扣件式鋼管支撐架受力特性的實測與分析

邱文杰， 邵永健， 易樂平

（1.蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011； 2.中億豐建設(shè)集團股份有限公司，江蘇 蘇州 215131）

建筑行業(yè)中模板支架屬于臨時結(jié)構(gòu)，施工過程中容易對其整體強度考慮不足。 施工方經(jīng)常依靠施工經(jīng)驗搭設(shè)模板支撐系統(tǒng)，從而忽略了承載力及穩(wěn)定性計算，導(dǎo)致施工過程中腳手架倒塌事件發(fā)生，造成了嚴重的人員傷亡、經(jīng)濟損失和不良的社會影響。 因此，腳手架、模板的安全問題引起了廣泛的關(guān)注[1]。

文獻[2-5]通過規(guī)范層面的研究對支撐架的設(shè)計安全性進行研究探討，對比了我國現(xiàn)階段正在使用兩本規(guī)范[6-7]中的不同之處，并提出了改進的方法。 文獻[8]通過研究滿堂模板支撐架體內(nèi)受力傳遞規(guī)律，為拆除支撐模板提供一種新的途徑。 文獻[9]通過模擬軟件對模板支撐架體進行研究，分析不同的半剛性值、搭設(shè)形式和參數(shù)對滿堂架穩(wěn)定性承載力的影響。 文獻[10]使用規(guī)范以及一些研究者提出的計算方法對模板支撐體系進行了承載力計算，并與搭設(shè)的模板支架的實測數(shù)據(jù)進行了對比分析。

從模板搭設(shè)到模板拆除的過程中，各層模板支撐的受力情況復(fù)雜，受到混凝土的澆筑、硬化，相鄰樓層支架的搭設(shè)和拆除，以及荷載傳遞的影響而發(fā)生變化。 本文通過工程實測和數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的方式來研究上述問題，并提出對實際工程有指導(dǎo)意義的建議。

圖1 支撐布置圖

1 工程概況

本文監(jiān)測對象為蘇州市某工程，建筑面積29 015 m2，地下2 層，地上22 層，鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，混凝土強度等級C40。本工程為現(xiàn)澆混凝土樓蓋，支模體系采用扣件式鋼管支撐架，鋼管為標準規(guī)格Φ48×3mm，Q235 鋼。 板底立桿縱距b 為900 mm，立桿橫距l(xiāng) 為900 mm，支撐架歩距為1 500 mm；框架梁下立桿兩側(cè)布置掃地桿，掃地桿距離地面高度為200 mm，立桿頂端伸出長度為200 mm。

選擇標準層第10、11、12、13 等4 層樓板下部的支模系統(tǒng)，取6~8軸與D~E 軸之間的部分樓面為監(jiān)測對象，模板支架立桿布置見圖1。

2 應(yīng)變監(jiān)測

2.1 監(jiān)測方法

本次監(jiān)測采用應(yīng)變監(jiān)測法，選擇立桿受力最不利的中部截面進行監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容包括混凝土澆筑期間第9 層到第12 層的模板支架立桿的應(yīng)變。

監(jiān)測分為4 個階段進行， 即第10、11、12、13 層樓面混凝土澆筑階段。 監(jiān)測方案中使用的測試儀器為4臺60 通道的靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)和應(yīng)變傳感器等，共計240 測點。 根據(jù)Q235 鋼管的特性和規(guī)范相關(guān)規(guī)定，測點應(yīng)變允許值1000×10-6。 為了保證數(shù)據(jù)能夠反映整個施工過程中鋼管支撐架的受力狀況，課題組對工程施工過程中能夠直接影響工程質(zhì)量和施工安全的模板支架立桿處的應(yīng)變測點進行現(xiàn)場24 h 監(jiān)測，保證采集的數(shù)據(jù)與被測立桿中的應(yīng)變一致。

2.2 測點布置

測點布置的位置既要具有一定的代表性，又要盡量避免剪力墻、電梯井等位置對樓面受力的影響。 按照上述原則為每個樓層布置監(jiān)測單元并編號，測點布置如圖2 所示，測點現(xiàn)場如圖3 所示。 應(yīng)變測點布置在扣件式模板支撐架的立桿上，每層樓面布置35 個測點，布置4 層，共計140 個測點。 整個監(jiān)測過程與施工進程一致。

圖2 測點布置圖

圖3 測點現(xiàn)場

3 監(jiān)測結(jié)果與分析

3.1 監(jiān)測結(jié)果

支撐立桿的應(yīng)變?nèi)^程曲線反映了支撐在整個施工過程中內(nèi)力的發(fā)展規(guī)律，是分析立桿應(yīng)變的變化規(guī)律、立桿應(yīng)變分布的不均勻系數(shù)，以及某樓層混凝土澆筑時對其下樓層（包括本樓層）支撐架立桿受力的影響規(guī)律、某樓層支撐架拆除時對其上樓層支撐架立桿受力的基礎(chǔ)。

按照設(shè)計荷載和立桿軸心受壓狀態(tài)設(shè)計[11]，鋼管立桿構(gòu)件截面達到屈服時的應(yīng)變值約為995με。 由于腳手架的現(xiàn)場施工安裝不可能保證立桿處于軸心受壓狀態(tài)[12]，因此考慮到偏心受壓的問題，監(jiān)測過程中的應(yīng)變值應(yīng)小于該值。

監(jiān)測周期從模板搭設(shè)完成，以及混凝土澆筑前算起，至模板拆除時終止。 第9、10、11、12 等四個樓層測點在特征狀態(tài)時對應(yīng)的采樣序號如表1 所列。在模板搭設(shè)完成后觀測2 次，并以其平均值作為初始數(shù)據(jù)。 每當上層樓面進行混凝土澆筑時，每間隔10 min 采集數(shù)據(jù)1 次，混凝土澆筑完成后間隔1 h 采集數(shù)據(jù)1 次，數(shù)據(jù)采集直至該樓層模板支撐體系被拆除為止。 第9 層支撐模板立桿共采集數(shù)據(jù)198 次，第10 層共采集數(shù)據(jù)127 次，第11 層共采集數(shù)據(jù)136 次，第12 層共采集數(shù)據(jù)184 次。

圖4~圖7 分別為9 層、10 層、11 層、12 層其中一個代表性測點的應(yīng)變實測結(jié)果， 橫坐標為測點采樣序號，縱坐標為采集到的微應(yīng)變。

表1 特征狀態(tài)時的采樣序號

圖4 測點的應(yīng)變實測值

由圖4 的實測數(shù)據(jù)可知，所有測點的應(yīng)變值均不大于400με，更小于材料的屈服應(yīng)變1 141με，可見立桿鋼管均沒有屈服。 模板支撐架上層未澆筑混凝土前，模板支架上如澆筑振搗設(shè)備和混凝土澆筑人員等產(chǎn)生的活荷載傳遞到模板支架各立桿的應(yīng)力較小，應(yīng)變變化不明顯；上層樓板澆筑過程中，混凝土的自重施加到模板支架上使立桿中應(yīng)變增加：先澆筑區(qū)域內(nèi)立桿測得的應(yīng)變值迅速增加，出現(xiàn)峰值較早；后澆筑區(qū)域內(nèi)立桿的應(yīng)變出現(xiàn)增加趨勢較晚，峰值也較晚出現(xiàn)。 每次上層樓面澆筑混凝土?xí)r，下層樓面的立桿應(yīng)變均會增加，澆筑樓層越遠，增量越??；下層樓面模板支撐拆除時，上層樓面的立桿應(yīng)變產(chǎn)生一定的波動，總體呈下降趨勢，下層模板拆除完畢后桿件應(yīng)變趨于穩(wěn)定。

整個監(jiān)測過程中，少數(shù)立桿產(chǎn)生較小的拉應(yīng)變，原因有可能是樓面澆筑時模板支架不是同時均勻地承受混凝土的自重，未澆筑區(qū)域內(nèi)模板支架下方的桿件產(chǎn)生彎曲導(dǎo)致出現(xiàn)偏心受壓現(xiàn)象，影響支撐模板的整體承載力。 因而需要加強現(xiàn)場施工質(zhì)量，減少不利影響。

3.2 支撐承受荷載均勻性分析

為了研究支撐在時間維度上受荷的均勻性，以各測點施工過程特征狀態(tài)（澆筑混凝土、拆除模板）應(yīng)變的平均值為基準值，將基準值與支撐受力全過程的平均值相比，可得到施工全過程各測點應(yīng)變相對平均值的系數(shù)，本文稱之為偏離系數(shù)。該系數(shù)可以反映出各測點受壓應(yīng)力的離散情況，為支撐的安全設(shè)計提供參考。按照上述方法計算得出的每層支撐應(yīng)變偏離系數(shù)如圖5 所示。

可見：應(yīng)變偏離系數(shù)大多數(shù)都分布在1.0 附近，最大值達到2.3 左右，即澆筑混凝土和拆除模板、支撐受力不均勻等因素造成局部支撐的內(nèi)力可達到平均值的2.3 倍。 為預(yù)防局部桿件受力過大導(dǎo)致模板下沉甚至破壞，故在實際工程支撐架設(shè)計計算時，其立桿應(yīng)力應(yīng)適當考慮一定的安全裕量。 同時實際工程中，由于板支架桿件布置相對較密，支撐架的整體性能較好，受力偏大的支撐立桿附近的桿件對其有一定的幫扶作用。

3.3 支撐軸力分布情況分析

使用規(guī)范[6，13]，計算得到本層單根立桿的受壓臨界應(yīng)力為32.26 N/mm2，換算成理論計算應(yīng)變?yōu)?56.6με。通過統(tǒng)計全部140 根立桿在其上層樓蓋混凝土澆筑前后的應(yīng)變增量，來判定澆筑混凝土之后支撐的安全程度，過程如下：

圖5 支撐應(yīng)變偏離系數(shù)

計算混凝土澆筑前后某層支撐應(yīng)變增量；計算該應(yīng)變增量絕對值與計算應(yīng)變156.6με 的比值。若該比值的平均值≤1，則表明規(guī)范計算方法相較于單根軸壓桿件計算方法更為合理。 該比值實測結(jié)果分布如圖6 所示。由圖6 可見：該比值大于1.0 的立桿數(shù)僅占全部立桿數(shù)的1.43%，大于0.9 的僅占3.57%，大于0.8 的僅占5%，而小于0.5 的占78.57%，僅有少數(shù)立桿受到的上部混凝土傳遞來的荷載大于模板支撐的荷載設(shè)計值，大多數(shù)傳遞到支撐上的荷載小于模板支撐的荷載設(shè)計值，本層混凝土澆筑引起的下部支撐桿件內(nèi)力增量多數(shù)處于較低水平。 因此，采用單根立桿的受壓臨界應(yīng)力計算荷載設(shè)計值基本可以保證大部分桿件在施工過程中的安全性。

3.4 支撐力沿豎向傳遞規(guī)律分析

在施工過程中，由于每一根立桿存在一定的差異性，截面積不可能是完全相等的，為了能夠更簡化分析，假設(shè)所有模板支撐立桿截面積都是相等的， 則其應(yīng)力與應(yīng)變量呈線性關(guān)系。 上層樓板澆筑混凝土引起的下層模板內(nèi)部應(yīng)變變化量與本層模板支撐應(yīng)變變化量之間的比率， 可以得出內(nèi)力在這兩層樓面模板支撐之間的傳遞比例系數(shù)。

計算10 層樓面板澆筑前后10 層樓面板支撐立桿的應(yīng)變變化量，并將其作為10 層樓面支撐應(yīng)變的基準值n10；同理可計算11 層樓面板、12 層樓面板、13 層樓面板澆筑前后，其支撐立桿的應(yīng)變基準值n11、n12、n13。計算11 層樓面板澆筑前后10 層樓面支撐應(yīng)變變化量，將其與11 層樓面支撐應(yīng)變基準值n11相比，即可得到11 層樓面板澆筑混凝土過程中應(yīng)力傳遞到10 層樓面支撐的比例n11/10；同理，計算12層樓面板、13 層樓面板澆筑混凝土過程中傳遞到10 層樓面支撐的比例n12/10、n13/10；12 層樓面板、13 層樓面板澆筑混凝土過程中傳遞到11 層樓面支撐的比例n12/11、n13/11；13 層樓面板澆筑混凝土過程中傳遞到12 層樓面支撐的比例n13/12。計算所有測點的分配系數(shù)并取其平均值作為最終的系數(shù)，可構(gòu)成支撐力豎向分配系數(shù)表，如表2 所列。

圖6 支撐應(yīng)力增量情況分布圖

表2 支撐力豎向分配系數(shù)表

由表2 可見： 澆筑13 層樓面時，13 層、12 層、11 層、10 層的支撐力豎向分配系數(shù)分別為1.0、0.199 2、0.106 6、0.056 1； 澆筑12 層樓面時，12 層、11 層、10 層的支撐力豎向分配系數(shù)分別為1.0、0.292 0、0.082 6；澆筑11 層樓面時，11 層和10 層的支撐力豎向分配系數(shù)分別為1.0、0.219 7。 由此可見：距離澆筑樓面越近樓層的模板支架，其支撐力豎向分配系數(shù)越大，即分配到的荷載越大，影響越大；距離澆筑樓面越遠樓層的模板支架，其支撐力豎向分配系數(shù)越小，即分配到的荷載越小，影響越小。

因此，對于模板支架拆除合理時間的確定，一方面應(yīng)按照現(xiàn)行規(guī)范[6]的規(guī)定，根據(jù)混凝土同條件養(yǎng)護試塊達到規(guī)定強度的時間來確定。 另一方面，由上述實測數(shù)據(jù)分析可知，當某樓層樓面混凝土澆筑時，其上部荷載傳遞到下一樓層支撐立桿的荷載數(shù)值約為70%~80%，傳遞到下面第二樓層支撐時的荷載數(shù)值有15%~20%，傳遞到下部第三樓層支撐時僅有6%左右，可見施工過程中澆筑樓面以下保留3~4 層支撐架較為合理。

3.5 支撐拆除對上部影響分析

下層樓面支撐拆除引起的上層支撐應(yīng)變變化量與本層樓面支撐拆除前應(yīng)變值相比，可以得出拆除下部支撐對上部樓面支撐的影響系數(shù)。

計算7 層樓面拆除前后10 層樓面支撐立桿的應(yīng)變變化量，將其與7 層樓面支撐拆除前10 層樓面支撐立桿的應(yīng)變值相比，即可得到拆除7 層樓面支撐對10 層樓面支撐的影響系數(shù)m7-10；同理，計算拆除8 層樓面支撐對10 層、11 層、12 層樓面支撐的影響系數(shù)m8-10、m8-11、m8-12； 拆除9 層樓面支撐對10 層、11 層、12 層、13層樓面支撐的影響系數(shù)m9-10、m9-11、m9-12、m9-13。 計算所有測點的影響系數(shù)并取其平均值作為最終的系數(shù)，可構(gòu)成支撐拆除影響系數(shù)表，如表3 所列。

表3 支撐拆除影響系數(shù)表

由表3 可 見： 拆除9 層支撐時，10 層、11 層、12 層、13 層的支撐拆除影響系數(shù)分別為0.095 2、0.111 9、0.065 1、0.271 2； 拆除8 層支撐時，10 層、11 層、12 層的支撐拆除影響系數(shù)分別為0.099 2、0.052 9、0.307 2；拆除7 層支撐時，10 層的支撐拆除影響系數(shù)為0.062 8。在拆除第9 層支撐時，13 層樓面剛剛完成澆筑不久，混凝土養(yǎng)護階段之內(nèi)，支撐立桿正處于應(yīng)變增長階段，所以導(dǎo)致系數(shù)m9-13與其他系數(shù)相比之下偏大，系數(shù)m8-12同理。除去m9-13和m8-12，影響系數(shù)均處于0.05~0.1。將m7-10、m8-10、m8-11、m9-10、m9-11和m9-12相加后取平均值為0.0812，將m9-13和m8-12分別減去0.0812 后取平均值得0.208。 說明拆除下部支撐對上部樓層的影響系數(shù)平均值約為8.1%，也說明混凝土養(yǎng)護時下部模板拆除會增加對上部樓層支撐的影響，相較于原先的影響系數(shù)增加了約20%，支撐拆除影響系數(shù)為原先的影響系數(shù)的3 到4 倍。 在樓板混凝土養(yǎng)護階段，施工方可以通過調(diào)整工期的方式讓下部模板拆除工作與上部樓層混凝土養(yǎng)護工作交錯進行，也可以通過增加支撐模板荷載強度設(shè)計值來消除或者減小支撐拆除帶來的安全隱患。

4 結(jié)論

（1）整個施工過程中，測點應(yīng)變呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化。 混凝土澆筑過程中，模板支撐中立桿應(yīng)變增長是有先后順序的，混凝土澆筑到達立桿荷載分擔區(qū)域才會出現(xiàn)較大的應(yīng)變；未澆筑區(qū)域的立桿會出現(xiàn)拉應(yīng)變。

（2）搭設(shè)的模板支架受力情況并不是均勻分布，支架在承受上部荷載時具有一定的隨機性，支撐應(yīng)變不均勻系數(shù)最大值可達到2.3 左右。

（3）本層澆筑引起的支撐桿件應(yīng)變多數(shù)小于理論計算值。 現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)有部分立桿內(nèi)力大于荷載設(shè)計值，說明有必要進行現(xiàn)場實際監(jiān)測。

（4）由混凝土澆筑引起的荷載從上部支撐模板向下部支撐模板傳遞過程中，總體呈現(xiàn)出逐層遞減趨勢。

（5）在保留3 層支撐的情況下，支撐拆除對上部各層樓面支撐的影響系數(shù)絕大多數(shù)處于0.05~0.1；混凝土養(yǎng)護時下部模板拆除會對上部樓層支撐架增加約20%的影響。 在樓板混凝土養(yǎng)護階段，盡量不要進行模板拆除工作。