建筑高處大懸挑結(jié)構(gòu)模板支撐架施工技術(shù)

倪張江

溫州城建集團(tuán)股份有限公司 浙江 溫州 325000

高處大懸挑結(jié)構(gòu)的建設(shè)屬于高空作業(yè)[1-2]，且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，存在嚴(yán)重的安全問(wèn)題。為此，研究高處大懸挑結(jié)構(gòu)的模板支撐架施工技術(shù)具有極其重要的意義。目前，國(guó)內(nèi)外研究的建筑高處大懸挑結(jié)構(gòu)模板支撐架，分懸挑支模架、懸挑型鋼平臺(tái)和鋼管腳手架組合成懸挑支模架這2種模板。前一種模板支撐架的支撐模式多為鋼管扣件式，對(duì)于這種模式的模板支撐架研究成果非常多，國(guó)外學(xué)者采用二維和三維模型，計(jì)算模板支撐架剛度，得出模板支撐架動(dòng)力特性，國(guó)內(nèi)學(xué)者采用ANSYS模擬模板支撐架承載力，確定模板支撐架整體穩(wěn)定性；后一種形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鋼平臺(tái)，采用碗扣式支撐體系支撐高處大懸挑結(jié)構(gòu)，這也是國(guó)內(nèi)主要研究的支撐模板[3-4]。但是，上述研究的2種模板支撐模式，分別存在適用性窄、穩(wěn)定性差、老舊率高、受尺寸限制、成本高、易損壞等問(wèn)題。

1 研究建筑高處大懸挑結(jié)構(gòu)模板支撐架施工技術(shù)

設(shè)計(jì)大懸挑結(jié)構(gòu)模板支撐架施工技術(shù)，需要考慮模板支撐架可以承受的大懸挑結(jié)構(gòu)的壓力，避免模板支撐架在支撐大懸挑結(jié)構(gòu)過(guò)程中，出現(xiàn)模板支撐架穩(wěn)定性差、支撐架彎曲等現(xiàn)象[5-6]，影響施工人員的安全。所以，此次設(shè)計(jì)的大懸挑結(jié)構(gòu)模板支撐架施工技術(shù)將從模板支撐架梁柱節(jié)點(diǎn)半剛性、支撐架荷載、穩(wěn)定性等方面，確定模板支撐架施工技術(shù)參數(shù)，完成建筑高處大懸挑結(jié)構(gòu)模板支撐架施工技術(shù)設(shè)計(jì)。

1.1 計(jì)算模板支撐架施工參數(shù)

1）模板支撐架梁柱節(jié)點(diǎn)半剛性。當(dāng)前，設(shè)計(jì)能夠承受巨大懸挑結(jié)構(gòu)力的模板支撐架，最佳的材料框架是鋼架[7-9]。但是在模板支撐架中，所使用的鋼框架，其半剛性也存在一定的差異，為此，需要計(jì)算模板支撐架梁柱節(jié)點(diǎn)的半剛性。

支撐模板梁柱節(jié)點(diǎn)半剛性，采用數(shù)學(xué)方式可以將其表達(dá)為彎矩和轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系[10-12]。所以，采用彎矩-轉(zhuǎn)角線性模型（圖1），表示支撐模板梁柱節(jié)點(diǎn)半剛性計(jì)算模型。

圖1中，Rk1表示初始剛度；M表示彎矩；θ表示轉(zhuǎn)角；k表示標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)。根據(jù)圖1所示的彎矩-轉(zhuǎn)角線性模型，采用多項(xiàng)式方式，得到支撐模板梁柱節(jié)點(diǎn)半剛性為：

圖1 彎矩-轉(zhuǎn)角線性模型

式中：C1、C2、C3——曲線擬合參數(shù)。

根據(jù)式（1）可得到模板支撐架梁柱節(jié)點(diǎn)半剛性參數(shù)。

2）模板支撐架荷載。模板支撐架的荷載來(lái)自大懸挑結(jié)構(gòu)對(duì)模板支撐架結(jié)構(gòu)造成的壓力、自身結(jié)構(gòu)、材料、風(fēng)，以及施工人員在施工過(guò)程中產(chǎn)生的施工質(zhì)量[13]。所以將模板支撐架的荷載分為靜荷載、歐拉荷載和風(fēng)荷載3種。

其中，靜荷載通過(guò)荷載測(cè)量?jī)x即可得到，即模板支撐架自重產(chǎn)生的軸向力及大懸挑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的軸向力。假設(shè)基本風(fēng)壓為w0，風(fēng)荷載高度變化系數(shù)為U1，風(fēng)荷載體型系數(shù)為U2，則風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值w為：

歐拉荷載也叫臨界荷載，表示模板支撐架可以承受的最大荷載。所以，假設(shè)模板支撐架桿材料楊氏模量為E，模板支撐架壓桿橫截面慣性矩為I，壓桿抗彎剛度為EI，則歐拉荷載P的表達(dá)式為：

式中：l——壓桿的長(zhǎng)度；

π ——模板支撐架壓桿在空間內(nèi)的多自由度[14]。

3）模板支撐架穩(wěn)定承載力?；谑剑?）和式（3）得到的風(fēng)荷載值和歐拉荷載值以及測(cè)量得到的靜荷載值，需要分別計(jì)算模板支撐架的組合荷載和不組合荷載這兩部分。所以，設(shè)模板支撐架靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值為N1，則模板支撐架不組合荷載N軸向力計(jì)算公式為：

式中：H——模板支撐架搭設(shè)高度。

假設(shè)與墻相連接的模板支撐架的豎向間距為H1，則模板支撐架組合風(fēng)荷載的軸向力計(jì)算公式為：

式中：b——承載力。

綜合式（4）和式（5），即可確定模板支撐架穩(wěn)定性，其計(jì)算公式為：

式中：Nd——模板支撐架穩(wěn)定承載力設(shè)計(jì)值，kN[15]。

根據(jù)式（6）確定承載力設(shè)計(jì)值Nd。假設(shè)模板支撐架的穩(wěn)定系數(shù)為φ，模板支撐架桿的換算截面回轉(zhuǎn)半徑為i，模板支撐架的高度為h，模板支撐架桿的橫截面積為A1，桿的換算截面慣性矩為I，模板支撐架鋼材的強(qiáng)度為f，桿的橫截面積為A，則模板支撐架的穩(wěn)定承載力計(jì)算公式為：

根據(jù)式（7）可計(jì)算出模板支撐架所能支撐的最大力。

綜合式（1）～式（7），即可計(jì)算出模板支撐架施工技術(shù)參數(shù)，此時(shí)，需要根據(jù)上述公式計(jì)算出的施工技術(shù)參數(shù)，設(shè)計(jì)模板支撐架，支撐大懸挑結(jié)構(gòu)。

1.2 支撐建筑高處大懸挑結(jié)構(gòu)

基于上述7個(gè)公式計(jì)算的大懸挑結(jié)構(gòu)模板支撐架施工技術(shù)參數(shù)，支撐建筑高處大懸挑結(jié)構(gòu)。圖2所示的模板支撐架施工流程，需要從水平和垂直這2個(gè)方向搭設(shè)模板支撐架。

圖2 模板支撐架施工流程

模板支撐架施工流程分為垂直和水平這2個(gè)方向。

垂直方向主要包含以下事項(xiàng)：

1）模板支撐架的支撐桿，均應(yīng)設(shè)置交叉支撐，并將所有的交叉點(diǎn)采用鎖銷鎖牢。

2）交叉支撐和模板鋪設(shè)這2個(gè)過(guò)程應(yīng)同時(shí)進(jìn)行。

3）所有連接鎖銷位置必須設(shè)置連接棒和鎖臂，且連接棒直徑需要小于支撐桿內(nèi)徑1～2 mm。

4）模板支撐架內(nèi)，支撐桿的自由度必須小于4 m。

5）隨著模板支撐架高度的增加，應(yīng)逐層改變模板搭設(shè)方向。

6）校驗(yàn)?zāi)０逯渭艿乃蕉群痛怪倍取?/p>

水平方向主要包含以下事項(xiàng)：

1）模板支撐架水平方向的搭設(shè)與垂直方向同步進(jìn)行。

2）模板支撐架的轉(zhuǎn)角處、端部及間斷處，一個(gè)跨范圍內(nèi)，都需要一步一鋪設(shè)水平架。

3）每一層都需要連續(xù)設(shè)置水平架。

4）模板需與配件U形銷、搭鉤處于插緊和鎖住狀態(tài)。

5）支撐架轉(zhuǎn)角處之間的距離不足一個(gè)跨距時(shí)，需要增設(shè)連墻件，搭設(shè)過(guò)程中，需采用鋼管和扣件。

綜合上述內(nèi)容，即完成模板支撐架施工技術(shù)設(shè)計(jì)，且設(shè)計(jì)的模板支撐架與建筑高處的大懸挑結(jié)構(gòu)相符合，避免了支撐不穩(wěn)定、安全裕度低等問(wèn)題，可以滿足建筑高處大懸挑結(jié)構(gòu)對(duì)模板支撐架的需求。

2 試驗(yàn)論證分析

此次試驗(yàn)采用對(duì)比試驗(yàn)的方式進(jìn)行案例分析，驗(yàn)證此次的建筑高處大懸挑結(jié)構(gòu)模板支撐架施工技術(shù)。選擇某城市已經(jīng)竣工的建筑工程所記錄的大懸挑結(jié)構(gòu)施工數(shù)據(jù)，作為此次試驗(yàn)的研究對(duì)象。同時(shí)，將此次研究的建筑高處大懸挑結(jié)構(gòu)模板支撐架施工技術(shù)記為試驗(yàn)A組，文獻(xiàn)里提到的2種建筑高處大懸挑結(jié)構(gòu)模板支撐架施工技術(shù)，分別記為試驗(yàn)B組和試驗(yàn)C組。確定檢測(cè)點(diǎn)和檢測(cè)時(shí)間，對(duì)比3組技術(shù)位移、應(yīng)力和內(nèi)力變化。

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

此次試驗(yàn)選擇某城市已經(jīng)竣工的建筑工程，其建筑設(shè)計(jì)概況如下：地上建筑面積為160 268.49 m2，共建房屋15層，每層的絕對(duì)高程為4.15 m，女兒墻高度為0.6 m；地下建筑面積為29 110.775 m2，地下建筑層數(shù)1層，其室內(nèi)外高度差為0.3 m?；谏鲜龅慕ㄖO(shè)計(jì)概況，該建筑在6樓至15樓之間需要設(shè)計(jì)鏤空建筑，搭建高處大懸挑結(jié)構(gòu)，其鏤空高度為80 m、長(zhǎng)度為15.6 m、進(jìn)深為11.3 m。

上述所需要搭建的高處大懸挑結(jié)構(gòu)要在16樓合攏，其標(biāo)高為99.6 m、凈長(zhǎng)為14.9 m、凈寬為9.7 m。在上述所示的16樓合攏層數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，搭建高處大懸挑結(jié)構(gòu)，還需要考慮樓層樓板厚度和房梁數(shù)目。

此次試驗(yàn)時(shí)，將每層的樓板厚度設(shè)定為0.12 m，高處大懸挑結(jié)構(gòu)梁柱的橫跨設(shè)計(jì)，將其分為橫向1～6，6個(gè)軸，5跨，跨度分別為3 100、8 600、8 600、8 600、8 600 mm；縱向A～D，4個(gè)軸，3跨，跨度分別為9 000、9 200、9 000 mm。建筑的梁柱設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 建筑的梁柱設(shè)計(jì)參數(shù)

基于上述設(shè)置的試驗(yàn)參數(shù)，此次試驗(yàn)選擇的3組建筑高處大懸挑結(jié)構(gòu)模板支撐架施工技術(shù)，分別在上述建筑工程中支撐高處大懸挑結(jié)構(gòu)。在支撐的過(guò)程中，需要檢測(cè)支撐架施工技術(shù)。在支撐架施工時(shí)，位移、應(yīng)力、桿內(nèi)力等會(huì)產(chǎn)生變化，從而驗(yàn)證此次研究的建筑高處大懸挑結(jié)構(gòu)模板支撐架施工技術(shù)。為此需要采用靜態(tài)應(yīng)變掃描儀、位移計(jì)和點(diǎn)靜態(tài)應(yīng)變儀這3種儀器，分別測(cè)量這3種技術(shù)設(shè)計(jì)的模板支撐架在大懸挑結(jié)構(gòu)作用下所產(chǎn)生的位移、應(yīng)力和桿內(nèi)力變化。同時(shí)，采用筆記本電腦，實(shí)時(shí)檢測(cè)模板支撐架變化情況，提取試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果。此次試驗(yàn)，選擇的試驗(yàn)設(shè)備型號(hào)參數(shù)，如表2所示。

表2 試驗(yàn)設(shè)備型號(hào)參數(shù)

基于表2所示的試驗(yàn)設(shè)備，需要的試驗(yàn)材料有電阻應(yīng)變片、測(cè)量導(dǎo)線、環(huán)氧樹(shù)脂、剪刀和萬(wàn)用表。

基于此次試驗(yàn)設(shè)置的試驗(yàn)對(duì)象參數(shù)、試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)比驗(yàn)證此次建筑高處大懸挑結(jié)構(gòu)模板支撐架施工技術(shù)支撐大懸挑結(jié)構(gòu)的效果。

2.2 模板支撐架位移變化對(duì)比

在模板支撐架搭設(shè)過(guò)程中，采用測(cè)量模板支撐架位移數(shù)據(jù)的方式測(cè)量模板支撐架位移變化，即隨著大懸挑結(jié)構(gòu)給予模板支撐架荷載的變化對(duì)模板支撐架位移造成的變化。本次試驗(yàn)，在模板支撐架上設(shè)置了5個(gè)位移保護(hù)測(cè)量點(diǎn)，其中4個(gè)測(cè)量點(diǎn)位于8層預(yù)應(yīng)力主梁支承的樓板跨，1個(gè)測(cè)量點(diǎn)位于有支撐的下層樓板。

為此，根據(jù)搭建大懸挑結(jié)構(gòu)進(jìn)度，多次測(cè)量模板支撐架位移變化，測(cè)量時(shí)間分別為大懸挑結(jié)構(gòu)進(jìn)度的1/3、1/2和完成這3個(gè)時(shí)間段。此次對(duì)比模板支撐架位移變化，主要對(duì)比的是支撐架撓度位移，目的是保證支撐架的安全性，其對(duì)比結(jié)果，如表3所示。

從表3可以看出，試驗(yàn)C組的模板支撐架在大懸挑結(jié)構(gòu)的壓力作用下，產(chǎn)生了較大的撓度位移變化；試驗(yàn)B組的模板支撐架在大懸挑結(jié)構(gòu)的壓力作用下，產(chǎn)生的撓度位移變化雖然小于試驗(yàn)C組，但是位移最大，依然達(dá)到了2 mm；只有試驗(yàn)A組的模板支撐架在大懸挑結(jié)構(gòu)的壓力作用下，產(chǎn)生的撓度位移小于2 mm。

表3 支撐架撓度位移對(duì)比單位：mm

由此可見(jiàn)，此次研究的建筑高處大懸挑結(jié)構(gòu)模板支撐架施工技術(shù)，在支撐大懸挑結(jié)構(gòu)時(shí)，不會(huì)發(fā)生明顯位移變化，安全裕度較高。

2.3 模板支撐架應(yīng)力對(duì)比

采用第1組試驗(yàn)布置位移測(cè)量點(diǎn)的方法，布置7個(gè)應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)，其應(yīng)力測(cè)量時(shí)間與第1組試驗(yàn)相同。

此次對(duì)比模板支撐架應(yīng)力，是檢測(cè)模板支撐架承受大懸挑結(jié)構(gòu)壓力的情況，掌握施工荷載的分布狀況，確定模板支撐架的穩(wěn)定性，其對(duì)比結(jié)果如表4所示。

表4 模板支撐架應(yīng)力對(duì)比單位：MPa

從表4可以看出，試驗(yàn)B組的模板支撐架在大懸挑結(jié)構(gòu)的壓力作用下，產(chǎn)生的應(yīng)力變化最大，比試驗(yàn)A組累計(jì)應(yīng)力值高了26～305 MPa，模板支撐架承受的施工荷載不均勻，承受力不穩(wěn)定；試驗(yàn)C組的模板支撐架在大懸挑結(jié)構(gòu)的壓力作用下，產(chǎn)生的應(yīng)力變化雖然高于試驗(yàn)B組，但是較試驗(yàn)A組累計(jì)應(yīng)力值高了21～151 MPa，同樣存在承受施工荷載不均勻，承受力不穩(wěn)定的問(wèn)題；而試驗(yàn)A組的模板支撐架在大懸挑結(jié)構(gòu)的壓力作用下，卻未曾產(chǎn)生極為明顯的應(yīng)力變化。由此可見(jiàn)，此次研究的建筑高處大懸挑結(jié)構(gòu)模板支撐架施工技術(shù)支撐大懸挑結(jié)構(gòu)，不會(huì)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力變化，具有較高的穩(wěn)定性。

2.4 模板支撐架桿內(nèi)力變化對(duì)比

基于第1組和第2組試驗(yàn)，進(jìn)行第3組試驗(yàn)。采用第1組的試驗(yàn)方式，在模板支撐架桿上安裝檢測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)桿內(nèi)力變化情況。對(duì)比3組技術(shù)對(duì)懸挑結(jié)構(gòu)荷載的承受能力。將模板支撐架桿內(nèi)力變化的時(shí)間分為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5 h幾個(gè)時(shí)間段，分別測(cè)量3組技術(shù)的桿內(nèi)力變化，并將0～0.5 h定為第1個(gè)試驗(yàn)階段、0.5～2.5 h定為第2個(gè)試驗(yàn)階段、2.5～4.5 h定為第3個(gè)試驗(yàn)階段。試驗(yàn)結(jié)果直接通過(guò)筆記本電腦提取，如圖3所示。

圖3 模板支撐架桿內(nèi)力變化對(duì)比

從圖3可看出，試驗(yàn)C組的模板支撐架在大懸挑結(jié)構(gòu)的壓力作用下，產(chǎn)生的桿內(nèi)力變化最大，在2.5 h處存在最大桿內(nèi)力，較試驗(yàn)A組大了7.3 kN，會(huì)導(dǎo)致模板支撐架桿出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，影響支撐架穩(wěn)定性；試驗(yàn)B組的模板支撐架在大懸挑結(jié)構(gòu)的壓力作用下，產(chǎn)生的桿內(nèi)力變化雖較試驗(yàn)C組大，但在最大桿內(nèi)力2.5 h處比試驗(yàn)A組大了5.2 kN，也會(huì)出現(xiàn)模板支撐架桿彎曲現(xiàn)象，影響支撐架穩(wěn)定性；而試驗(yàn)A組的模板支撐架在大懸挑結(jié)構(gòu)的壓力作用下，卻并未產(chǎn)生明顯的桿內(nèi)力變化。由此可見(jiàn)，此次研究的建筑高處大懸挑結(jié)構(gòu)模板支撐架施工技術(shù)支撐大懸挑結(jié)構(gòu)，不會(huì)出現(xiàn)較明顯的模板支撐架桿內(nèi)力變化，具有較高的支撐性能。

綜上可知，該支撐技術(shù)的位移、應(yīng)力、桿內(nèi)力等變化都不明顯，具有較高的安全裕度、穩(wěn)定性和支撐性能。

3 結(jié)語(yǔ)

此次模板支撐架施工技術(shù)充分考慮大懸挑結(jié)構(gòu)對(duì)模板支撐架施加的力，根據(jù)大懸挑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相適應(yīng)的模板支撐架，提高了穩(wěn)定性和安全性。但是，此次研究的模板支撐架施工技術(shù)未曾考慮建筑整體對(duì)模板支撐架施加的力。因此在今后的研究中，還需深入研究建筑本身對(duì)模板支撐架施加的力，進(jìn)一步提高模板施工技術(shù)的穩(wěn)定性和安全性。