m时的承载力约 50 kN，当 计算长度为3．6 m时其承载力约 14 kN。通过以上 试验可知 ，可调节套筒式钢管立杆在 2．6 m时的承 载力约97 kN，3．6 m高度时其轴压承载力为 32 kN， 是 @48×3．5钢管的承载力的2倍以上 。 表2 单根钢管立杆的试验结果 序号 钢管试压 破坏荷 序号 ⋯ 长度／ram 载／kN l 2600 97 11 3 200 38 2 2 860 96 12 3 3o0 40 3 2 800 82 13 3 400 43 4 2 800 77 14 3 400 39 5 3 Ooo 8O 15 3 600 39 6 3 000 84 16 3 6oo 39 7 3 000 66 l7 3 5o0 40 8 3 000 52 18 3 5l0 40 9 3 190 44 19 3 6oo 32 1O 3 200 45 4 多杆组合承载试验 4．1 支模 架设 计 为了解和验证可调节套筒式支模架体系的整体 受力状况 ，进行 了多管组合 的荷载试验。搭设支模 架面积 20 m ，平面尺寸 4．9 m×4．02 m，设计高度 3．0 m，共用 30根立杆 ，立杆的纵横向问距为 1 m，大 横杆布置在立杆 的 u形托座上，大横杆用 12．6#槽 钢，间距 1 m。小横杆用80 mm x 120 mm的方木，间 距为340 mm。模板为 18 mm厚的竹胶板。支撑体 系用 48 mm×3．5 mm的钢管用扣件与立杆连接 。设 一 道水平杆和四道剪刀撑，在距模板底约 300 mm 处设纵横向的水平杆，间距 1 m，在支模架的四周设置 剪刀撑。支模架平面布置见图2，立面布置见图3。 0×120~ "， 、／ 、 、难 鼬 ， ，， ’ 一 ， 、 口 ＼ 一 ( 一 { 0 g 一 < 量 q ， ’ ～ ’ ＼主支 12 550 l 000 l 020 l 030 85 0 l 0o0 490O ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ 图2 可调节套筒式脚手架堆载试验平面圈 ／／／／／／／／／f~ ／ ⋯ 间距340 r - f 肯 干r 竹 竹 f - g n [＼ e 。 L． { L L l 、 48 x 3．5铮 i 支撑杆g ， 0 _ ● - ● ． - - ● - 1 000 J 020 1 030 ． 850 1 000 4 900 ① ② ③ ③ ⑤ ⑥ 图 3 可调节套筒式脚手架堆载试验立面图 4．2 试验加载方案 根据《建筑施工模板安全技术规范》的规定，作 用于支模架上的荷载由四部分组成：①模板及其支架 的自重，本文取 1．i kN／m ；②振捣荷载取 2 kN／m ； ③施工荷载取2．5 kN／m ；④梁板混凝土的重量。本 第 7期 潘金炎等：可调节套筒式钢管支模架承载能力的试验研究 2l 文假设梁板折算厚度 18 cm，取梁板混凝土的重量 0．18×25=4．5 kN／m 。这样作用在支模架上 的荷 载标准值共 1．1+2+2．5+4．5=10．1 kN／m 。实 际试验荷载取设计值，荷载设计值采用标准值乘以 荷载分项系数求得为 13 kN／m 。这样，共需加载 13 kN／m。×20 m =260 kN ，分四级加载，每级加 65 kN。 加载用混凝土标准试块 ，每块尺寸 为 1．1 in× 2．55 m×0．35 m，标准试块重量为 2．16 t／块。在加 载过程中，实际施加的荷载区域位于② ～⑤／A—E 范围，荷载主要由② ～⑤／A～E区域的立杆来承 担 ，其面积为 2．9×4．02=1 1．658 m ，按全部作用于 ② ～⑤／A—E区域来计算，该区域承担的分布荷载 为 260／11．658=22．3 kN／m 。 在试验过程 中，用手持 式应变仪 和 YE2537静 态电阻应变仪测试② ～⑤／A～E区域 11根立杆的 应变，同时观察试验过程中支模架的工作情况是否 有异常情况。当最大加荷至 26 t时 ，持荷 1 h后 ，再 分级卸载至零。 4．3 试验 结 果 当加荷至设计试 验荷载 26 t时 ，测得立杆应变 的试验结果列于表 3，从表 3可知，位于 c／~和 B／ ③位置立杆的应力值最大，分别为50．4 N／mm 和 58．8 N／mm ，应力值在弹性范围内，应力值乘以钢 管截面积为应变测得的轴力值。为进行对照和分 析，按 作 用 在② ～⑤／A～E 区域 的均 布 荷 载 22．3 kN／m ，通过静力分析求得理论计算轴力值， 也列于表 3中。结果 表 明，通过 试 验所测 得 的立 杆轴力 与 理论 计 算 轴力 值 基 本 吻合 。试 验 过程 中 ，支模架没发生局部失稳 和整体失稳 现象 ，工作 情况正常。 表 3 整体 支模 架试 验结果 序号 1 应变伽 2 应力／(N／mm ) 由应变测得 的轴力／kN 4 理论计算轴 力值／kN 5 结语与建议 本研究对 19根可调节套筒式钢管立 杆进行 了 试压，并进行了理论计算分析，结果为与 48 mm× 3．5 mm扣件式钢管立杆相 比，在 同样高度 时 ，其单 根钢管 的承载力可提高一倍以上。对多管组合后的 钢管支模架进行了现场荷载试验，试验结果为，其立 杆的应力在 100 N／mm 以下 ，处于弹性状态。实际 搭设时，立杆纵横 向间距可取 0．5～1．5 m，整体支 模架的稳定和受力状况除与立杆的承载力和布置有 关外 ，还与支撑系统有关 ，主要是水平支撑和剪刀撑 的设置情况，实际工程中，应充分重视支撑的设置， 对可调节套筒式支模架系统 ，当其高度在 3 m 以下 时，可设一道纵横 向水平杆 ，当支模架高度在 3 m以 上时，应沿立杆高度至少设二道纵横 向水平杆 。纵 横向水平杆采用直角扣件 与立杆扣牢 ，其长度不小 于 3跨。当支模架四周无连墙件时，还应在四周设 置必要的剪刀撑，每道剪刀撑宽度应不小于4跨，且 应不小于 6．0 m。必要 时，在 中间每 隔数排立杆设 置一道纵 、横向竖 向剪刀撑 。 参 考 文 献 [1] 魏忠泽，张 健，鲁德成，等．JGJ 162-2008建筑施工模板安全 技术规范[s]．北京：中国建筑工业出版社 ，2008． [2] 丁兆贤，王 峰，任兴华，等．JGJ 130-2001建筑施工扣件式钢 管脚手架安全技术规范 [S]．北京：中国建筑工业 出版社， 2002． [3] 余宗明．脚手架结构计算及安全技术[M]．北京：中国建筑工 、I 出版社 。2003：60—66． Text1: Text2: