高支模架结构稳定承载力的影响因素分析

2020-06-21邓志华

工程技术研究 2020年8期

邓志华

（中交四航局第二工程有限公司，广东广州 510300）

1 前言

随着我国经济建设的高速发展，基础建设范围不断扩大，大跨度、高层高的建筑物日益增多，高支模架工艺在结构施工中愈发普遍。高支模通常指在建筑工程中搭设高度为5m及以上、搭设跨度为10m及以上、施工总荷载为10kN/m2及以上、集中线荷载为15kN/m及以上、高度大于支撑水平投影宽度且相对独立无联系构件的混凝土模板支撑工程。高支模作为结构施工的重点，技术难度大，危险性高，影响因素多，稍有失误就可能发生架体坍塌事故，引发人员伤亡。渚碧岛灯塔塔基为两层八角形结构，取“际天及地、取道自然、刚柔并济”的理念设计，檐口高9.1m，塔身圆柱形钢筋混凝土结构，建筑高度为55.45m，是我国承担和履行海上搜寻与救援、航行安全等国际责任与义务的载体。为预防高支模架发生结构坍塌事故，有必要对高支模架结构破坏的影响因素进行分析[1]。

2 荷载取值

渚碧岛灯塔为现浇混凝土核心筒结构，建筑高度为55.45m，檐口标高度高为9.10m，现浇混凝土板厚度为300mm，支模最大高度为9.10m。采用顶托、扣件及Ф48×3.0mm钢管搭设满堂脚手架作模板支承架，高支模架荷载考虑混凝土楼板的自重、模板及其骨架的自重、支架自重及施工荷载。

（1）混凝土楼板的自重，根据《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）的规定，取300×25.5=7.65kN/m2。

（2）模板及其骨架的自重，参考《建筑施工模板安全技术规范》（JGJ 162—2008），取0.5kN/m2。

（3）支架自重，按Ф48×3.0mm钢管实际自重，取3.33kg/m。

（4）施工荷载，根据《建筑施工模板安全技术规范》（JGJ 162—2008）的规定，取2.5kN/m2。

混凝土楼板因厚度较薄，混凝土下料及振捣对模板系统的影响较小，故不考虑混凝土下料及振捣的作用。

3 极限平衡法分析高支模架稳定承载力的影响因素

高支模架结构破坏主要分为失稳破坏及局部承载力破坏。其中失稳破坏是导致高支模架大面积坍塌的主要原因，采用极限平衡法进行计算，分析高支模架的搭设高度、水平杆搭设步距及顶部悬挑部位的长度等3种因素对高支模架稳定承载力的影响[2]。

3.1 搭设高度

采用该灯塔高支模架的实际搭设数据，立杆纵横距均为1.0m，步距为1.5m，顶部水平杆中心距主龙骨下皮长度为0.3m。利用极限平衡公式σ=N/（φA）进行计算，计算成果如表1所示。

表1 改变计算高度成果统计表

由此得知，最大应力值与计算高度基本呈正相关线性关系，但计算高度的增大对最大应力值的影响较小，计算高度为13m时，仅比9m的最大应力值增加3.78%。由于钢管脚手架的自重较轻，增大搭设高度仅影响架体自重，因此计算高度的增大对高支模架稳定承载力的影响很小。

3.2 搭设步距

取水平杆搭设步距为1.5m、1.6m、1.7m、1.8m、1.9m，代入极限平衡公式进行计算，计算成果如表2所示。

表2 改变步距计算成果统计表

由此得知，最大应力值与水平杆搭设步距基本呈正相关线性关系，且水平杆搭设步距的增大对最大应力值的影响较大，步距为1.9m时的最大应力值比步距为1.5m时的最大应力值增大34.59%。

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3.3 顶部悬挑部位的长度

取顶部悬挑部位的长度为0.1m、0.2m、0.3m、0.4m、0.5m，代入极限平衡公式进行计算，计算成果如表3所示。

由此得知，最大应力值与顶部悬挑部位长度基本呈正相关线性关系，且悬挑部位长度的增大对最大应力值的影响非常大，悬挑部位长度为0.5m，仅比0.1m增大0.4m，其最大应力值则增大89.08%。因此，控制顶部悬挑部位的长度是高支模架设计及施工中最为重要的控制点。

表3改变顶部悬挑部位长度计算成果统计表

4 有限单元法分析高支模架稳定承载力的影响因素

在工程实践中，高支模架结构通常采用经验估计，或采用极限平衡分析方法利用公式进行计算设计，均未能够科学、有效地控制高支模架整体的受荷状态[3]。国外分析高支模架常借有限单元法进行建模计算高支模架的应力、应变及位移变化，并以此作为设计的依据。Chandrangsu等[4]利用商业有限元软件建立三维模型，模拟施工中高支模架的应力、应变及沉降位移情况，并与实际检测数据对比，证实利用有限单元法能较好地模拟高支模架施工中的受荷及破坏情况。另外，苏卫国等[5]指出Midas有限元程序适用于高支模架结构的数值模拟。

下面将利用Midas有限元软件对高支模架进行三维建模，分析剪刀撑、扫地杆构造措施对高支模架稳定承载力的影响。根据工程实际情况，模板采用板单元模拟，模板下木方、钢管、水平杆及立杆均采用梁单元模拟，扣件处采用共用节点连接简化处理。因模板与主次龙骨均为协同作用，故板单元与梁单元亦采用共用节点进行连接。

4.1 剪刀撑

（1）竖直剪刀撑对高支模架稳定承载力的影响。按布置跨度10m内2道、3道、4道由下至上连续竖向剪刀撑，不布置水平剪刀撑进行建模计算，计算成果如表4所示。

表4 改变竖向剪刀撑计算成果统计表

由此得知，竖向剪刀撑数量的增加对高支模架整体稳定有较明显的效果。其因竖向剪刀撑抗侧移能力强，且剪刀撑的斜杆作为高支模架整体结构保持几何不变体系的必要构件，不可缺失。

（2）水平剪刀撑对高支模架稳定承载力的影响。竖向剪刀撑仅外围一周布置，水平剪刀撑加强层按2层、3层、4层进行建模计算，计算成果如表5所示。

高支模架的立杆失稳，主要是由于立杆受荷载的压力作用而失稳破坏，水平剪刀撑加强层对模架竖向立杆抵抗弯曲变形的增强效果并不明显。因此计算成果显示，增大水平剪刀撑的数量对模架最大应力值的影响较小。实际情况中，剪刀撑与立杆采用旋转扣件进行连接，旋转扣件可以自由转动，会进一步减弱水平剪刀撑对模架稳定承载力的影响。但是，布置水平剪刀撑加强层后的模架结构对扭转破坏的抵抗作用非常明显，因此不能忽视水平剪刀撑的布置。