建筑施工模板支撑体系可靠性分析

曾宇宣

摘要：文章以建筑结构施工期模板支撑体系为主要研究对象，系统地分析和总结了国内建筑模板研究现状及发展趋势，并对模板支撑体系的扣件抗滑承载力和抗扭性能、稳定承载能力、施工过程中的时变体系可靠性、人为错误发生律和影响程度等一系列问题进行了深入的研究和讨论。

关键词：建筑模板；结构施工期；施工体系；模板支撑体系；三元有限元模型

中图分类号：TU375

文献标识码：A

文章编号：1009-2374(2009)14-0158-02

建筑事故多发生在施工建造阶段，其中模板支撑体系的坍塌是事故发生的主要原因之一，因此对建筑施工模板支撑体系的研究是一项迫切和重要的工作。模板支撑体系用来确保混凝土结构本身的质量及强度的自然增长，承担并传递早期混凝土结构承受的荷载。如果模板支撑体系构造不合理，强度或刚度不够，会造成混凝土开裂或部分构件破坏；若模板支撑体系的稳定性差，则会导致结构倒塌事故的发生。因此。建筑施工模板支撑体系的可靠性是保证建筑安全的关键因素。

一、建筑施工体系

目前我国常用的建筑施工模板支撑体系为扣件式钢管支撑模架。而近年来国外着重研究门式模板支撑体系，但门式模板支撑体系的失稳模态与扣件式钢管支模体系完全不同，很难在扣件式钢管支模体系稳定承载力研究中直接引入国外门架的研究成果。

(一)工期建筑结构可靠性研究现状

寻求结构的安全适用性和最佳经济效益是结构的设计、施工必须特别关注的问题，而结构可靠度则是解决这一问题的最佳结合点。通常，结构的安全性是由结构设计的可靠性来得到的。因此，可靠性研究是结构工程领域的研究热点之一。近年来国内外在施工期建筑结构可靠性方面进行了研究。提出了一种遏制多、高层现浇钢筋混凝土结构在施工过程中连续倒塌的可靠性分析方法，并考虑了结构设计状况和施工操作步骤的影响。还有的计算出施工期钢筋混凝土板柱结构的失效概率，分析了施工周期、支模方式、混凝土施工工艺、混凝土强度、楼层总数对影响施工期多层混凝土结构可靠性的影响，提出混凝土的浇筑质量的影响比施工周期的影响更大。我国建筑学家从结构形式的时间角度出发，提出了时变结构的概念，围绕高层建筑钢筋混凝土板柱结构形式，对时变结构的结构分析、施工期安全控制和人为因素对结构安全的影响等问题进行了系列研究。对模板支撑体系的设计而言，直接借鉴英国标准的相关规定。而我国对模板支架的构造要求没英国标准严格，斜杆设置相对较少，因此不能直接借鉴英国标准，否则计算结果不能全确保模板支撑体系的安全。

(二)目前建筑施工模板支撑体系研究中存在的问题

1.扣件式钢管模板支撑体系稳定承载力的理论研究不够透彻，系统性不强。

2.未对模板支撑架进行系统可靠度分析。

3.未考虑灰色系统不确定性，对扣件式钢管模板支撑体系进行安全风险分析。

4.没有考虑人为错误对模板支撑体系可靠性的影响。

(三)建筑施工模板体系问题的研究、分析

建筑施工模板支撑体系的现场调查和扣件试验，针对模板支撑研究中统计数据严重不足的问题，通过施工现场问卷调查和数据实测，对影响模板支撑体系安全的因素作不确定性分析，确定各基本变量的概率模型，并对施工中的人为错误进行探讨。

1.模板支撑体系的稳定承载力研究在直角扣件抗扭刚度试验基础上，考虑扣件连接的半刚性，建立扣件式钢管支模架稳定承载能力分析的三维有限元模型；采用非线性屈曲方法，计算不同搭设变量下的稳定承载力，并表示为工程上常用的计算长度系数，分析初始缺陷、扣件半刚性、扣件螺栓拧紧扭力矩和搭设高度对稳定承载力的影响。

2.施工期结构体系可靠度研究考虑混凝土结构和模板支撑体系的主要失效模式，分析施工期结构体系时的可靠度，研究不同模板支撑方案、施工活荷载等因素对结构体系可靠度的影响。

3.人为错误对施工期结构体系可靠度影响的研究根据现场调研、试验研究和前人的文献，确定混凝土结构构件和模板支撑体系施工中人为错误，并研究人为错误对各结构参数的影响程度，建立施工过程中人为错误发生及其影响的模拟模型，对人为错误及其结构参数进行模拟计算，进而求出可靠指标。

(四)模板支撑体系安全综合评估

为了与现行建筑结构规范的计算理论和方法在结构可靠性理论得以实现，各种影响结构安全的不确定因素可采取随机变量或随机过程来描述。包含在这些随机变量中的不确定性可以分为两类：

1.客观不确定性。客观不确定性是指与基本变量有关的不确定性。包括材料力学性能的不确定性、构件尺寸的不确定性以及制造误差、建造不完善及焊接残余应力等引起的不确定性。这种不确定性可以通过实物或试样的测定结果进行统计分析，找到它们的分布特性。

2.主观不确定性。主观不确定性是指对结构强度进行分析所作的假定环境条件及转化为荷载的近似性、结构分析方法、结构模型化精确程度等引起的不确定性。在充分考虑这些不确定性因素的基础上，一个结构安全与否，用该结构在规定服役期内不发生破坏的概率来度量，这一概率就称为结构的可靠度。应用结构可靠性理论处理模板支撑体系的不确定性，克服了传统的确定性方法的缺点，因而更符合客观实际。而在模板支撑体系中应用可靠度理论的前提是分析各基本变量的不确定性。主要方法有：(1)通过施工现场直接调查和问卷统计分析，确定了模板支撑体系施工过程中出现的人为错误规律，为施工期结构人为错误的研究提供了必要的基础；(2)通过施工现场的数据实测，分析了模板支撑体系不确定性，提出了结构几何参数、搭设参数和不同部位扣件螺栓拧紧力矩概率模型，为模板支撑体系可靠性研究提供了必要的数据；(3)通过直角扣件抗扭刚度试验，建立了在不同螺栓拧紧扭力矩条件下直角扣件的抗扭刚度模型，验证了直角扣件抗扭刚度具有非线性特性；(4)通过直角扣件抗滑试验，分析了不同螺栓拧紧扭力矩对扣件抗滑承载力的影响，结果表明对于直角扣件的抗滑承载力而言，螺栓拧紧扭力矩取40N·m是经济合理的。采用线性屈曲和非线性屈曲分析方法计算支模架的稳定承载力，结果表明线性屁曲所得的稳定承载力要大于非线性稳定计算结果。

二、建筑支撑体系模板的分析结果

1.根据施工现场的调查研究，较系统地分析和总结了模板支撑体系施工过程中人为错误规律。通过现场数据实测、试验研究和统计分析，建立了钢管外径和壁厚、不同位扣件螺栓拧紧扭力矩、搭设步距和立杆间距等参数的概率模型，减少了各种人为错误的发生率，确定了对不同扣件螺栓拧紧扭力矩情况下，扣件的抗滑承载力的统计模型和抗扭刚度模型。

2.基于扣件抗扭性能的试验研究成果，考虑扣件半刚性的三维有限元模型。利用该模型进行线性屈曲和非线性屈曲分析，计算结果表明非线性屈曲的分析方法能考虑诸多不利因素应优先采用，具有一定的安全度。因而采非线性屈曲分析方法，

计算不同搭设参数下模板支撑体系的稳定承载力。为于施工人员查询，将模板支撑体系的稳定承载力转换为单杆的计算长度系数。分析了同初始缺陷、扣件半刚性、扣件拧紧力矩和搭设高度对支模架稳定承载力的影响。

3.以高层现浇钢筋混凝土无梁楼盖结构为对象，进行钢筋混凝土结构和模板支撑体系相结合施工期结构的时变可靠性分析。结果表明施工期结构的失效概率远大于使用期间；模板支撑体系的失效主要受模板底部水平杆与立杆连接处的扣件抗滑承载力控制。

4.大量建筑工程事故表明人为错误是导致结构失效的主要原因之一。在实际数据较少的条件下，通过现场调查、试验研究和相关文献，本文采用了HRA法模拟了混凝土结构和模板支撑体系在施工过程中人为错误发生及其对结构参数的影响。

5.采用蒙特卡罗数值模拟方法进行系统可靠性的计算和人为错误发生及其对结构参数影响的模拟。为确定人为错误的影响程度，比较分析了无人为错误和有人为错误影响下施工期结构体系的可靠性，并且确定了多层建筑结构模板支撑体系施工过程中的检查重点和控制内容。

6.基于LS-SvM的结构可靠度响应面分析方法，可以用来求解功能函数不能明确表达的可靠性问题。逼近结构响应量与随机变量的关系，可以大量减少传统响应面可靠性分析方法的计算次数和计算时间，可直接使用现有的确定性结构分析程序而无需任何改动；数值结果表明所提出的方法具有较好的效率和精度，且具有一定的广泛性和实用性。

三、建筑施工模板支撑体系的完善措施

建筑施工模板支撑体系可靠性研究还有许多不完善不成熟的方面，还得从以下几个问题中进一步完善：

1.开展施工期荷载的调查和统计工作。施工期荷载的调查与统计是模板支撑体系可靠性分析与设计的基础与前提。而目前模板支撑体系可靠性分析中都采用了依赖于工程经验和判断施工期荷载的统计分布，其合理性需要在施工期荷载调查和统计的基础上加以验证。

2.模板支撑体系风险评估研究，考虑各种失效模式发生的概率，分析评估中的不确定性问题，收集模板支撑体系失效损失数据，依据各种安全目标的需要，确定安全经济的模板支撑方案。

3.收集模板支撑施工过程中人为错误检查数据，考虑检查过程对施工期结构可靠性的影响，控制和消除人为错误的影响，确定合理的施工检查方案提供科学依据。

4.建立以极限状态设计理论为依据的施工期模板支撑结构设计规范。为了与现行建筑结构规范的计算理论和方法衔接，以便可以利用相应的计算方法和有关适合的数据，所以现行脚手架标准中计算方法穿上概率极限状态设计的“外衣”。但是实际上仍是半理论和半经验的，有待于继续积累数据、向真正的概率极限状态设计法过渡。

总之，利用施工现场调研统计资料，研究和讨论了钢筋混凝土结构和模板支撑体系在施工过程中的抗力和荷载的概率模型。针对施工期钢筋混凝土结构的主要失效模式，计算了施工期钢筋混凝土结构的体系可靠度。为建筑业模板的安全性提供了可靠的切实可行的保障。