中央歌劇院工程高大模板支架的施工監(jiān)測(cè)

宗兆民 王福龍 李小霞

(北京城建一建設(shè)發(fā)展有限公司，北京 100096)

1 概述

我國(guó)正在進(jìn)行當(dāng)今世界最大規(guī)模的基本建設(shè)，在施工過程中重大安全事故不斷發(fā)生，其中支撐現(xiàn)澆水平混凝土構(gòu)件且搭設(shè)高度在8 m以上的高、大、重模板支架(本文簡(jiǎn)稱高大模板支架)的連續(xù)性垮塌事故所占比例極高，造成群死群傷。高大模板支架已被住建部認(rèn)定為土建施工中重大事故的重大危險(xiǎn)源[1]。

文獻(xiàn)[2]分析了我國(guó)大陸77起模板支架的垮塌事故，發(fā)現(xiàn)其中的60多起發(fā)生在混凝土澆筑期[2]；美國(guó)85起模板支架垮塌事故中，除去洪水、泥石流等偶然發(fā)生的自然災(zāi)害導(dǎo)致的事故外，絕大多數(shù)發(fā)生在混凝土澆筑期[3]；我國(guó)臺(tái)灣大多數(shù)支架垮塌事故也發(fā)生在混凝土澆筑期[4]。在混凝土澆筑期內(nèi)，作用在模板支架上的施工荷載與混凝土澆筑前后有很大的不同，混凝土荷載從無到有不再是永久荷載，同時(shí)一些施工操作可能會(huì)產(chǎn)生動(dòng)力荷載。可以認(rèn)為混凝土澆筑期是高大模板支架最危險(xiǎn)的時(shí)期。

中央歌劇院劇場(chǎng)工程位于北京市東城區(qū)東中街115號(hào)，地下4層，地上8層，建筑面積40 902 m2，設(shè)有1 201個(gè)座席，為乙等大型劇場(chǎng)建筑，建成后的效果如圖1所示。工程主舞臺(tái)上方共設(shè)置4道臺(tái)口梁，均為型鋼混凝土梁，截面面積900 mm×2 950 mm。

支撐型鋼混凝土梁的模板支架高度為13.2 m～14.2 m，為盤扣式支架，設(shè)置豎向及水平向剪刀撐[5]，桿件布置如圖2所示，屬于危險(xiǎn)性較大的高大模板支架。由于施工場(chǎng)地狹小，導(dǎo)致南側(cè)臺(tái)口梁無法用泵管澆筑混凝土，只能采用澆筑速度慢、但混凝土下料量值大的料斗來澆筑混凝土。文獻(xiàn)[6]通過試驗(yàn)研究和理論分析，發(fā)現(xiàn)使用料斗來澆筑混凝土?xí)谥位炷涟宓哪０逯Ъ苌袭a(chǎn)生不可忽視的動(dòng)力效應(yīng)。

我國(guó)學(xué)者對(duì)支撐普通混凝土梁的模板支架進(jìn)行了大量的監(jiān)測(cè)，掌握了支架的受力特點(diǎn)；但對(duì)支撐型鋼混凝土梁的模板支架，尚缺乏監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。本文選擇有代表性的支撐北側(cè)臺(tái)口梁的模板支架(簡(jiǎn)稱“支架1”)和支撐南側(cè)臺(tái)口梁的模板支架(簡(jiǎn)稱“支架2”)進(jìn)行澆筑期的施工監(jiān)測(cè)，其中對(duì)支架1進(jìn)行靜力監(jiān)測(cè)，對(duì)支架2進(jìn)行動(dòng)力監(jiān)測(cè)，在確保模板支撐體系安全的基礎(chǔ)上，探討支撐型鋼混凝土梁的模板支架的受力特點(diǎn)。

2 監(jiān)測(cè)方法

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

2.1.1支架1的測(cè)點(diǎn)布置

在支架1上布置14個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)和2個(gè)水平位移測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

2.1.2支架2的測(cè)點(diǎn)布置

在支架2上布置6個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)和2個(gè)水平位移測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

2.2 測(cè)試方法

支架1上測(cè)點(diǎn)的采樣頻率為20 s一次，支架2上測(cè)點(diǎn)的采樣頻率為200 Hz，分別使用振弦式傳感器和電阻式應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量，使用位移計(jì)進(jìn)行側(cè)向位移測(cè)量，使用振弦式應(yīng)變儀靜力采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采樣零時(shí)刻設(shè)定為澆筑前5 s左右。

3 澆筑期監(jiān)測(cè)結(jié)果

北側(cè)臺(tái)口梁澆筑開始時(shí)間為2017年8月1日0時(shí)，使用泵管進(jìn)行混凝土的澆筑，現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示，澆筑工作持續(xù)約6 h，在這期間數(shù)據(jù)采集儀器運(yùn)行正常，但測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)4處的傳感器沒有正常工作；南側(cè)臺(tái)口梁澆筑開始時(shí)間為2017年8月8日5時(shí)30分，使用料斗進(jìn)行混凝土的澆筑，現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示，澆筑工作持續(xù)約12 h，在這期間數(shù)據(jù)采集儀器運(yùn)行正常，傳感器工作正常。

3.1 位移監(jiān)測(cè)

由于在澆筑過程中，時(shí)有混凝土泥漿下落，一些泥漿灑落在位移計(jì)上，如圖7所示，使得所有位移計(jì)無法正常工作。因此，只得到量值較小的早期測(cè)試數(shù)據(jù)。

3.2 應(yīng)變監(jiān)測(cè)

3.2.1支架1的應(yīng)變監(jiān)測(cè)

典型測(cè)點(diǎn)的澆筑期應(yīng)變時(shí)程曲線如圖8所示。

3.2.2支架2的應(yīng)變監(jiān)測(cè)

支架2上典型測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變時(shí)程曲線如圖9所示。

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

1)從圖8可以看出，在澆筑北側(cè)臺(tái)口梁時(shí)，立桿頂部所受荷載隨著混凝土澆筑的實(shí)施逐步加大，呈階梯狀，澆筑結(jié)束時(shí)稍有下降，初步估計(jì)為施工人員和設(shè)備撤離所致；支架1上部典型測(cè)點(diǎn)的軸向最大應(yīng)變?cè)?0個(gè)～80個(gè)微應(yīng)變之間，同一立桿上下部測(cè)點(diǎn)的軸向應(yīng)變明顯小于上部測(cè)點(diǎn)的測(cè)量值。

2)從圖9可以看出，料斗澆筑混凝土對(duì)支架有一定的沖擊，但由于居中的型鋼直接承受了落下的大部分混凝土，使得沖擊效應(yīng)并不明顯，支架2典型測(cè)點(diǎn)的軸向最大應(yīng)變?cè)?0個(gè)～90個(gè)微應(yīng)變之間。

3)按立桿軸心受力的假定，經(jīng)計(jì)算得支架1和支架2的立桿承受了2.3 kN～10.6 kN的軸力，大大低于按規(guī)范計(jì)算的支架設(shè)計(jì)抗力。

4 研究結(jié)論

本文對(duì)支撐中央歌劇院工程臺(tái)口梁的模板支架進(jìn)行了澆筑期位移和受力監(jiān)測(cè)，在對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，得出以下結(jié)論：

1)立桿上部承受2.3 kN～10.6 kN的軸力，大大低于按規(guī)范計(jì)算的支架設(shè)計(jì)抗力，模板支架的安全性能夠得到保證；

2)在澆筑期，型鋼能夠承擔(dān)一部分荷載，在設(shè)計(jì)時(shí)不必將全部混凝土重量交由模板支撐體系承擔(dān)；

3)采用料斗澆筑型鋼混凝土梁時(shí)，混凝土下落的沖擊作用不明顯。

本文通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)在澆筑過程中型鋼能夠承擔(dān)一部分荷載，承擔(dān)比例是一個(gè)重要的模板支架設(shè)計(jì)參數(shù)，取值方法還有待通過深入研究確定，這將是今后的一個(gè)研究方向。

[1] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部安全生產(chǎn)管理委員會(huì).2013年各月房屋市政工程生產(chǎn)安全事故情況通報(bào)[Z].北京,2013.

[2] 謝 楠.高大模板支撐體系的安全控制[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2012:118-131.

[3] F. C. Hadipriono, H. K. Wang. Analysis of Causes of Formwork Failures in Concrete Structures[J]. Journal of Construction Engineering and Management,ASCE,1986,112(1):112-121.

[4] J. L. Peng, S. L. Chan, C. L. Wu. Effects of Geometrical Shape and Incremental Loads on Scaffold Systems[J]. Journal of Constructional Steel Research,2007,63(4):448-459.

[5] 中央歌劇院劇場(chǎng)工程模板工程搭設(shè)方案[Z].2017.

[6] S.Karshenas， S. M. Heinrich. Dynamic Modeling of Slab Formwork During Concrete Placemen[J]. Journal of Structural Engineering,ASCE,1994,120(7):2199-2217.