高支模架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載力的影響因素分析

鄧志華

（中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510300）

1 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)范圍不斷擴(kuò)大，大跨度、高層高的建筑物日益增多，高支模架工藝在結(jié)構(gòu)施工中愈發(fā)普遍。高支模通常指在建筑工程中搭設(shè)高度為5m及以上、搭設(shè)跨度為10m及以上、施工總荷載為10kN/m2及以上、集中線(xiàn)荷載為15kN/m及以上、高度大于支撐水平投影寬度且相對(duì)獨(dú)立無(wú)聯(lián)系構(gòu)件的混凝土模板支撐工程。高支模作為結(jié)構(gòu)施工的重點(diǎn)，技術(shù)難度大，危險(xiǎn)性高，影響因素多，稍有失誤就可能發(fā)生架體坍塌事故，引發(fā)人員傷亡。渚碧島燈塔塔基為兩層八角形結(jié)構(gòu)，取“際天及地、取道自然、剛?cè)岵?jì)”的理念設(shè)計(jì)，檐口高9.1m，塔身圓柱形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，建筑高度為55.45m，是我國(guó)承擔(dān)和履行海上搜尋與救援、航行安全等國(guó)際責(zé)任與義務(wù)的載體。為預(yù)防高支模架發(fā)生結(jié)構(gòu)坍塌事故，有必要對(duì)高支模架結(jié)構(gòu)破壞的影響因素進(jìn)行分析[1]。

2 荷載取值

渚碧島燈塔為現(xiàn)澆混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，建筑高度為55.45m，檐口標(biāo)高度高為9.10m，現(xiàn)澆混凝土板厚度為300mm，支模最大高度為9.10m。采用頂托、扣件及Ф48×3.0mm鋼管搭設(shè)滿(mǎn)堂腳手架作模板支承架，高支模架荷載考慮混凝土樓板的自重、模板及其骨架的自重、支架自重及施工荷載。

（1）混凝土樓板的自重，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）的規(guī)定，取300×25.5=7.65kN/m2。

（2）模板及其骨架的自重，參考《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ 162—2008），取0.5kN/m2。

（3）支架自重，按Ф48×3.0mm鋼管實(shí)際自重，取3.33kg/m。

（4）施工荷載，根據(jù)《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ 162—2008）的規(guī)定，取2.5kN/m2。

混凝土樓板因厚度較薄，混凝土下料及振搗對(duì)模板系統(tǒng)的影響較小，故不考慮混凝土下料及振搗的作用。

3 極限平衡法分析高支模架穩(wěn)定承載力的影響因素

高支模架結(jié)構(gòu)破壞主要分為失穩(wěn)破壞及局部承載力破壞。其中失穩(wěn)破壞是導(dǎo)致高支模架大面積坍塌的主要原因，采用極限平衡法進(jìn)行計(jì)算，分析高支模架的搭設(shè)高度、水平桿搭設(shè)步距及頂部懸挑部位的長(zhǎng)度等3種因素對(duì)高支模架穩(wěn)定承載力的影響[2]。

3.1 搭設(shè)高度

采用該燈塔高支模架的實(shí)際搭設(shè)數(shù)據(jù)，立桿縱橫距均為1.0m，步距為1.5m，頂部水平桿中心距主龍骨下皮長(zhǎng)度為0.3m。利用極限平衡公式σ=N/（φA）進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算成果如表1所示。

表1 改變計(jì)算高度成果統(tǒng)計(jì)表

由此得知，最大應(yīng)力值與計(jì)算高度基本呈正相關(guān)線(xiàn)性關(guān)系，但計(jì)算高度的增大對(duì)最大應(yīng)力值的影響較小，計(jì)算高度為13m時(shí)，僅比9m的最大應(yīng)力值增加3.78%。由于鋼管腳手架的自重較輕，增大搭設(shè)高度僅影響架體自重，因此計(jì)算高度的增大對(duì)高支模架穩(wěn)定承載力的影響很小。

3.2 搭設(shè)步距

取水平桿搭設(shè)步距為1.5m、1.6m、1.7m、1.8m、1.9m，代入極限平衡公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算成果如表2所示。

表2 改變步距計(jì)算成果統(tǒng)計(jì)表

由此得知，最大應(yīng)力值與水平桿搭設(shè)步距基本呈正相關(guān)線(xiàn)性關(guān)系，且水平桿搭設(shè)步距的增大對(duì)最大應(yīng)力值的影響較大，步距為1.9m時(shí)的最大應(yīng)力值比步距為1.5m時(shí)的最大應(yīng)力值增大34.59%。

在線(xiàn)開(kāi)放課程可以為學(xué)生提供區(qū)別化學(xué)習(xí)的平臺(tái)。課前，教師利用課程平臺(tái)推送相關(guān)的學(xué)習(xí)資源（如課件、微課），通過(guò)發(fā)布任務(wù)組織學(xué)生做好課前預(yù)習(xí)；學(xué)生在領(lǐng)取任務(wù)之后，可以依據(jù)自身現(xiàn)有的學(xué)習(xí)水平進(jìn)行自主的、探索的學(xué)習(xí)；教師再依據(jù)學(xué)生自主預(yù)習(xí)的情況完成學(xué)情分析，為課堂的教學(xué)做出具有針對(duì)性的計(jì)劃。

3.3 頂部懸挑部位的長(zhǎng)度

取頂部懸挑部位的長(zhǎng)度為0.1m、0.2m、0.3m、0.4m、0.5m，代入極限平衡公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算成果如表3所示。

由此得知，最大應(yīng)力值與頂部懸挑部位長(zhǎng)度基本呈正相關(guān)線(xiàn)性關(guān)系，且懸挑部位長(zhǎng)度的增大對(duì)最大應(yīng)力值的影響非常大，懸挑部位長(zhǎng)度為0.5m，僅比0.1m增大0.4m，其最大應(yīng)力值則增大89.08%。因此，控制頂部懸挑部位的長(zhǎng)度是高支模架設(shè)計(jì)及施工中最為重要的控制點(diǎn)。

表3改變頂部懸挑部位長(zhǎng)度計(jì)算成果統(tǒng)計(jì)表

4 有限單元法分析高支模架穩(wěn)定承載力的影響因素

在工程實(shí)踐中，高支模架結(jié)構(gòu)通常采用經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，或采用極限平衡分析方法利用公式進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)，均未能夠科學(xué)、有效地控制高支模架整體的受荷狀態(tài)[3]。國(guó)外分析高支模架常借有限單元法進(jìn)行建模計(jì)算高支模架的應(yīng)力、應(yīng)變及位移變化，并以此作為設(shè)計(jì)的依據(jù)。Chandrangsu等[4]利用商業(yè)有限元軟件建立三維模型，模擬施工中高支模架的應(yīng)力、應(yīng)變及沉降位移情況，并與實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，證實(shí)利用有限單元法能較好地模擬高支模架施工中的受荷及破壞情況。另外，蘇衛(wèi)國(guó)等[5]指出Midas有限元程序適用于高支模架結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬。

下面將利用Midas有限元軟件對(duì)高支模架進(jìn)行三維建模，分析剪刀撐、掃地桿構(gòu)造措施對(duì)高支模架穩(wěn)定承載力的影響。根據(jù)工程實(shí)際情況，模板采用板單元模擬，模板下木方、鋼管、水平桿及立桿均采用梁?jiǎn)卧M，扣件處采用共用節(jié)點(diǎn)連接簡(jiǎn)化處理。因模板與主次龍骨均為協(xié)同作用，故板單元與梁?jiǎn)卧嗖捎霉灿霉?jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。

4.1 剪刀撐

（1）豎直剪刀撐對(duì)高支模架穩(wěn)定承載力的影響。按布置跨度10m內(nèi)2道、3道、4道由下至上連續(xù)豎向剪刀撐，不布置水平剪刀撐進(jìn)行建模計(jì)算，計(jì)算成果如表4所示。

表4 改變豎向剪刀撐計(jì)算成果統(tǒng)計(jì)表

由此得知，豎向剪刀撐數(shù)量的增加對(duì)高支模架整體穩(wěn)定有較明顯的效果。其因豎向剪刀撐抗側(cè)移能力強(qiáng)，且剪刀撐的斜桿作為高支模架整體結(jié)構(gòu)保持幾何不變體系的必要構(gòu)件，不可缺失。

（2）水平剪刀撐對(duì)高支模架穩(wěn)定承載力的影響。豎向剪刀撐僅外圍一周布置，水平剪刀撐加強(qiáng)層按2層、3層、4層進(jìn)行建模計(jì)算，計(jì)算成果如表5所示。

高支模架的立桿失穩(wěn)，主要是由于立桿受荷載的壓力作用而失穩(wěn)破壞，水平剪刀撐加強(qiáng)層對(duì)模架豎向立桿抵抗彎曲變形的增強(qiáng)效果并不明顯。因此計(jì)算成果顯示，增大水平剪刀撐的數(shù)量對(duì)模架最大應(yīng)力值的影響較小。實(shí)際情況中，剪刀撐與立桿采用旋轉(zhuǎn)扣件進(jìn)行連接，旋轉(zhuǎn)扣件可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)進(jìn)一步減弱水平剪刀撐對(duì)模架穩(wěn)定承載力的影響。但是，布置水平剪刀撐加強(qiáng)層后的模架結(jié)構(gòu)對(duì)扭轉(zhuǎn)破壞的抵抗作用非常明顯，因此不能忽視水平剪刀撐的布置。

表5 改變水平剪刀撐數(shù)量計(jì)算成果統(tǒng)計(jì)表

4.2 掃地桿

按掃地桿布置高度0.2m、0.3m、0.4m，進(jìn)行建模計(jì)算，計(jì)算成果如表6所示。

表6 改變掃地桿布置高度計(jì)算成果

雖然掃地桿布置高度的變化對(duì)高支模架整體穩(wěn)定承載力計(jì)算成果影響較微，但實(shí)際情況中，模架基礎(chǔ)不平整等原因?qū)е履＜芰U底部懸空時(shí)有發(fā)生，按規(guī)范設(shè)置掃地桿能有效增強(qiáng)模架底部立桿的穩(wěn)定性，建議掃地桿設(shè)置于離地20cm處。

5 結(jié)束語(yǔ)

用極限平衡法分析高支模架的搭設(shè)高度、搭設(shè)步距及頂部懸挑部位的長(zhǎng)度對(duì)高支模架穩(wěn)定承載力的影響；再用有限單元法分析剪刀撐，掃地桿構(gòu)造措施對(duì)高支模架整體穩(wěn)定的影響，得出結(jié)論。

（1）高支模架的搭設(shè)高度越高、搭設(shè)步距越大及頂部懸挑部位的長(zhǎng)度越大，模架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越差。其中頂部懸挑部位的長(zhǎng)度為最主要的穩(wěn)定控制因素，在設(shè)計(jì)及施工中均應(yīng)反復(fù)核查。另外，給人以感官錯(cuò)覺(jué)為主要影響因素的搭設(shè)高度對(duì)高支模架的整體穩(wěn)定影響較小。

（2）剪刀撐、掃地桿構(gòu)造措施對(duì)高支模架整體穩(wěn)定存在不同程度的影響，其中，豎向剪刀撐的布置對(duì)整體穩(wěn)定影響較大。為保證高支模架的穩(wěn)固及人員安全，所有構(gòu)造措施均應(yīng)按規(guī)范嚴(yán)格執(zhí)行。