建筑工程超大跨梁板高支模施工问题分析及方案优化

侯向阳，孙 巍，赵 维，王艳林，文毅然，曹 凯

（1、中铁一局集团有限公司 西安 710054；2、山东大学齐鲁交通学院 济南 250002）

0 引言

改革开放以来，建筑行业已经成为经济快速发展的重要支柱产业之一，对城市社会的全面进步发展有着重要的作用。且随着城市人口急剧增加，城镇化进程的不断加快，城市居民对于房屋建筑的功能性开始逐渐提高。在此期间，随着人民生产生活的需要，众多超高、超深的建构筑物应运而生，同时也对工程所用的技术的先进性提出了较高要求。因此，模板工程，尤其是超高超大模板支撑模板体系越来越受到业内人士的重视。该技术作为一种先进施工技术，其应用不仅可以加快房建土建工程的施工进度，而且能够营造可靠的施工环境，提高工程的施工质量［1］。

然而，高支模体系面临诸多挑战。其本身的特点包括参与人员多、施工复杂性高、作业面积广、施工周期长、材料设备投入大等。设计施工过程中也可能出现现有设计照搬旧例、高危结构内力变形允许值计算错误，或屡禁不止的偷工减料等问题，这都将造成高支模发生施工事故。据不完全统计，近10 年来，全国支模体系结构的施工共发生70余起事故，直接或间接造成上百人伤亡，经济损失高达数十亿元。虽然该类型事故发生频率较低，但因其低频率、高危害的特点，危害程度已是众多工程事故之中最为严重的一项。且一旦发生支模体系坍塌事故，将会造成巨大的经济损失和人员伤亡，产生巨大的社会不良影响，又因为需要等待事故调查，清除事故现场并重新搭设架体，这都要重新投入大量的人力物力，且会严重影响工期［2］。

当前，我国现有模板支撑体系的专用规范中关于高支模的相关总结和规范内容较少［3］，在相关高支模设计施工时只能参考使用同样类似的工程设计方案，但由于工程之间的基本情况不尽相同，经验设计方案并不能很好的适用于特定工程。因此，针对高支模体系现有常规设计以及施工方案步骤的专项优化，是保证模板工程工作安全性，提高工程安全水平，预防重大事故发生的基本工作。该措施也可为类似工程提供借鉴和参考，为未来高支模体系规范的指定提供方案支撑，具有十分重要的意义。

1 高支模体系研究现状

1.1 高支模体系概述

对于高大模板支撑体系（简称高支模），国家住建部做出如下规定：①工程中混凝构件的模板支撑高度≥8 m；②模板搭设度≥8 m；③施工总荷载≥15 kN/m2；④集中线荷载≥20 kN/m。满足其中一个特征，即为高支模体系［4］。

按照构建形式，将当前的高支模体系中支架简单划分为门式、碗扣式、扣件式3种类型的脚手架［5］。高支模体系因其使用范围较为广泛、数量较大的特点，是目前常规的大型工程项目最主要的模板支撑方式，其特点主要包括：①大跨度、大体积、大荷载等混凝土框架梁板结构；②结构转换层中的横梁、腹板；③超长连续的混凝土屋盖梁板；④连接建筑物或架高跨越道路的廊道；⑤桥梁或高架桥的混凝土墩台与箱梁结构［6］。

1.2 高支模事故及原因分析

近15 年来高支模坍塌的典型事故如表1 所示，均造成了极大的人员及经济损失。

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

针对上述工程事故，大致可将事故原因总结为表2中所列举的结构内部因素和外力因素，其中，结构因素主要为高支模体系固有构造缺陷以及设计不当；外力因素则是指外部动态触发以及工人施工期间的种种行为造成的结构失稳［7］。

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

针对上述高支模体系失稳破坏诱发原因，国内外众多学者已在该领域进行了大量的研究。

1.3 高支模结构因素稳定性研究现状

黄宝魁等人［8］针对双排扣件式钢管支模架体整体稳定性问题，进行了完整施加荷载的真型实验和以及其对应的足尺数值模拟。分析了影响脚手架稳定性的各种因素，并针对节点刚性，通过室内实验测定扣件与杆架连接节点的刚性情况对结构整体稳定性的影响，得到适用于所有位置节点的“半刚性”修正系数，修正节点刚度后可以得到结构整体的临界稳定荷载。

胡长明等人［9］从构件总是存在的初始缺陷的角度出发来计算支架整体极限承载能力，采用整体稳定性屈曲实验和有限元数值模拟分析，探明了以1.2%极限荷载作为广义假想水平力，采取在各横杆和立杆的连接点处施加广义假想水平力来模拟构件初始缺陷是合理的。且由模拟结果表明，随着初始缺陷程度的提高，支模架的稳定承载能力不断降低，且下降趋势较为明显。

陈安英等人［10］针对现有演技不能完全探明盘销式钢管支撑架结构使用时在结构中承载力的不足，对其力学性能进行了较为全面的研究。研究结果表明：盘销连接节点具有可靠性；插销设计为楔形结构，使得其具备了自锁功能，在平常施工作业中自身不会向上滑动；通过试验得到了水平杆和竖直杆连接点的刚度系数，并以此为依据开展了结构基本单元受力性能研究，从而得到了不同构造条件下支模体系的破坏模式以及该情况下对应的极限承载能力。

葛召深等人［11］对剪刀撑的受力性能及搭设情况进行了研究和分析。选取5 个典型支架试验为基础，根据实际工程支架的构造，建立了扣件式钢管模板支架三维有限元模型，采用线性屈曲和非线性屈曲两种计算方法研究模板支架稳定承载力，通过对比分析，讨论了水平和竖直剪刀撑对稳定承载力的影响。结果表明，在模拟中，结构整体失稳的情况出现总是对应着特定位置处剪刀撑表面应力急剧变化，可以得到剪刀撑是结构破坏前最后一道支撑体系，若其自身出现较大的应力变形，则结构必然破坏，且随着剪刀撑数量的增多，强度提高，结构整体稳定性有所提高。

由上述研究现状表明，支模体系自身架构的设计不合理或者缺少某些必要的关键结构，都会对整体的稳定性产生较大的影响，且需要给出对应的措施，避免构件的天然缺陷使得结构的强度下降，稳定性较低。

1.4 高支模外力因素稳定性研究现状

YUE 等人［12］对整体提升式脚手架进行了风洞试验，通过对大量试验数据的梳理统计分析，得到了整体支模体系的体型系数和风振系数，结果表明风荷载对脚手架整体的稳定性有极大的影响。

张学智等人［13］通过施工现场支模体系整体动态检测实验，收集了动态施工荷载中混凝土浇筑、振捣作用以及混凝土浇筑路线不同的影响下，支模体系立杆以及横杆的竖向振幅、整体振动频率、振动特征值等。使用超低频拾振仪，得到了支撑架体中各位置处的振动冲击峰值位移。该研究通过分析水平、竖直振动频率曲线以及振幅大小，进而判断动态荷载对支模体系整体的影响。

陈园卿等人［14］通过有限元数值模拟分析方法，对水平荷载作用在支架整体的情况下进行研究分析，结果表明水平荷载在模板结构上产生的附加内力，使得整个体系受力极不均匀，结构主体结构力包括立杆轴力、垂直剪刀撑的内力将会受到较大的影响，严重影响结构稳定性；且实际工程中，混凝土浇筑顺序选择不当而同样会是结构产生附加的水平荷载。对于混凝土输送泵的使用及受风荷载的作用等其他动荷载因素，引起的水平力是无法避免，在设计中必须考虑这一影响因素。对于高度较大的高支模支架体系，其抗侧向位移的能力通常不强。所以，需要特别加固设计从而减弱侧向附加力对整体稳定性的影响。

由上述研究现状表明，施工中外力荷载主要为风荷载、雨水荷载、人置荷载以及混凝土浇筑时逐级增大的动荷载，需要考虑在这些外力荷载的作用下，结构的极限屈服强度，同时尤其需要注意这些荷载产生的结构振动以及由于频繁变形产生的附加荷载，故需要专项措施，避免因此产生的安全隐患。

2 高支模设计优化方案

对于现有的高支模体系而言，其立杆、剪刀撑等结构按照以往工程经验，仍采用均匀布设的设计方案。但实际施工过程中，各种外力的动态作用，势必会造成高支模体系的应力集中现象，不利于工程安全；同时考虑工程安全的情况下，均匀布设的设计方案会需要大量高支模立杆和剪刀撑，从而造成一定程度的经济浪费和施工效率降低［15］。因此，应当对旧有的方案进行优化设计，从高支模体系稳定性、施工安全性、高效性和经济性等多方面出发，依托济南城市轨道交通6 号线位里庄车辆段1 工区项目，提出以下一套结构设计施工优化方案：

⑴选取典型梁板段关键模板支撑单元布设监测元件，分析关键模板支撑单元内力及变形特征，建立现有模板支撑组装结构在荷载作用下的内力及变形等分布规律，评估现有模板支撑组装结构的可靠性及安全储备。

⑵结合有限元分析软件，分析已开展监测的现有模板支撑组装结构的内力及变形特征，与监测数据进行对比验证，研究监测数据与数值仿真数据之间误差产生的原因，建立缩小误差的修正后的数值分析模型，为模板支撑组装施工优化提供数值基础。

⑶在修正后的数值分析模型的基础上，以现有模板支撑组装结构型式为基准，开展支撑布局（变密度布设）、模板组装施工过程等优化分析，研究满足组装结构安全储备下多种组装施工过程的模板支撑结构的内力及变形特征，提出最优的高支模组装施工方案。

⑷基于现场监测和数值模拟数据，采用结构力学、材料力学、弹性力学及结构可靠度分析等理论，分析结构荷载阶梯曲线，评估最优的高支模组装施工方案的可靠性及其安全储备，揭示最优的高支模组装结构型式的荷载-内力、荷载-变形作用机制，提出一套用于指导超大跨梁板浇筑高支模组装施工优化的工艺流程指南。

（5）结合现有商用有限元软件，采用Python 语言开展二次开发，基于最优的高支模组装施工方案，兼顾高支模组装中的模数限制，开展超大跨梁板下高支模动态参数化设计，实现超大跨梁板高支模受力及变形的自动化计算及高支模布设方式的可视化显示，形成一项基于现有商用有限元软件的超大跨梁板高支模动态参数优化设计分析软件。

3 结语

高支模施工技术是我国建筑市场内应用范围最广、系统性最强的施工工艺之一，此项施工工艺在应用中涉及结构力学、材料力学、弹性力学及结构可靠度等多个方面的内容。本文以高支模板体系工程近15年来产生的典型工程事故为背景，分析了造成这些事故发生的原因；同时结合现有国内外专家的研究现状，总结归纳出适用于本文所依托的济南城市轨道交通6 号线位里庄车辆段1 工区项目，提出了一套结构设计施工优化方案，主要得到以下结论：

⑴支模体系事故的发生主要可以分为结构内部因素以及外力因素两方面影响，针对两种失稳因素，国内外众多学者已经开展了大量的研究，结果表明支模体系自身架构的设计不合理或者缺少某些必要的关键结构，都会对整体的稳定性产生较大的影响，同时需要考虑施工中主要的外力包括风荷载、雨水荷载、人置荷载以及混凝土浇筑时逐级增大的动荷载，需要考虑在这些外力荷载的作用下，结构的极限屈服强度。

⑵结合以往的工程经验及研究现状，基于济南城市轨道交通6 号线位里庄车辆段1工区项目提出一套结构设计优化方案：通过监测数据与数值模拟对比分析，得到模拟结果的修正系数，从而开展立杆支撑布局（变密度布设）、模板组装施工过程等优化分析，提出最优的高支模设计施工方案。

⑶该优化方案保证了施工安全的同时也可以减少施工投入，为未来其余同类型的施工方案优化提供一条崭新的思路、方法，使得同类型高支模体系承载力显著提高，浇筑组装流程中的施工风险大大降低，从而减少未来事故的发生。