超高模板支架穩(wěn)定性和承載力施工應(yīng)用監(jiān)測分析

張 恒，郭 艷

(1.陜西建工第二建設(shè)集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721000；2.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與測繪工程學(xué)院，陜西 西安 710018)

0 引言

近年來隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷增強(qiáng)，不管是市政建設(shè)項(xiàng)目還是房地產(chǎn)行業(yè)都快速發(fā)展，使得建設(shè)行業(yè)對施工人員需求量大大增加。由于部分施工人員對高大模板支架的認(rèn)知不夠，不重視臨時支撐體系安全性和整體穩(wěn)定性的計(jì)算，只進(jìn)行單桿承載力計(jì)算，滿足后便認(rèn)為模板支架體系安全；更有從業(yè)者僅根據(jù)自己的施工經(jīng)驗(yàn)，而不經(jīng)過任何承載力穩(wěn)定性計(jì)算就制訂模板支架搭設(shè)方案并施工，從而導(dǎo)致建筑施工期間的工程事故居高不下，特別是扣件式高大模板支架在混凝土澆筑過程中發(fā)生的事故呈明顯上升趨勢。

目前，我國扣件式鋼管支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要采用半理論和半經(jīng)驗(yàn)的方法，需研究解決的理論和實(shí)際問題仍較多，由于模板支架近年來事故頻發(fā)，其研究工作顯得極為重要。不同類型模板支架在結(jié)構(gòu)構(gòu)造、節(jié)點(diǎn)連接、設(shè)計(jì)計(jì)算和安全控制等方面均不相同，其適用的工況條件、桿件布置參數(shù)、安裝質(zhì)量、承載能力及各桿件內(nèi)力分布等均具有隨機(jī)性和難控性，使模板支架的設(shè)計(jì)計(jì)算難以照搬鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、計(jì)算和施工規(guī)定。近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者對模板支架的設(shè)計(jì)計(jì)算提出了一些見解和方法，上海、浙江等地區(qū)也頒布了相應(yīng)的模板支架地方規(guī)程，但模板支架安全事故并沒有因這些方法和規(guī)程的出現(xiàn)而減少，由于缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證，且規(guī)程中大量借用國外規(guī)范，無法為實(shí)際工程提供安全、可靠、合理的指導(dǎo)。本文通過現(xiàn)場實(shí)測方法為高大模板支架的安全性提供保障。在測量過程中對鋼管應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)控，可對整個體系穩(wěn)定性起到預(yù)警作用。

1 工程概況

某演藝中心大樓學(xué)術(shù)交流中心為混凝土結(jié)構(gòu)，包括交響樂大廳、歌舞排練廳、校外門廳和校內(nèi)門廳4部分，建筑總面積約67 969m2，建筑總高度為99.6m。為順利完成主體結(jié)構(gòu)施工，分別在4個區(qū)域設(shè)置不同形式的滿堂支撐架進(jìn)行頂板混凝土澆筑，其中交響樂大廳模板支架高20.15m，為超高模板支架，也是本次模板支架實(shí)時監(jiān)測區(qū)域，其結(jié)構(gòu)剖面如圖1所示。

圖1 交響樂大廳剖面

該工程結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，不同部位搭設(shè)的模板支架高度不一、形式各異，對其中面積最大、高度最高的交響樂大廳模板支架進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測和預(yù)警分析，頂板混凝土澆筑時的臨時支撐為扣件式滿堂模板支架，鋼管尺寸為φ48×2.8。模板支架的最大高度為20.15m，其底部6層步距為1.0m，上層步距為1.5m，立桿縱、橫向間距為0.65m。進(jìn)行模板支架專項(xiàng)方案論證，現(xiàn)場施工時進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，以觀察混凝土澆筑過程中下部模板支架的應(yīng)力、應(yīng)變。

2 現(xiàn)場監(jiān)測布置

2.1 監(jiān)測區(qū)域選擇

根據(jù)交響樂大廳的現(xiàn)場情況，部分模板支架從中間樓層向上延伸，其實(shí)際高度并未達(dá)到20.15m，因此在平面上將模板支架分成2個區(qū)域(見圖2)。區(qū)域1的支架由從中間樓層向上延伸的鋼管組成，區(qū)域2的支架則從底層地面直接延伸至大廳頂部。選定區(qū)域2的模板支架作為本次現(xiàn)場監(jiān)測對象。

圖2 模板支架分區(qū)

2.2 傳感器及應(yīng)變測點(diǎn)布置

在模板支架中，立桿主要承受豎向壓應(yīng)力，剪刀撐承受拉應(yīng)力，橫桿起拉結(jié)作用。故現(xiàn)場監(jiān)測時應(yīng)變測點(diǎn)主要布置在立桿和剪刀撐上，選取承受豎向荷載較大部位的立桿安裝壓力傳感器，如圖3所示。立桿5搭設(shè)于次梁下部，立桿7搭設(shè)于預(yù)應(yīng)力梁下部，立桿6搭設(shè)于板雙向中心處，故在此3處安裝壓力傳感器。將壓力傳感器安放于立桿5，7靠近地面的底端，安放于立桿6靠近澆筑面的頂端。在安裝壓力傳感器的立桿上加密設(shè)置應(yīng)變監(jiān)測點(diǎn)，傳感器位置不同應(yīng)變測點(diǎn)設(shè)置位置也不同。立桿5，7應(yīng)在桿件底部進(jìn)行測點(diǎn)加密，立桿6則在頂部加密。各立桿測點(diǎn)編號為Lij，其中i為桿件編號，j為測點(diǎn)編號，同一立桿自下向上編號為01，02，03，…。

圖3 測點(diǎn)所在立桿分布

選取荷載較大部位的橫桿進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測，如圖4所示，橫桿1為板跨中下部沿縱軸方向桿件，共2個測點(diǎn)(H1，H4)；橫桿2為板跨中下部沿橫軸方向桿件，共3個測點(diǎn)(H2，H6，H7)；橫桿3為預(yù)應(yīng)力梁長度方向下部桿件，共3個點(diǎn)測(H3，H5，H8)。

圖4 測點(diǎn)所在橫桿分布

豎向、水平向剪刀撐應(yīng)變監(jiān)測桿件選取如圖5,6所示。監(jiān)測桿件選取后在其上粘貼應(yīng)變測點(diǎn)，并測量混凝土樓板澆筑前、澆筑過程中及養(yǎng)護(hù)過程中模板支架的應(yīng)力變化。豎向剪刀撐測點(diǎn)編號為Xij，水平向剪刀撐測點(diǎn)編號為Sij，其中i為桿件編號，j為同一桿件上的測點(diǎn)編號，豎向桿件自下向上編號，水平向桿件自靠近較小軸號一側(cè)開始編號。

圖5 測點(diǎn)所在豎向剪刀撐分布

圖6 測點(diǎn)所在水平向剪刀撐分布

3 數(shù)據(jù)采集與分析

頂板混凝土澆筑順序如圖7所示，現(xiàn)場共布設(shè)3臺混凝土泵。對高大模板支架進(jìn)行全過程監(jiān)測，即頂板混凝土澆筑前2d開始采樣，每10min采樣1次；自開始澆筑混凝土頂板起每2min采樣1次；混凝土澆筑完成后繼續(xù)采樣，以觀察混凝土凝結(jié)硬化過程中模板支架受力變化情況，采樣時間間隔仍為2min。

圖7 頂板混凝土澆筑順序

3.1 模板支架立桿應(yīng)力分析

澆筑混凝土?xí)r立桿應(yīng)力曲線如圖8所示。

圖8 混凝土澆筑時立桿2，3應(yīng)力曲線

由圖8可知，大部分立桿并未直接進(jìn)入受壓狀態(tài)，而是先受拉，且拉應(yīng)力沿立桿高度方向自上而下逐漸減??；當(dāng)澆筑混凝土至該區(qū)域上方時立桿迅速進(jìn)入受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力沿立桿高度方向自上而下逐漸減小，即接近混凝土澆筑面的立桿頂部應(yīng)力較大。

對于各立桿而言，混凝土澆筑過程中立桿上各測點(diǎn)處應(yīng)力均呈波紋狀變化，頂部測點(diǎn)應(yīng)力波動幅度較大。此次監(jiān)測的立桿應(yīng)力變化與高度在10m左右的模板支架有很大區(qū)別，故對超高模板支架不能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)施工。

3.2 模板支架橫桿應(yīng)力分析

澆筑混凝土?xí)r橫桿應(yīng)力曲線如圖9所示。由圖9可知，整個過程中測試橫桿均處于受拉狀態(tài)，極少數(shù)測點(diǎn)出現(xiàn)短暫受壓，且壓應(yīng)力非常小，僅1.068MPa。橫桿應(yīng)力呈波紋狀遞增趨勢，同一橫桿上各測點(diǎn)的應(yīng)力值差別較小，說明橫桿受力均勻一致。

圖9 混凝土澆筑時橫桿1，3應(yīng)力曲線

3.3 模板支架豎向剪刀撐應(yīng)力分析

澆筑混凝土?xí)r豎向剪刀撐應(yīng)力曲線如圖10所示。由圖10可知，豎向剪刀撐應(yīng)力波動較大，且開始澆筑時相互扣接交叉的2根鋼管呈現(xiàn)1根受拉1根受壓狀態(tài)，但最終均受壓。當(dāng)混凝土澆筑至該區(qū)域時，縱向剪刀撐應(yīng)力突然增大，如監(jiān)測點(diǎn)X0503的壓應(yīng)力值瞬間增大至134.69MPa，且應(yīng)力突增現(xiàn)象只出現(xiàn)于豎向剪刀撐單桿上，并未在交叉的2根鋼管上同時出現(xiàn)。

圖10 混凝土澆筑時豎向剪刀撐1，3，5應(yīng)力曲線

3.4 模板支架水平向剪刀撐應(yīng)力分析

澆筑混凝土?xí)r水平向剪刀撐應(yīng)力曲線如圖11所示。由圖11可知，同一水平向剪刀撐上不同測點(diǎn)的應(yīng)力差值較大，監(jiān)測桿件的最大應(yīng)力差值達(dá)到27.72MPa。水平向剪刀撐應(yīng)力值及波動幅度比同區(qū)域豎向剪刀撐及立桿小。

圖11 混凝土澆筑時水平向剪刀撐8，10應(yīng)力曲線

4 結(jié)語

通過對施工期超高模板支架的受力監(jiān)測可知，模板支架內(nèi)部各類桿件的應(yīng)力非常不穩(wěn)定，均呈波紋狀變化趨勢；不同桿件(立桿、橫桿或剪刀撐)的應(yīng)力分布不均勻，相互差值較大；且同一桿件沿其長度方向上的應(yīng)力同樣相差較大；超高立桿易出現(xiàn)壓彎現(xiàn)象，壓彎使桿件的承載力下降明顯，部分立桿也因壓彎出現(xiàn)鋼管同一位置一側(cè)受拉而另一側(cè)受壓現(xiàn)象；各桿件在混凝土凝結(jié)硬化過程中應(yīng)力變化也不一致，不同桿件應(yīng)力值可能逐漸增加，也可能隨混凝土強(qiáng)度的形成而逐漸減小。