人為過失對高支模支架安全性的影響

(安徽工業(yè)大學建筑工程學院,安徽馬鞍山243032)

隨著我國城鎮(zhèn)化建設的不斷發(fā)展，高支模支架體系所借鑒的相關支架規(guī)范也日趨完善[1-2]。然而高支模支架事故仍頻頻發(fā)生。分析近年來多起高支模支架事故發(fā)現(xiàn)，人為過失是導致高支模支架事故的重要原因之一[3-5]。國內外一些學者對此進行了相關研究，如：謝楠等[6]通過對高支模支架中人為過失的調查,探討了人為過失的發(fā)生規(guī)律，并對人為過失對高支模結構承載力的影響及多個人為過失因素同時出現(xiàn)時高支模支架的可靠度等進行了分析；宋方方[7]利用ANSYS軟件對高支模支架承載力進行模擬分析，得到了人為過失影響下承載力的變化規(guī)律，并采用魚刺圖分析的方法，得出高支模事故主要來源于人為失誤的結論；趙凱[8]對高支模板支架進行優(yōu)化設計，利用有限元分析了在有、無人為過失兩種情況下，高支模支架的可靠性；Stewart[9]利用可靠性分析(HRA)模型模擬人為過失對鋼筋混凝土梁結構的影響，認為人為過失是導致結構不安全的重要原因。

本文依照人為過失因素對高支模支架安全體系影響權重大小，構建高支模支架人為過失層次結構體系，進而通過數(shù)值模擬，探討人為過失對高支模支架安全性的影響。

1 人為過失結構層次體系的建立

人為過失指的是所有達不到有關規(guī)范、標準、規(guī)程要求的行為與結果[10]。通過對高支模支架事故的實地調研，結合當前相關高支模支架的研究成果[11-13]，目前主要存在4類人為過失問題：高支模支架的結構布置人為過失問題；高支模支架材料質量和幾何參數(shù)人為過失問題；施工過程模板支架搭設安裝人為過失問題；相關的監(jiān)管與檢查人為過失問題。本文選取16種常見人為過失，構建考慮人為過失影響的層次結構體系，如圖1。

圖1 考慮人為過失影響的層次結構體系圖Fig.1 Hierarchical structure diagram considering the influence of human error

2 高支模支架人為過失影響因素的安全性評價

2.1 判斷矩陣的構造

判斷矩陣通過對相同層次中各因素相對于上一層中某一個因素的重要性程度的比較和評分得到[14]，比較評分分值設置如表1。

采取客觀分析法對高支模支架中人為過失評分，綜合各種因素及研究結論給出各層次評分見表2～6。

表1 高支模支架人為過失評價分值表Tab.1 Human error evaluation score table of high formwork support

表2 A-B評分表Tab.2 A-Bscore table

表3 B1-C評分表Tab.3 B1-Cscore table

表4 B2-C評分表Tab.4 B2-Cscore table

表5 B3-C評分表Tab.5 B3-Cscore table

由以上各評分表給出對應的判斷矩陣分別為：

表6 B4-C評分表Tab.6 B4-Cscore table

2.2 層次單排序及其一致性檢驗

由上述矩陣A,B1,B2,B3,B4，求出對應的判斷矩陣的最大特征值

其中：ω為A對應的特征向量；n為特征向量維數(shù)；(Aω)i表示Aω的第i個分量。ω可按以下方法求解：先將判斷矩陣A的每一列歸一化，得到新的矩陣方程B=(bij)n×n，再對矩陣B的行求和，即

求出最大特征值λmax后，需對人為過失的判斷矩陣進行一致性檢驗，檢驗的標準由一致性指標C表示，其計算式為

C=0表明判斷矩陣完全一致，為理想的結果；C值過大，表明判斷矩陣不一致程度大。故C需控制在一定范圍內。為此引入隨機一致性指標R。

滿足式(5)時，判斷矩陣A的一致性是符合要求的，否則，所求的判斷矩陣需進行重新調整。隨機一致性指標R的取值如表7。由式(1)～(5)，計算得層次單排序的計算結果及檢驗表(表8)。

表7 隨機一致性指標R的取值Tab.7_ Values of random consistency index R

表8 層次單排序計算結果Tab.8_ Results of hierarchical single ranking calculation table

2.3 層次總排序

由表8中判斷矩陣A特征向量ω分別與B1，B2，B3，B4，特征向量ω的乘積計算得到層次總排序，結果見表9。

表9 層次總排序Tab.9 Hierarchical total ranking

2.4 結果與分析

為了更好地分析綜合權重的排序情況，對總排序表中各人為因素的綜合權重按由大到小排序，如表10。由表10可以看出：前9項人為過失的綜合權重累積值達到0.843 0，接近0.85，占據(jù)較大比重，基本包含了最主要的人為過失。由表10中綜合權重的大小可以得到，對高支模支架影響較大的人為過失依次為：立桿步距(0.235 6)→水平剪刀撐布置(0.104 3)→鋼管壁厚(0.094 5)、立桿間距(0.094 5)、立桿超過水平桿長度(0.094 5)→支架與已有建筑物的有效連接(0.088 8)→支架扣件的擰緊力矩(0.050 0)→掃地桿布置(0.040 4)、豎向剪刀撐布置(0.040 4)。立桿基礎、立桿初始彎曲、節(jié)點間搭核(0.033 2)綜合權重反映其對高支模支架的安全性影響。模板面堆載(0.008 3)、混凝土泵的固定 (0.012 7)、雙向水平桿設置(0.025 8)及不正確的澆搗方式(0.020 6)綜合權重較小，對高支模支架的安全性影響相對較小。

表10 人為過失綜合權重排序Tab.10_ Comprehensive weight ranking of human errors

3 人為過失對高支模支架安全性影響的數(shù)值模擬

3.1 高支模支架ANSYS模型的建立

為進一步分析人為過失對高支模支架的影響，在前述層次分析法結論的基礎上，采用有限元ANSYS軟件對高支模支架進行數(shù)值模擬[15]。有限元模型建立在高支模支架工程實例的基礎上。對高支模支架底端采用全自由度約束；在頂端各節(jié)點處施加集中力荷載，荷載的總和為單位1；立桿和橫桿均采用beam188單元，其屬性參考beam188單元的性質設定；設置有剪刀撐和無剪刀撐兩種支撐方式?；緟?shù)如下：立桿步距1.50 m；梁縱向間距0.7 m，選取十跨；梁橫向間距0.4 m，兩跨；梁支撐架梁頂?shù)降孛娲钤O高度9.8 m；梁底7.3 m。

鋼管類型為Φ48 mm×3.5 mm，其中鋼管的彈性模量E=2.06×1011Pa，泊松比為0.3，密度為7 850kg/m3。建立的ANSYS模型(圖2)及荷載約束(圖3)。

3.2 高支模支架中人為過失數(shù)值模擬與分析

圖2 高支模支架ANSYS模型Fig.2 ANSYS model of high formwork support

圖3 高支模支架模型的約束及荷載布置Fig.3 Constraint and load layout of high formwork support model

數(shù)值模擬主要是對高支模支架體系進行屈曲分析，用于研究結構在特定載荷下的穩(wěn)定性并確定結構失穩(wěn)的臨界載荷[16]。為保證數(shù)值模擬的準確性，文中對高支模有限元模型施加單位1的力，采用線性分析的方法，以模擬高支模支架在一階屈曲分析時的屈曲荷載臨界大小(即特征值屈曲),以此作為衡量高支模支架安全性能的指標。

模擬中人為過失分以下幾種：立桿步距、剪刀撐布置、鋼管壁厚、立桿間距、立桿頂端超過水平桿長度、掃地桿布置，分別考慮高支模支架有、無剪刀撐兩種方式。限于篇幅，僅給出立桿步距對高支模支架安全性影響的有限元模型，其他組以表格給出模擬結果。

表11 不同步距數(shù)值模擬結果Tab.11 Numerical simulation results corresponding to different steps

3.2.1 立桿步距對高支模支架安全性的影響

設立1.2，1.5，1.8，2.1，2.4 m 5組步距，分別模擬其在有、無剪刀撐設置時的一階屈曲受力和變形情況。其中，1.5 m步距條件下，施加荷載和約束后得到的一階屈曲作用下的總體變形位移如圖4。模擬所得一階屈曲臨界值見表11。

圖4 高支模支架立桿1.5 m步距總體位移變形Fig.4 Overall displacement and deformation of 1.5 m step distance of the vertical bar for high formwork support

由表11可見：設置剪力支撐時,從實例模型的1.5 m步距到1.8，2.1，2.4 m，對應一階屈曲荷載臨界值分別減小了16.93%，27.38%，39.81%；相同步距條件下，未設置剪刀撐的支架比設置剪刀撐支架的屈曲荷載臨界分別下降了17.01%，21.03%，24.05%，26.78%，27.25%。

3.2.2 鋼管壁厚對高支模支架安全性的影響

設置Φ48mm×3.5mm，Φ48mm×3.2mm，Φ48mm×2.9 mm，Φ48 mm×2.6 mm，Φ48 mm×2.3 mm不同壁厚5組，模擬不同壁厚值鋼管對高支模支架安全性的影響。在有、無剪刀撐兩種情況下，模擬結果如表12。

由表12可見：設置剪力支撐時,壁厚為3.5，3.2，2.9，2.6，2.3 mm，對應一階屈曲荷載臨界值分別下降了7.54%，15.21%，23.02%，31.08%；在相同壁厚條件下，未設置剪刀撐組比設置剪刀撐組的屈曲荷載臨界值分別下降了20.54%，20.79%，20.75%，20.87%，21.03%。

表12 不同壁厚值對應的數(shù)值模擬結果Tab.12 Numerical simulation results corresponding to different wall thickness values

3.2.3 立桿間距對高支模支架安全性的影響

在縱向總長度不變的情況下，對縱向立桿間距設置幾組不同數(shù)值，設置縱向間距分別為：0.7 m十跨、1.0 m七跨、1.4 m五跨、1.75 m四跨4組。采用線性屈曲分析的方法，得到不同間距對應的一階屈曲荷載臨界值，見表13。

由表13可見：設置剪力支撐時,間距由0.7 m分別增大到1.0，1.4，1.75 m，其一階屈曲荷載臨界值分別下降了22.75%，38.49%，50.79%；相同間距條件下，未設置剪刀撐的各組相對設置剪刀撐的各組，一階屈曲荷載臨界值分別下降了21.03%，27.37%，29.89%，31.45%。

表13 不同間距值對應的數(shù)值模擬結果Tab.13 Numerical simulation results corresponding to different spacing values

3.2.4 掃地桿對高支模支架安全性的影響

設置0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 m5組掃地桿高度，外加一組1.5 m高度(即不設掃地桿的情況)，對其進行線性屈曲分析，得到不同高度掃地桿條件下，高支模支架的一階屈曲荷載臨界值，結果如表14。

由表14可見：設置剪力支撐時,對應的掃地桿高度為0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 m，一階屈曲荷載臨界值分別下降了7.14%，12.17%，17.0%，21.30%，26.19%；相同掃地桿高度條件下，未設置剪刀撐的各組相對設置剪刀撐的各組，一階屈曲荷載臨界值分別下降了21.03%，20.57%，20.18%，19.17%，19.15%，18.45%。

表14 不同掃地桿高度對應的數(shù)值模擬結果Tab.14 Numerical simulation results corresponding to different heights of sweeping rod

3.2.5 頂端伸出長度對高支模支架安全性的影響

設置0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 m不同伸出長度。通過數(shù)值模擬得到不同頂端伸出長度對應的高支模支架一階屈曲荷載臨界值，結果如表15。

由表15可見：設置剪力支撐時,頂端伸出長度為0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 m，各組對應的一階屈服荷載臨界值分別下降了5.19%，27.60%，54.23%，68.85%；相同頂端伸出長度條件下，未設置剪刀撐的各組相對設置剪刀撐的各組，一階屈曲荷載臨界值分別下降了21.82%，16.71%，5.0%，1.79%，1.75%。

表15 不同頂端伸出長度對應的數(shù)值模擬結果Tab.15 Numerical simulation results corresponding to different top extension lengths

3.3 結果比較

分析有、無剪刀撐兩種情況模擬結果，可以看出：當設置剪刀撐時，立桿步距、鋼管壁厚、立桿間距、掃地桿高度、立桿頂端超過水平桿長度各組中一階屈曲荷載臨界值降低最多分別為39.81%，31.08%，50.79%，26.19%，68.85%，上述人為過失對高支模支架影響的排序情況為：立桿頂端超過水平桿長度→立桿間距→立桿步距→鋼管壁厚→掃地桿布置；未設置剪刀撐與設置剪刀撐相比，立桿步距、鋼管壁厚、立桿間距、掃地桿高度、立桿頂端超過水平桿長度各組一階屈曲荷載臨界值下降最多分別為27.25%，21.03%，31.45%，21.03%，21.82%，上述人為過失對高支模支架影響的排序情況為：立桿間距→立桿步距→立桿頂端超過水平桿長度→鋼管壁厚、掃地桿布置。

4 結 論

針對高支模支架中四類常見人為過失問題，基于層次分析法與ANSYS數(shù)值模擬，對高支模支架中人為過失影響因素進行分析研究，所得主要結論如下：

1)層次分析法結果排序為：立桿步距→立桿頂端超過水平桿長度、立桿間距、鋼管壁厚→掃地桿布置；

2)設置剪刀撐時，排序情況為立桿頂端超過水平桿長度→立桿間距→立桿步距→鋼管壁厚→掃地桿布置；未設置剪刀撐時，排序結果為立桿間距→立桿步距→立桿頂端超過水平桿長度→鋼管壁厚、掃地桿布置；

3)在考慮人為過失影響因素的高支模支架中，立桿頂端超過水平桿長度、立桿間距、立桿步距這3個因素影響較大，鋼管壁厚影響居中，掃地桿影響最小。