多層模板支架體系研究

周鈺龍 王亞君

（杭州通原房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，浙江 杭州 310008）

前言

隨著建筑工程技術(shù)的飛速發(fā)展，工程進(jìn)度的不斷加快，多、高層建筑施工中在模板支架下混凝土主體結(jié)構(gòu)尚未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求時通常就進(jìn)行上層主體結(jié)構(gòu)施工。故目前大多采用多層模板支架體系，施工周期一般已達(dá)到一周一層。但是，如果多層模板支架體系配置不合理、拆除不當(dāng)或混凝土早期養(yǎng)護(hù)不好，很容易造成支架倒塌事故，實(shí)際工程中這類事故及施工階段樓板開裂現(xiàn)象也不鮮見，嚴(yán)重影響了施工安全和施工進(jìn)展。因此，研究多層模板支架體系，對于選擇合理的施工方案，避免出現(xiàn)工程事故，縮短施工周期都具有重要意義。

1 多層模板支架體系的出現(xiàn)

隨著城市功能的多向化發(fā)展以及國家基礎(chǔ)性設(shè)施的可持續(xù)發(fā)展，城市高架橋、大跨度結(jié)構(gòu)、超高層結(jié)構(gòu)愈來愈多。加之建筑工程市場化后業(yè)方對投資周期要求的不斷縮短，要滿足建筑物每一層的混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)都達(dá)到28d的齡期后，再向上澆筑的施工方法顯然已經(jīng)不適應(yīng)當(dāng)前的施工節(jié)奏，在下層甚至多層混凝土主體結(jié)構(gòu)均未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求時就開始澆筑上層主體結(jié)構(gòu)己成為必然趨勢。于是，多層模板支架體系成為現(xiàn)在施工中普遍采用的解決方法，施工周期一般己達(dá)到一周一層。這樣對各樓層梁板結(jié)構(gòu)的模板支架體系而言，就需要有更多的模板及支架才能滿足工程進(jìn)度的要求。

高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)施工通常包括以下五道工序:①為澆筑上一層樓板而安裝支架和模板;②進(jìn)行鋼筋綁扎;③混凝土澆筑;④混凝土養(yǎng)護(hù);⑤拆除底層模板支架。這五道工序構(gòu)成一個施工循環(huán)，每一次施工循環(huán)，結(jié)構(gòu)就增加一層，這樣周而復(fù)始地施工，建筑就"生長"起來了。施工中的建筑，是隨時間也即隨施工工序而不斷變化的，這種自身隨時間變化的結(jié)構(gòu)稱為時變結(jié)構(gòu)，它的形狀、材料性能、空間位置均隨時間變化，隨工序進(jìn)行構(gòu)件不斷更替，作用在時變結(jié)構(gòu)上的外荷載也在不斷變化。

在多層模板支架體系中，新澆筑的混凝土重力荷載以及施工荷載 (包括施工恒載和施工活載)，必須通過多層模板支架傳遞給下面先前已澆筑完成的幾層樓板。在每一階段，荷載都由混凝土?xí)r變結(jié)構(gòu)和支架系統(tǒng)組成的臨時承載體系承擔(dān)，這一時變體系的混凝土材料性能與支模層數(shù)、施工周期密切相關(guān)，其承擔(dān)施工荷載隨施工工序不斷變化，也就是說施工過程中混凝土結(jié)構(gòu)及支架內(nèi)力是隨時間及模架形勢不斷變化的。我們把由混凝土?xí)r變結(jié)構(gòu)和支架系統(tǒng)組成的臨時承載體系稱為時變結(jié)構(gòu)體系。

2 層模板支架體系現(xiàn)存主要工程問題及原因

建筑物從開始施工建造到投入使用，再到使用若干年后進(jìn)入老化維修階段的整個生命周期過程中，在施工階段因結(jié)構(gòu)的不完整性、所受荷載的復(fù)雜性以及結(jié)構(gòu)抗力的不成熟性，結(jié)構(gòu)的平均風(fēng)險率最高，失效概率最大，如圖1所示：

現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)施工，由多層模板支架體系承擔(dān)新澆筑的樓層混凝土的重力荷載和施工荷載，模板支架將荷載傳給己澆筑好的數(shù)層樓板。由于施工周期短，這些承擔(dān)施工荷載的混凝土樓板仍處于養(yǎng)護(hù)期，混凝土還不成熟。而這些施工荷載又存在許多不確定性，有時甚至?xí)^成熟混凝土結(jié)構(gòu)正常便用狀態(tài)所承擔(dān)的設(shè)計(jì)荷載。由此造成現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量事故增加，嚴(yán)重的會使模板支架臨時結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)倒塌。工程質(zhì)量事故統(tǒng)計(jì)分析表明，施工階段建筑工程失效事故，明顯高于正常使用階段。在美國，大約57%的工程破壞事故發(fā)生在施工階段，俄羅斯的比例為70%。我國更為突出，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從1958年至1987年間國內(nèi)285起建筑結(jié)構(gòu)倒塌事故分析表明，施工期間發(fā)生的事故占83%，近10年357起倒塌事故統(tǒng)計(jì)，有78%的事故發(fā)生在施工階段。而這些事故主要與模板支架體系密切相關(guān)。

3 模板支架體系的發(fā)展

模板是澆筑混凝土構(gòu)件的施工工具。模板工程是混凝土和鋼筋混凝土建筑中一項(xiàng)量大而面廣的施工工藝?，F(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)模板工程約占混凝土結(jié)構(gòu)工程總造價的三分之一左右和總用工量的二分之一左右。因此模板的選用及設(shè)計(jì)計(jì)算方法直接關(guān)系到混凝土結(jié)構(gòu)工程成本的高低。另外，若多層模板支架體系選用不當(dāng)，易引發(fā)工程質(zhì)量事故或倒塌事故，為安全生產(chǎn)帶來隱患。為此，要加大研究和開發(fā)模板施工新技術(shù)、新產(chǎn)品，不斷改善模板支架設(shè)計(jì)計(jì)算方法，以滿足不同混凝土結(jié)構(gòu)的要求。同時，要積極引進(jìn)和借鑒國外先進(jìn)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)新型的模板體系和改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以促進(jìn)我國模板技術(shù)的發(fā)展。應(yīng)用新型模板技術(shù)，將為建筑企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)效益的提高產(chǎn)生積極的作用。特別是到了本世紀(jì)，隨著大量高層、超高層建筑的云涌，對模板工程的技術(shù)、安全等要求越來越高。模板支架體系是隨著模板工程技術(shù)進(jìn)步而相應(yīng)得到發(fā)展的。長期以來，與木模板工程配套的支架體系，普遍采用木支架或竹支架。

迄今為止，扣件式鋼管支架仍是我國最常用的模板支架形式，約占模板支架量的60%以上。門式支架及碗扣式支架在許多大型工程中也有應(yīng)用，但由于其較高價格等原因使其推廣受到一定限制，然而它們具有搭設(shè)高度高、剛度大、承載能力好等優(yōu)點(diǎn)，因此，門式支架及碗扣式支架仍將是今后模板支架發(fā)展的方向。

4 模板支架體系的研究

由于施工階段存在諸多的不確定性，對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)多層模板支架體系的研究尚欠完善，現(xiàn)有的研究也主要來自于國外。以往研究涉及以下幾個方面:引起模板倒塌事故的原因、施工荷載、立桿的穩(wěn)定性以及模板支架體系計(jì)算模型等。

北美一位學(xué)者Ayyubl提出，由于施工設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與施工過程不當(dāng)引起的事故占施工總事故的50%。引起模板倒塌的原因主要是:支撐設(shè)置不夠、早齡期混凝土養(yǎng)護(hù)時間不足、施工人員為趕施工進(jìn)度過早拆除模板或施工荷載估計(jì)不當(dāng)?shù)?。而對于拆除模板引起的事故，美國學(xué)者D.VRosowskyetal.提出由于拆模時混凝土還未達(dá)到28d齡期，所以一旦拆去模板及支架后，混凝土板自身的剛度和強(qiáng)度還不足以抵抗板上的荷載引起的作用，進(jìn)而引發(fā)樓板本身的一系列問題。施工荷載的不確定性是導(dǎo)致模板支架倒塌事故的一個重要的原因。施工荷載是指混凝土的自重、模板鋼管自重、機(jī)械設(shè)備、施工人員以及風(fēng)荷載等。美國學(xué)者Pengetal通過數(shù)值分析的方法得到各種荷載形式下支架的承載能力，并在對模板支架體系的調(diào)查中，得到施工荷載的多樣性對支架內(nèi)力及板的彎曲影響是最主要的。

同濟(jì)大學(xué)趙挺生等基于理論分析和現(xiàn)場實(shí)測以及對模板支架施工誤差和時變結(jié)構(gòu)體系承擔(dān)施工荷載的隨機(jī)性的認(rèn)識，建立了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工期設(shè)計(jì)分析方法，并用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工期設(shè)計(jì)分析的實(shí)例加以說明。清華大學(xué)張傳敏等通過對一批鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在施工期間活荷載的現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計(jì)和分析，發(fā)現(xiàn)堆積荷載是主要的施工活荷載，并可以用指數(shù)分布描述對指數(shù)分布的參數(shù)進(jìn)行估計(jì)并將施工活荷載轉(zhuǎn)化為均布荷載。對多層模板支架體系進(jìn)行力學(xué)性能分析，需建立合理的多層模板支架體系分析模型。20世紀(jì)五十年代以來，各國學(xué)者相繼提出精確分析模型、簡化分析模型和精化分析模型以及等效框架分析模型等。

5 結(jié)束語

造成模板支架體系倒塌和樓板開裂兩種現(xiàn)象的主要原因是由于過去對多層模板支架體系的重視程度不夠，對多層模板支架與主體結(jié)構(gòu)共同受力的性狀研究較少，在實(shí)測試驗(yàn)等方面，也缺乏第一手資料，難以進(jìn)行深入的分析研究工作。工程實(shí)踐的迫切需要與研究現(xiàn)狀的相對落后，不僅說明此方面的理論研究和取得的成果都十分欠缺，更說明開展此項(xiàng)科研工作的必要性和緊迫性。

[1]王光遠(yuǎn).論時變結(jié)構(gòu)力學(xué)，土木工程學(xué)報，vol.33，No.6，2000.12,105-108

[2]趙挺生.基于時變性的混凝土建筑施工方案優(yōu)選，華中科技大學(xué)學(xué)報，Vol.22，No.4，2005.12，12-16

[3]劉西拉.結(jié)構(gòu)工程學(xué)科的現(xiàn)狀與展望，人民交通出版社，1997