大跨度現(xiàn)澆密肋空心樓蓋高大模板工程及支撐體系受力分析

祖曉東

（中交二航局第三工程有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

1 引言

在施工過程中，建筑物模板工程及支撐體系的合理選擇和使用，不僅對(duì)施工的安全進(jìn)行有著重要影響，還可以提高工程質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益[1]。

在現(xiàn)代化建筑工程項(xiàng)目開展過程中，高大模板支撐體系的使用已經(jīng)越發(fā)常見，高大模板工程支撐體系施工難度大、工藝復(fù)雜，成為關(guān)注的重點(diǎn)[2]。

高大模板支撐體系主要有盤扣腳手架體系[3-4]和扣件腳手架體系[5-6]兩種。支撐體系的穩(wěn)定性與合理性將直接影響施工安全與質(zhì)量，故而其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算就成為整個(gè)過程的重中之重。

2 工程概況

寶清縣文化創(chuàng)意中心項(xiàng)目位于黑龍江省雙鴨山市寶清縣，主要包含報(bào)告廳、文化館及圖書館、博物館、消防泵房4部分。本工程建筑為框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)。結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際材料情況，本工程模板支撐體系主要采用盤扣和扣件滿堂支撐架，墻、柱采用對(duì)拉螺栓配合木模板澆筑。

本工程為多功能綜合性建筑，建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得腳手架節(jié)點(diǎn)處理較難，布置難度大。細(xì)部構(gòu)造處理、支撐體系的安全可靠性為工程施工中的重難點(diǎn)。

3 模板設(shè)計(jì)

模板支架必須有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。模板支撐應(yīng)有足夠的支撐面積，當(dāng)支撐在基礎(chǔ)上時(shí)基土必須夯實(shí)[7]。本工程中模板立桿間距1.8 m，水平桿間距小于或等于1.5 m。

根據(jù)樓高和頂板差異，本工程板模板支架搭設(shè)分為1 500 mm厚密肋空心板、800 mm厚密肋空心板和其他樓層頂板3部分。

3.1 1 500 mm厚密肋空心板

報(bào)告廳部分密肋空心板，板厚1 500 mm，搭設(shè)高度為14.4 m，基礎(chǔ)底板為120 mm厚，7 d齡期C30混凝土底板。

采用盤扣式滿堂支架，模板采用15 mm木模板，面板下次楞采用40 mm×80 mm方木，間距150 mm；主楞采用10#工字鋼，間距600 mm。立桿規(guī)格為φ60 mm×3.2 mm，間距600 mm×900 mm；水平桿規(guī)格為φ48 mm×3.2 mm，步距1.5 m；頂托規(guī)格為A48 mm×5.5 mm×600 mm；斜桿規(guī)格為φ48 mm×3.2 mm，豎向斜桿滿布設(shè)置，在頂層及沿高度每隔4個(gè)步距（即6m）處，設(shè)置水平層斜桿布置詳見圖1。

圖1 支架斜桿布置圖

3.2 800 mm厚密肋空心板

圖書館4層頂板為密肋空心板，板厚800 mm，搭設(shè)高度為4.2 m，基礎(chǔ)底板為120 mm厚7 d齡期C30混凝土底板。

采用扣件式滿堂支架，模板采用15 mm木模板，面板下次楞采用40 mm×80 mm方木，間距200 mm；主楞采用φ48 mm×3.0 mm雙鋼管，間距600 mm；立桿規(guī)格為φ48 mm×3.0 mm，間距600 mm×600 mm；水平桿規(guī)格為φ48 mm×3.0 mm，步距0.9 m；頂托規(guī)格為A48 mm×5.5 mm×600 mm；剪刀撐規(guī)格為φ48 mm×3.0 mm。

在架體外側(cè)周邊及內(nèi)部縱、橫向每5跨（且不小于3 m），應(yīng)由底至頂設(shè)置豎向剪刀撐，布置寬度應(yīng)為5跨，在豎向剪刀撐頂部交點(diǎn)平面設(shè)置水平剪刀撐，水平剪刀撐至架體底平面距離不宜超過6 m，剪刀撐寬度為3～5 m。剪刀撐布置具體詳見圖2。

圖2 加強(qiáng)型剪刀撐布置圖

3.3 其他位置處頂板

本方案樓板支架按150 mm厚設(shè)計(jì)，搭設(shè)高度6 m，基礎(chǔ)底板為120 mm厚7 d齡期C30混凝土底板。其他位置現(xiàn)澆混凝土頂板采用相同的模板支架布置形式即可滿足要求。

采用扣件式滿堂支架，搭設(shè)高度為6 m。模板采用15 mm木模板，面板下次楞采用40 mm×80 mm方木，間距500 mm；主楞采用φ48 mm×3.0 mm雙鋼管，間距900 mm；立桿規(guī)格為φ48 mm×3.0 mm，間距900×900 mm；水平桿規(guī)格為φ48 mm×3.0 mm，步距1.8 m；頂托規(guī)格為A48 mm×5.5 mm×600；剪刀撐規(guī)格為φ48 mm×3.0 mm。

采用普通型剪刀撐，在架體外側(cè)周邊及內(nèi)部縱、橫向每5～8 m，由底至頂設(shè)置連續(xù)豎向剪刀撐，寬度為5～8 m。豎向剪刀撐頂部交點(diǎn)平面設(shè)置連續(xù)水平剪刀撐。水平剪刀撐至架體底平面距離不宜超過8 m。

4 材料參數(shù)

各腳手架材料特性及參數(shù)見表1～表5。

表1 材料參數(shù)表

表2 盤扣鋼材的強(qiáng)度和彈性模量

表3 盤扣鋼管截面特性

表5 扣件鋼管截面特性

表4 扣件鋼材的強(qiáng)度和彈性模量

5 荷載及荷載組合

恒載采用標(biāo)準(zhǔn)值作為代表值，活荷載采用標(biāo)準(zhǔn)值或組合值為代表值。

5.1 荷載種類

F1——結(jié)構(gòu)自重，按實(shí)際自重取值；

F2——混凝土自重荷載，新澆混凝土密度取24 kN/m3；

F3——模板荷載，按均布荷載驗(yàn)算，取0.5 kN/m2；

F4——施工人員、施工材料和機(jī)具荷載，按均布荷載驗(yàn)算，驗(yàn)算模板時(shí)，取2.5 kN/m2；驗(yàn)算支撐模板的縱橫梁時(shí)，取1.5 kN/m2；驗(yàn)算支架立柱，取1.0 kN/m2；

F5——振搗混凝土產(chǎn)生的荷載，取2.0 k N/m2；

F6——澆筑混凝土?xí)r產(chǎn)生的沖擊荷載，取2.0 kN/m2；

F7——風(fēng)荷載，作用于結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值wk按式（1）計(jì)算。

式中，wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；βz為風(fēng)振系數(shù)；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；ω0為基本風(fēng)壓（取10 a重現(xiàn)期基本風(fēng)壓）。

5.2 荷載工況

強(qiáng)度驗(yàn)算按照承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算，剛度驗(yàn)算按照正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算。

強(qiáng)度驗(yàn)算：1.3×恒荷載+1.5×活荷載；

剛度驗(yàn)算：1.0×恒荷載。

6 模板支架驗(yàn)算

6.1 模板驗(yàn)算

底模采用高強(qiáng)度竹膠板，板厚t=15 mm，竹膠板方木背肋間距l(xiāng)為150 mm。縱向b取1 m寬驗(yàn)算，為單向板受力。

模板承受的線荷載qmb：

標(biāo)準(zhǔn)最大彎矩Mmb：

截面慣性矩Imb：

截面抵抗矩Wmb：

彎拉應(yīng)力σmb：

故模板強(qiáng)度滿足要求。

標(biāo)準(zhǔn)最大撓度fmb：

故模板剛度滿足要求。

6.2 次楞驗(yàn)算

方木為4 cm×8 cm方木，中對(duì)中間距為150 mm，搭設(shè)在間距60 cm的型鋼上，則驗(yàn)算跨徑取60 cm按照多跨連續(xù)梁進(jìn)行驗(yàn)算。

方木承受的線荷載qcl：

跨中最大彎矩Mcl：

截面慣性矩Icl：

截面抵抗矩Wcl：

彎拉應(yīng)力σcl：

剪力設(shè)計(jì)值Vcl：

面積矩Scl：

受剪應(yīng)力τcl：

式中，[fv]為鋼材的抗剪強(qiáng)度允許值。

故方木強(qiáng)度滿足要求。

跨中最大撓度fcl：

故方木剛度滿足要求。

6.3 主楞驗(yàn)算

主楞為I10，中對(duì)中間距為600 mm，搭設(shè)在間距90 cm的立桿上，則驗(yàn)算跨徑取90 cm按照連續(xù)梁進(jìn)行驗(yàn)算。

次楞傳遞的集中力：

集中力設(shè)計(jì)值Q設(shè)=[1.3×(36+0.5)+1.5×2]×0.6×0.15=4.54 kN

集中力標(biāo)準(zhǔn)值Q標(biāo)=(36+0.5)×0.6×0.15=3.29 kN

計(jì)算采用MIDAS/Civil有限元分析軟件。簡(jiǎn)化按3跨連續(xù)梁進(jìn)行計(jì)算。主楞最大正應(yīng)力51.3 MPa＜215 MPa，最大剪應(yīng)力為38 MPa＜125 MPa，滿足施工要求。跨中最大變形2.8 mm＜900/400=2.25 mm，滿足施工要求。

6.4 立桿驗(yàn)算

1）立桿布置間距為60 cm×90 cm，則每根鋼管承受60 cm×90 cm面積的重量，所以單根立桿承受的荷載為：

不組合風(fēng)荷載：

組合風(fēng)荷載：

式中，N為立桿軸向力設(shè)計(jì)值；MW為立桿段由風(fēng)荷載產(chǎn)生的彎矩；la為立桿縱距；wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；h為支撐架水平桿豎向最大步距。

2）立桿驗(yàn)算長度l0根據(jù)式（2）和式（3）驗(yàn)算，并取其中的較大值：

式（2）和式（3）中，η為立桿長度修正系數(shù)，根據(jù)規(guī)范要求，當(dāng)水平桿步距為1.5 m時(shí)，取1.2；k為懸臂驗(yàn)算長度折減系數(shù)，取0.7；h為水平桿最大豎向步距，根據(jù)設(shè)計(jì)方案取1.5 m；h'為立桿頂層水平桿步距，取1 m；a為可調(diào)頂托支撐點(diǎn)到頂層水平桿中心距離，取0.65 m。

經(jīng)驗(yàn)算：

取l0=1.91 m。

3）立桿規(guī)格為φ60 mm×3.2 mm，驗(yàn)算長度l0=191 cm，由此驗(yàn)算長細(xì)比λ：

λ=l0/i=191/2.011=94.98≤長細(xì)比允許值[λ]=150，查附錄D得穩(wěn)定系數(shù)φ＝0.512。

立桿截面面積A=571 mm2。

立桿截面抵抗矩W=7 700 mm3。

不考慮風(fēng)荷載時(shí)，立桿抗壓強(qiáng)度σlg：

=93.2 MPa＜立桿抗壓強(qiáng)度允許值[σlg]=300 MPa

考慮風(fēng)荷載時(shí)，立桿抗壓強(qiáng)度σ'lg：

立桿抗壓強(qiáng)度和穩(wěn)定性滿足要求。

6.5 高寬比驗(yàn)算

支撐腳手架獨(dú)立架體高寬比H/B不應(yīng)大于3.0。H/B=14.52/31.2=0.465≤3，根據(jù)規(guī)范要求，不需要進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算。

7 結(jié)論

根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果表明，現(xiàn)澆支架滿足使用要求。（1）1 500 mm厚密肋空心板采用盤扣式滿堂支架；800 mm厚密肋空心板采用扣件式滿堂支架，扣件式支架應(yīng)按規(guī)范要求設(shè)置加強(qiáng)型剪刀撐；其他位置處頂板采用扣件式滿堂支架，設(shè)置普通型剪刀撐。（2）對(duì)模板支架進(jìn)行驗(yàn)算，可得模板強(qiáng)度和剛度、方木強(qiáng)度和剛度、主楞最大應(yīng)力和最大變形、立桿抗壓強(qiáng)度和穩(wěn)定性、高寬比均滿足施工要求。