建筑工程超大跨梁板高支模施工問題分析及方案優(yōu)化

侯向陽，孫 巍，趙 維，王艷林，文毅然，曹 凱

（1、中鐵一局集團有限公司 西安 710054；2、山東大學齊魯交通學院 濟南 250002）

0 引言

改革開放以來，建筑行業(yè)已經(jīng)成為經(jīng)濟快速發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，對城市社會的全面進步發(fā)展有著重要的作用。且隨著城市人口急劇增加，城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，城市居民對于房屋建筑的功能性開始逐漸提高。在此期間，隨著人民生產(chǎn)生活的需要，眾多超高、超深的建構(gòu)筑物應(yīng)運而生，同時也對工程所用的技術(shù)的先進性提出了較高要求。因此，模板工程，尤其是超高超大模板支撐模板體系越來越受到業(yè)內(nèi)人士的重視。該技術(shù)作為一種先進施工技術(shù)，其應(yīng)用不僅可以加快房建土建工程的施工進度，而且能夠營造可靠的施工環(huán)境，提高工程的施工質(zhì)量［1］。

然而，高支模體系面臨諸多挑戰(zhàn)。其本身的特點包括參與人員多、施工復(fù)雜性高、作業(yè)面積廣、施工周期長、材料設(shè)備投入大等。設(shè)計施工過程中也可能出現(xiàn)現(xiàn)有設(shè)計照搬舊例、高危結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形允許值計算錯誤，或?qū)医恢沟耐倒p料等問題，這都將造成高支模發(fā)生施工事故。據(jù)不完全統(tǒng)計，近10 年來，全國支模體系結(jié)構(gòu)的施工共發(fā)生70余起事故，直接或間接造成上百人傷亡，經(jīng)濟損失高達數(shù)十億元。雖然該類型事故發(fā)生頻率較低，但因其低頻率、高危害的特點，危害程度已是眾多工程事故之中最為嚴重的一項。且一旦發(fā)生支模體系坍塌事故，將會造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，產(chǎn)生巨大的社會不良影響，又因為需要等待事故調(diào)查，清除事故現(xiàn)場并重新搭設(shè)架體，這都要重新投入大量的人力物力，且會嚴重影響工期［2］。

當前，我國現(xiàn)有模板支撐體系的專用規(guī)范中關(guān)于高支模的相關(guān)總結(jié)和規(guī)范內(nèi)容較少［3］，在相關(guān)高支模設(shè)計施工時只能參考使用同樣類似的工程設(shè)計方案，但由于工程之間的基本情況不盡相同，經(jīng)驗設(shè)計方案并不能很好的適用于特定工程。因此，針對高支模體系現(xiàn)有常規(guī)設(shè)計以及施工方案步驟的專項優(yōu)化，是保證模板工程工作安全性，提高工程安全水平，預(yù)防重大事故發(fā)生的基本工作。該措施也可為類似工程提供借鑒和參考，為未來高支模體系規(guī)范的指定提供方案支撐，具有十分重要的意義。

1 高支模體系研究現(xiàn)狀

1.1 高支模體系概述

對于高大模板支撐體系（簡稱高支模），國家住建部做出如下規(guī)定：①工程中混凝構(gòu)件的模板支撐高度≥8 m；②模板搭設(shè)度≥8 m；③施工總荷載≥15 kN/m2；④集中線荷載≥20 kN/m。滿足其中一個特征，即為高支模體系［4］。

按照構(gòu)建形式，將當前的高支模體系中支架簡單劃分為門式、碗扣式、扣件式3種類型的腳手架［5］。高支模體系因其使用范圍較為廣泛、數(shù)量較大的特點，是目前常規(guī)的大型工程項目最主要的模板支撐方式，其特點主要包括：①大跨度、大體積、大荷載等混凝土框架梁板結(jié)構(gòu)；②結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層中的橫梁、腹板；③超長連續(xù)的混凝土屋蓋梁板；④連接建筑物或架高跨越道路的廊道；⑤橋梁或高架橋的混凝土墩臺與箱梁結(jié)構(gòu)［6］。

1.2 高支模事故及原因分析

近15 年來高支模坍塌的典型事故如表1 所示，均造成了極大的人員及經(jīng)濟損失。

表1 近15年典型高支模安全事故Tab.1 Typical High Formwork Safety Accidents in the Past 15 Years

針對上述工程事故，大致可將事故原因總結(jié)為表2中所列舉的結(jié)構(gòu)內(nèi)部因素和外力因素，其中，結(jié)構(gòu)因素主要為高支模體系固有構(gòu)造缺陷以及設(shè)計不當；外力因素則是指外部動態(tài)觸發(fā)以及工人施工期間的種種行為造成的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)［7］。

表2 高支模事故主要誘因Tab.2 The Main Cause of High Formwork Accident

針對上述高支模體系失穩(wěn)破壞誘發(fā)原因，國內(nèi)外眾多學者已在該領(lǐng)域進行了大量的研究。

1.3 高支模結(jié)構(gòu)因素穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀

黃寶魁等人［8］針對雙排扣件式鋼管支模架體整體穩(wěn)定性問題，進行了完整施加荷載的真型實驗和以及其對應(yīng)的足尺數(shù)值模擬。分析了影響腳手架穩(wěn)定性的各種因素，并針對節(jié)點剛性，通過室內(nèi)實驗測定扣件與桿架連接節(jié)點的剛性情況對結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的影響，得到適用于所有位置節(jié)點的“半剛性”修正系數(shù)，修正節(jié)點剛度后可以得到結(jié)構(gòu)整體的臨界穩(wěn)定荷載。

胡長明等人［9］從構(gòu)件總是存在的初始缺陷的角度出發(fā)來計算支架整體極限承載能力，采用整體穩(wěn)定性屈曲實驗和有限元數(shù)值模擬分析，探明了以1.2%極限荷載作為廣義假想水平力，采取在各橫桿和立桿的連接點處施加廣義假想水平力來模擬構(gòu)件初始缺陷是合理的。且由模擬結(jié)果表明，隨著初始缺陷程度的提高，支模架的穩(wěn)定承載能力不斷降低，且下降趨勢較為明顯。

陳安英等人［10］針對現(xiàn)有演技不能完全探明盤銷式鋼管支撐架結(jié)構(gòu)使用時在結(jié)構(gòu)中承載力的不足，對其力學性能進行了較為全面的研究。研究結(jié)果表明：盤銷連接節(jié)點具有可靠性；插銷設(shè)計為楔形結(jié)構(gòu)，使得其具備了自鎖功能，在平常施工作業(yè)中自身不會向上滑動；通過試驗得到了水平桿和豎直桿連接點的剛度系數(shù)，并以此為依據(jù)開展了結(jié)構(gòu)基本單元受力性能研究，從而得到了不同構(gòu)造條件下支模體系的破壞模式以及該情況下對應(yīng)的極限承載能力。

葛召深等人［11］對剪刀撐的受力性能及搭設(shè)情況進行了研究和分析。選取5 個典型支架試驗為基礎(chǔ)，根據(jù)實際工程支架的構(gòu)造，建立了扣件式鋼管模板支架三維有限元模型，采用線性屈曲和非線性屈曲兩種計算方法研究模板支架穩(wěn)定承載力，通過對比分析，討論了水平和豎直剪刀撐對穩(wěn)定承載力的影響。結(jié)果表明，在模擬中，結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)的情況出現(xiàn)總是對應(yīng)著特定位置處剪刀撐表面應(yīng)力急劇變化，可以得到剪刀撐是結(jié)構(gòu)破壞前最后一道支撐體系，若其自身出現(xiàn)較大的應(yīng)力變形，則結(jié)構(gòu)必然破壞，且隨著剪刀撐數(shù)量的增多，強度提高，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性有所提高。

由上述研究現(xiàn)狀表明，支模體系自身架構(gòu)的設(shè)計不合理或者缺少某些必要的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，都會對整體的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響，且需要給出對應(yīng)的措施，避免構(gòu)件的天然缺陷使得結(jié)構(gòu)的強度下降，穩(wěn)定性較低。

1.4 高支模外力因素穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀

YUE 等人［12］對整體提升式腳手架進行了風洞試驗，通過對大量試驗數(shù)據(jù)的梳理統(tǒng)計分析，得到了整體支模體系的體型系數(shù)和風振系數(shù)，結(jié)果表明風荷載對腳手架整體的穩(wěn)定性有極大的影響。

張學智等人［13］通過施工現(xiàn)場支模體系整體動態(tài)檢測實驗，收集了動態(tài)施工荷載中混凝土澆筑、振搗作用以及混凝土澆筑路線不同的影響下，支模體系立桿以及橫桿的豎向振幅、整體振動頻率、振動特征值等。使用超低頻拾振儀，得到了支撐架體中各位置處的振動沖擊峰值位移。該研究通過分析水平、豎直振動頻率曲線以及振幅大小，進而判斷動態(tài)荷載對支模體系整體的影響。

陳園卿等人［14］通過有限元數(shù)值模擬分析方法，對水平荷載作用在支架整體的情況下進行研究分析，結(jié)果表明水平荷載在模板結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的附加內(nèi)力，使得整個體系受力極不均勻，結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)力包括立桿軸力、垂直剪刀撐的內(nèi)力將會受到較大的影響，嚴重影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；且實際工程中，混凝土澆筑順序選擇不當而同樣會是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加的水平荷載。對于混凝土輸送泵的使用及受風荷載的作用等其他動荷載因素，引起的水平力是無法避免，在設(shè)計中必須考慮這一影響因素。對于高度較大的高支模支架體系，其抗側(cè)向位移的能力通常不強。所以，需要特別加固設(shè)計從而減弱側(cè)向附加力對整體穩(wěn)定性的影響。

由上述研究現(xiàn)狀表明，施工中外力荷載主要為風荷載、雨水荷載、人置荷載以及混凝土澆筑時逐級增大的動荷載，需要考慮在這些外力荷載的作用下，結(jié)構(gòu)的極限屈服強度，同時尤其需要注意這些荷載產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動以及由于頻繁變形產(chǎn)生的附加荷載，故需要專項措施，避免因此產(chǎn)生的安全隱患。

2 高支模設(shè)計優(yōu)化方案

對于現(xiàn)有的高支模體系而言，其立桿、剪刀撐等結(jié)構(gòu)按照以往工程經(jīng)驗，仍采用均勻布設(shè)的設(shè)計方案。但實際施工過程中，各種外力的動態(tài)作用，勢必會造成高支模體系的應(yīng)力集中現(xiàn)象，不利于工程安全；同時考慮工程安全的情況下，均勻布設(shè)的設(shè)計方案會需要大量高支模立桿和剪刀撐，從而造成一定程度的經(jīng)濟浪費和施工效率降低［15］。因此，應(yīng)當對舊有的方案進行優(yōu)化設(shè)計，從高支模體系穩(wěn)定性、施工安全性、高效性和經(jīng)濟性等多方面出發(fā)，依托濟南城市軌道交通6 號線位里莊車輛段1 工區(qū)項目，提出以下一套結(jié)構(gòu)設(shè)計施工優(yōu)化方案：

⑴選取典型梁板段關(guān)鍵模板支撐單元布設(shè)監(jiān)測元件，分析關(guān)鍵模板支撐單元內(nèi)力及變形特征，建立現(xiàn)有模板支撐組裝結(jié)構(gòu)在荷載作用下的內(nèi)力及變形等分布規(guī)律，評估現(xiàn)有模板支撐組裝結(jié)構(gòu)的可靠性及安全儲備。

⑵結(jié)合有限元分析軟件，分析已開展監(jiān)測的現(xiàn)有模板支撐組裝結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形特征，與監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比驗證，研究監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值仿真數(shù)據(jù)之間誤差產(chǎn)生的原因，建立縮小誤差的修正后的數(shù)值分析模型，為模板支撐組裝施工優(yōu)化提供數(shù)值基礎(chǔ)。

⑶在修正后的數(shù)值分析模型的基礎(chǔ)上，以現(xiàn)有模板支撐組裝結(jié)構(gòu)型式為基準，開展支撐布局（變密度布設(shè)）、模板組裝施工過程等優(yōu)化分析，研究滿足組裝結(jié)構(gòu)安全儲備下多種組裝施工過程的模板支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形特征，提出最優(yōu)的高支模組裝施工方案。

⑷基于現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，采用結(jié)構(gòu)力學、材料力學、彈性力學及結(jié)構(gòu)可靠度分析等理論，分析結(jié)構(gòu)荷載階梯曲線，評估最優(yōu)的高支模組裝施工方案的可靠性及其安全儲備，揭示最優(yōu)的高支模組裝結(jié)構(gòu)型式的荷載-內(nèi)力、荷載-變形作用機制，提出一套用于指導超大跨梁板澆筑高支模組裝施工優(yōu)化的工藝流程指南。

（5）結(jié)合現(xiàn)有商用有限元軟件，采用Python 語言開展二次開發(fā)，基于最優(yōu)的高支模組裝施工方案，兼顧高支模組裝中的模數(shù)限制，開展超大跨梁板下高支模動態(tài)參數(shù)化設(shè)計，實現(xiàn)超大跨梁板高支模受力及變形的自動化計算及高支模布設(shè)方式的可視化顯示，形成一項基于現(xiàn)有商用有限元軟件的超大跨梁板高支模動態(tài)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計分析軟件。

3 結(jié)語

高支模施工技術(shù)是我國建筑市場內(nèi)應(yīng)用范圍最廣、系統(tǒng)性最強的施工工藝之一，此項施工工藝在應(yīng)用中涉及結(jié)構(gòu)力學、材料力學、彈性力學及結(jié)構(gòu)可靠度等多個方面的內(nèi)容。本文以高支模板體系工程近15年來產(chǎn)生的典型工程事故為背景，分析了造成這些事故發(fā)生的原因；同時結(jié)合現(xiàn)有國內(nèi)外專家的研究現(xiàn)狀，總結(jié)歸納出適用于本文所依托的濟南城市軌道交通6 號線位里莊車輛段1 工區(qū)項目，提出了一套結(jié)構(gòu)設(shè)計施工優(yōu)化方案，主要得到以下結(jié)論：

⑴支模體系事故的發(fā)生主要可以分為結(jié)構(gòu)內(nèi)部因素以及外力因素兩方面影響，針對兩種失穩(wěn)因素，國內(nèi)外眾多學者已經(jīng)開展了大量的研究，結(jié)果表明支模體系自身架構(gòu)的設(shè)計不合理或者缺少某些必要的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，都會對整體的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響，同時需要考慮施工中主要的外力包括風荷載、雨水荷載、人置荷載以及混凝土澆筑時逐級增大的動荷載，需要考慮在這些外力荷載的作用下，結(jié)構(gòu)的極限屈服強度。

⑵結(jié)合以往的工程經(jīng)驗及研究現(xiàn)狀，基于濟南城市軌道交通6 號線位里莊車輛段1工區(qū)項目提出一套結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方案：通過監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對比分析，得到模擬結(jié)果的修正系數(shù)，從而開展立桿支撐布局（變密度布設(shè)）、模板組裝施工過程等優(yōu)化分析，提出最優(yōu)的高支模設(shè)計施工方案。

⑶該優(yōu)化方案保證了施工安全的同時也可以減少施工投入，為未來其余同類型的施工方案優(yōu)化提供一條嶄新的思路、方法，使得同類型高支模體系承載力顯著提高，澆筑組裝流程中的施工風險大大降低，從而減少未來事故的發(fā)生。