大截面转换梁的模板支撑体系受力分析研究

2015-09-17

建筑施工 2015年6期

中铁上海工程局集团建筑工程有限公司上海 200431

1 工程概况

成都某高层住宅楼工程总建筑面积83 000 m2，由1#、2#主楼及裙房组成。主楼地下3层，地上31层，总高110.8 m。主楼地下及首层均为框架结构的停车库及商铺；2层及以上为剪力墙结构住宅。在2种结构变化部位（1层顶板，即1#楼+6.5 m、2#楼+6.0 m标高处）设计成结构转换层，均为梁式转换层，转换梁截面高度为2 000 mm，梁宽1 500～2 100 mm不等，板厚180 mm，1#楼转换层三维模型如图1所示（为了便于透视，图中未显示楼板）。

图1 1#楼转换层结构三维模型示意

2 施工重难点

1）本工程转换梁断面达2 100 mm×2 000 mm，混凝土自重荷载标准值达105 kN/m，施工荷载巨大。转换层标高6.6～6.05 m，支撑体系的搭设高度也较高。

2）本工程结构转换层位于首层顶板，下面为地下3层，在确保上部转换层结构支撑系统满足施工要求的前提下，还要确保承受支撑系统的地下室结构安全。

3 转换梁模板支撑体系设计

以2 100 mm×2 000 mm转换梁为例（下同），模板采用厚15 mm木胶合板，梁下沿梁纵向布置100 mm×100 mm的木方次楞，间距不大于150 mm，次楞铺于2φ48 mm×3.0 mm双钢管主楞上，双钢管主楞间距为400 mm，主楞支撑于U托上，U托下分别设6根φ48 mm×3.0 mm钢管承重立杆，立杆沿梁跨度方向间距为500 mm，水平杆步距1.50 m；地下结构按转换梁下支撑体系搭设，将荷载传至地下室筏板[1-4]（图2）。

图2 转换梁模板支撑架体剖面示意

4 转换梁模板支撑系统数值模拟计算

4.1 计算模型的选取

依据支撑体系实际搭设情况，采用φ48 mm×3.0 mm钢管支架，模型x方向、y方向钢管立杆间距按现场实际测量得出，如图3所示。由于现场实际搭设中存在着误差，因此测量所得各立杆间距不完全一致。模型选取监测点（即图中大圆点）所在位置x、y方向网格间距建模，z方向网格间距为1.5 m。

图3 转换梁下支撑实测平面尺寸示意

4.2 有限元模型的建立

根据架体搭设方案，建立2 100 mm×2 000 mm转换梁下高支模系统模型，模型选取转换梁宽度范围下方的模板支撑，根据现场实际情况，模型x方向的边界上各点均受到周围架体的拉结约束，即平面外约束；地面对立杆底部的三向也设约束。

4.3 有限元分析结果

混凝土浇筑时的Mises应力图和z方向的位移图分别如图4、图5所示。

图4 支撑系统Mises应力图（单位：kPa）

1）根据有限元分析结果，梁底立杆的Mises应力值最大为29.54 MPa，梁底水平杆的Mises应力值最大为13.13 MPa；x、y、z方向的位移均较小。

图5 支撑系统z向位移图（单位：m）

2）上述2个模型的受力和变形情况均良好，对主体结构的安全不构成影响，并且模型各项参数的取值均偏安全，转换梁支撑架体的稳定性能够保证。

5 现场实测分析

5.1 监测点选择

选择截面尺寸2 100 mm×2 000 mm转换梁和 200 mm×2 000 mm转换梁以及下部的模板支撑体系、转换梁正下方负一层的支撑架体作为监测范围，实时监测架体在结构施工过程中的应力变化。采用振弦式应变计通过频率仪和选点箱将传感器采集到的频率传输到电脑中（图6）。

图6 2 100 mm×2 000 mm转换梁模板支撑系统传感器位置示意

5.2 监测数据分析

1）混凝土浇筑过程中支撑系统立杆与水平杆的应力变化如图7、图8所示。

图7 混凝土浇筑时立杆应力变化曲线

2）混凝土浇筑完成28 d内支撑系统立杆和水平杆的应力变化如图9、图10所示。

3）结果分析：

（1）在混凝土浇筑过程中及浇筑完成28 d内，梁下支撑立杆始终承受压应力，且上端压应力大于下端。立杆上端（2#）的最大压应力值达55.80 MPa；混凝土分3层浇筑，每次浇筑梁高的1/3后间歇45 min浇筑第2、3层。浇筑第2层时，立杆压力突增，上端压应力增幅明显大于下端，最大增幅达15.99 MPa；浇筑第3层混凝土时，架体立杆应力无明显变化；随着时间的增加，架体立杆所受压力反而逐渐减小，在浇筑完12 d后，立杆应力基本无变化；总体来看，立杆在各步距内压应力逐步减小。

图8 混凝土浇筑时水平杆应力变化曲线

图10 混凝土浇筑完成28 d内水平杆应力变化曲线

（2）在混凝土浇筑过程中及浇筑后28 d内，横向水平杆的拉压受力并不相同，1#水平杆最大拉应力值达38.11 MPa，7#水平杆最大压应力值为2.20 MPa；浇筑转换梁第2层混凝土时，上部水平杆（1#）的拉应力突增，最大增幅达11.24 MPa，下部水平杆（5#和7#）的受力状态发生改变，剪刀撑也具有相同的监测结果。这与混凝土浇筑顺序和浇筑方向有关，说明纵横向水平杆及剪刀撑对架体水平方向稳定起到了至关重要的作用；随着混凝土的不断凝结硬化，浇筑第3层转换梁混凝土时，架体水平杆及剪刀撑受力平稳且无较大变化；混凝土浇筑完12 d后，水平杆及剪刀撑应力基本无变化。

（3）在混凝土浇筑过程中，模板支撑系统中的水平杆承受了较大荷载；上部水平杆的应力最大值为27.11 MPa，应力平均值为22.40 MPa；中部水平杆应力最大值为15.95 MPa，应力平均值为12.43 MPa；扫地杆应力最大值为7.18 MPa，应力平均值为5.74 MPa；水平杆承担荷载自上而下也是逐步减小的。

（4）实测分析表明，模板支撑体系中，立杆压应力自上而下是逐步减小的，这与我们传统平面计算分析认为的立杆应力自上而下应是恒定或逐步增加的（架体自重引起）结论是截然相反的；同时，水平杆及剪刀撑的应力自上而下也是逐步减小的，且水平杆、剪刀撑浇筑期间应力很大，这与我们传统平面计算分析时，认为水平杆和剪刀撑假定不受力而仅属构造性措施的观点也是不同的。原因是立杆的荷载经水平杆和剪刀撑层层分解后，导致了立杆压应力自上而下逐步减小。水平杆的拉应力主要来自以下3个方面[5-8]：一是浇筑混凝土时产生的水平推力；二是风荷载；三是由于浇筑顺序是由梁一端向另一端，加载过程并不均匀（即使采用分层、对称的顺序），导致先加载的区域钢管支撑系统出现压缩变形，而剪刀撑和水平杆起到了调节先后加载区域变形差值的作用，从而产生了较大的拉应力。