上海東方漁人碼頭綜合樓施工的模板支撐體系監測與分析

蔡 磊 胡 翔 周洪濤 郭志鑫 薛偉辰

1.同濟大學建筑工程系 上海 200092；2.中國建筑第八工程局有限公司 上海 200135

0 引言

扣件式鋼管模板支撐體系具有承載力高、搭設靈活、經濟性好等特點，是目前我國混凝土結構施工領域應用最普遍的模板支撐形式。混凝土結構施工過程中，由于主體結構混凝土齡期不斷變化，模板支撐體系和主體結構形成了施工時變結構體系[1]。準確計算該體系的內力，并合理確定模板支撐體系的布置方案，對保障結構安全、提高施工效率、降低建造成本具有重要的意義。

扣件式模板支撐體系中，各鋼管桿件通過半剛性的扣件連接形成整體受力體系。扣件連接剛度將直接影響模板支撐體系的受力性能，而扣件連接剛度受扣件中螺栓的擰緊程度影響較大。近年來，相關學者通過一系列模型試驗，對常規施工條件下扣件連接剛度的合理取值進行了研究，并提出了初步的取值建議。然而，如何在模板支撐體系分析中合理地反映扣件剛度的影響尚有待進一步的研究。

施工監測和有限元分析是研究扣件式模板支撐體系整體受力性能的重要途徑。然而，已開展的模板支撐體系施工監測和有限元分析主要針對某一施工荷載對支撐體系內力的影響，未分析支撐體系與主體結構共同作用時內力分布的時變規律以及扣件半剛性連接剛度的影響。此外，在設計計算方法方面，我國的模板支撐設計主要參照《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》（JGJ 130—2011）中的單立桿模型，無法真實可靠地反映實際結構的受力特征。

綜上，為了更好地分析施工過程中模板支撐體系的內力分布規律，并研究其建模方法，本文以上海東方漁人碼頭（圖1）綜合樓為背景，開展典型結構的三層流轉模板支撐體系施工監測，并基于SAP2000軟件建立考慮鋼管支撐半剛性扣件連接和主體結構混凝土時變特性影響的有限元分析模型。在此基礎上，通過有限元分析結果與施工監測結果的對比與分析，驗證該分析模型的適用性與合理性。

圖1 上海東方漁人碼頭

1 工程背景

上海東方漁人碼頭綜合樓為33 層鋼筋混凝土框架-核心筒結構，核心筒布置于結構平面中部，標準層層高為3 600 mm，如圖2所示。該結構的模板支撐體系采用扣件式鋼管支撐，鋼管φ48 mm，壁厚3.5 mm。樓板下鋼管支撐立桿縱橫向間距900 mm×900 mm，梁下布置縱距600 mm的2 道（梁高為900～1 400 mm時）或1 道（梁高500～800 mm時）鋼管支撐立桿。該綜合樓所采用的結構體系和模板支撐布置方案均較為典型，針對其開展的施工監測和有限元分析可為今后類似結構模板支撐體系的設計與分析提供參考。

圖2 標準層結構平面示意

2 施工監測

2.1 監測工況與監測內容

針對上海東方漁人碼頭綜合樓主體結構外框部分典型區域的4 層模板支撐體系，進行每天一次的現場監測。主要監測各典型位置處鋼管支撐的應變，并基于應變監測結果計算鋼管支撐在施工期的內力變化，以實現對結構施工過程中模板支撐的內力分布及其與主體結構共同作用的全過程監控。

2.2 監測方法

鋼管支撐應力監測采用電阻式應變片，電阻式應變片具有良好的測試精度，數據采集采用靜態數字電阻應變儀。為避免溫度變化對測試結果的影響，在測試全過程中對所有應變測點均進行了有效的溫度補償。

2.3 測點布置

在測試樓層選取軸線XF～XG與X4～X5之間的區域作為測點布置區域，按照模板支撐搭設情況選取典型受力支撐布置測點，監測時選取4 類典型位置：板跨中位置處支撐、梁交叉點處支撐、梁跨中位置處支撐、柱邊緣處支撐。選取了9 個典型位置處的鋼管支撐測點，如圖3所示，各測點布置于立桿頂端以下50 mm處。

2.4 主要監測結果及分析

2.4.1 板跨中模板支撐軸力

各層板跨中支撐軸力監測結果如圖4所示。

圖3 測點布置示意

從圖中數據可知：當澆筑本層混凝土時，板跨中支撐軸力增大，增大值約為15 kN；此后，隨著混凝土齡期的增長，板跨中支撐軸力逐漸減小；但當上層開始搭設模板支撐時，板跨中支撐軸力又逐漸增大，并在澆筑上層混凝土時大幅增大，但增量值隨著以上層數的增加而逐漸減小。

圖4 第1層板跨中支撐軸力對比

2.4.2 交叉梁模板支撐軸力

各層交叉梁處模板支撐軸力監測結果如圖5所示。

由圖中數據可知：

1）在澆筑本層混凝土時，支撐軸力均出現較大幅度的增大。由于各層支撐布置位置與間距略有不同，支撐軸力的增大幅度在17～25 kN之間。這表明在澆筑本層混凝土時，交叉梁處模板支撐受力較大，在進行支撐搭設時應對該處支撐予以加固，如增加立桿、減小立桿間距等。

2）澆筑上部各層混凝土時，交叉梁處支撐的軸力也突然增大，但增大幅度較澆筑本層混凝土時小，且隨著上部樓層的增大而逐漸減小。

2.4.3 梁跨中模板支撐軸力

各層梁跨中支撐軸力（取梁跨中點A）監測結果如圖6、圖7所示。

從圖中數據可知：

1）在澆筑本層混凝土時，梁跨中支撐軸力均較之前大幅度的增大。但由于梁下支撐布置較密，因此其支撐軸力的增大幅度略小于交叉梁處，在7～19 kN之間。這表明現行的模板支撐搭設方案中，加強梁底支撐數量是合理的。

2）在澆筑上部各層混凝土時，梁跨中支撐的軸力變化規律與交叉梁處支撐的軸力變化規律基本一致。

圖5 第1層交叉梁處支撐軸力對比

圖6 第1層梁跨中支撐軸力對比

圖7 第2層梁跨中支撐軸力變化

3）在拆除相鄰下層支撐時，梁跨中處的支撐軸力減小。

2.4.4 鄰近柱模板支撐軸力

各層鄰近柱邊支撐軸力監測結果如圖8所示。

圖8 第2層鄰近柱邊支撐軸力對比（鄰近柱B點）

從圖中數據可知：

1）由各層鄰近柱邊支撐軸力隨時間的變化趨勢可知，在澆筑本層混凝土時，支撐軸力均出現較大幅度的增大。

2）澆筑上部各層混凝土時，鄰近柱邊支撐的軸力也突然增大，但增大幅度較澆筑本層混凝土時小，且隨著上部樓層的增大而逐漸減小。

需要說明，由于現場施工環境較為復雜，各層支撐的布置數量、位置與間距、支撐的搭設與拆除順序、測試區域的施工材料堆放情況等均難以按照測試要求實施。因此，此次模板支撐軸力的現場測試結果波動較大。

3 基于SAP2000的時隨有限元分析

3.1 有限元建模

以上海東方漁人碼頭綜合樓為背景，采用商用有限元軟件SAP2000建立了該工程主體結構中部6 層外框部分的模型，分析模板支撐的受力情況。模型中考慮的主要影響因素包括：

1）施工期混凝土強度和彈性模量的時隨變化；

2）立桿與水平桿之間的扣件連接剛度對模板支撐體系受力行為的影響；

3）支撐拆除對結構及剩余模板支撐受力的影響。

有限元模型如圖9所示，由于結構完全對稱，為提高計算效率對其一半的結構進行分析。模型中梁柱采用梁單元、樓板采用殼單元，梁、柱節點為剛接，鋼管支撐采用桿單元。其中，立桿單元可按照穩定承載力計算確定其極限承載力。

3.2 關鍵問題處理

3.2.1 扣件半剛性連接

目前相關規范中將扣件螺栓的擰緊力矩定為40 N·m，考慮到施工現場的實際情況，扣件螺栓的擰緊力矩偏安全地取為30 N·m。參照現有關于扣件擰緊力矩和扣件初始連接剛度關系的試驗結果[2,3]，本文中模擬扣件連接的旋轉彈簧單元剛度取為30 kN·m/rad。

圖9 施工第6層結構有限元模型（澆筑第6層結構）

3.2.2 混凝土時隨模型

鋼材采用材料力學性能不隨時間發生變化的線彈性材料模型。為考慮施工過程中混凝土齡期發展的影響，混凝土材料采用了歐洲混凝土協會規范CEB-FIP model code2010建議的、考慮齡期發展的非線性時隨模型，即混凝土的強度和彈性模量將隨齡期發展而變化。有限元模型中所采用混凝土強度隨時間變化的關系式為：

式中：fcm（t）——齡期為td的混凝土抗壓強度;

fcm——齡期為28 d的混凝土抗壓強度；

s——與水泥類型相關的材料系數。

混凝土彈性模量隨時間變化的關系式為：

式中：Eci（t）——齡期為td的混凝土彈性模量；

Eci——齡期為28 d的混凝土彈性模量。

3.3 主要計算結果分析

各層板跨中支撐軸力、交叉梁模板支撐軸力、梁跨中模板支撐軸力的以及鄰近柱模板支撐軸力的有限元計算與現場實測結果對比如圖4～圖8所示。從圖中數據可知：

1）有限元分析結果表明，在澆筑混凝土時，各層板跨中、梁交叉處、梁跨中和鄰近柱邊處的模板支撐軸力均增加，模板支撐軸力增量向下逐層遞減，另外，本層梁交叉處支撐軸力增加幅度最大（最大達到18 kN）。這與現場監測結果基本一致，表明在澆筑混凝土時，本層模板支撐處于最危險的荷載工況[4]。

2）該有限元分析模型考慮模板支架與結構共同工作、扣件半剛性連接和結構混凝土時變特性等因素的影響，與現場監測結果的對比表明，有限元分析模型能夠較好地反映模板支架體系在整個施工過程中的軸力變化規律，與監測結果吻合良好[5]。

需要說明，各典型位置處模板支撐測點的軸力計算值均小于現場監測值，這主要與有限元計算模型中未能充分考慮施工荷載以及實際工程中采用的模板支撐鋼管壁厚比標準厚度略小有關。

4 結語

本文以上海東方漁人碼頭綜合樓為背景，開展了施工階段典型位置模板支撐內力的現場監測和有限元分析，主要結論如下：

1）監測結果表明，在澆筑混凝土時，各層模板支撐軸力均增大，下部各層模板支撐軸力增大幅度較本層模板支撐小。本層梁交叉位置處模板支撐軸力增大幅度最大（最大達到25 kN），在進行支撐搭設時應對該處支撐予以加固[6]。

2）本文建立的考慮鋼管支撐扣件半剛性連接、支撐與主體結構共同作用以及主體結構混凝土時變特性的模板支撐體系有限元模型的計算結果與施工監測結果吻合良好，反映了模板支撐體系在整個施工過程中的內力變化規律。表明針對模板支撐體系的有限元建模方法是可行的[7]。

本文的研究成果可為類似工程模板支撐的分析和研究提供依據和參考。