人為過(guò)失對(duì)高支模支架安全性的影響

(安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,安徽馬鞍山243032)

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷發(fā)展，高支模支架體系所借鑒的相關(guān)支架規(guī)范也日趨完善[1-2]。然而高支模支架事故仍頻頻發(fā)生。分析近年來(lái)多起高支模支架事故發(fā)現(xiàn)，人為過(guò)失是導(dǎo)致高支模支架事故的重要原因之一[3-5]。國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究，如：謝楠等[6]通過(guò)對(duì)高支模支架中人為過(guò)失的調(diào)查,探討了人為過(guò)失的發(fā)生規(guī)律，并對(duì)人為過(guò)失對(duì)高支模結(jié)構(gòu)承載力的影響及多個(gè)人為過(guò)失因素同時(shí)出現(xiàn)時(shí)高支模支架的可靠度等進(jìn)行了分析；宋方方[7]利用ANSYS軟件對(duì)高支模支架承載力進(jìn)行模擬分析，得到了人為過(guò)失影響下承載力的變化規(guī)律，并采用魚(yú)刺圖分析的方法，得出高支模事故主要來(lái)源于人為失誤的結(jié)論；趙凱[8]對(duì)高支模板支架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用有限元分析了在有、無(wú)人為過(guò)失兩種情況下，高支模支架的可靠性；Stewart[9]利用可靠性分析(HRA)模型模擬人為過(guò)失對(duì)鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)的影響，認(rèn)為人為過(guò)失是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不安全的重要原因。

本文依照人為過(guò)失因素對(duì)高支模支架安全體系影響權(quán)重大小，構(gòu)建高支模支架人為過(guò)失層次結(jié)構(gòu)體系，進(jìn)而通過(guò)數(shù)值模擬，探討人為過(guò)失對(duì)高支模支架安全性的影響。

1 人為過(guò)失結(jié)構(gòu)層次體系的建立

人為過(guò)失指的是所有達(dá)不到有關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程要求的行為與結(jié)果[10]。通過(guò)對(duì)高支模支架事故的實(shí)地調(diào)研，結(jié)合當(dāng)前相關(guān)高支模支架的研究成果[11-13]，目前主要存在4類人為過(guò)失問(wèn)題：高支模支架的結(jié)構(gòu)布置人為過(guò)失問(wèn)題；高支模支架材料質(zhì)量和幾何參數(shù)人為過(guò)失問(wèn)題；施工過(guò)程模板支架搭設(shè)安裝人為過(guò)失問(wèn)題；相關(guān)的監(jiān)管與檢查人為過(guò)失問(wèn)題。本文選取16種常見(jiàn)人為過(guò)失，構(gòu)建考慮人為過(guò)失影響的層次結(jié)構(gòu)體系，如圖1。

圖1 考慮人為過(guò)失影響的層次結(jié)構(gòu)體系圖Fig.1 Hierarchical structure diagram considering the influence of human error

2 高支模支架人為過(guò)失影響因素的安全性評(píng)價(jià)

2.1 判斷矩陣的構(gòu)造

判斷矩陣通過(guò)對(duì)相同層次中各因素相對(duì)于上一層中某一個(gè)因素的重要性程度的比較和評(píng)分得到[14]，比較評(píng)分分值設(shè)置如表1。

采取客觀分析法對(duì)高支模支架中人為過(guò)失評(píng)分，綜合各種因素及研究結(jié)論給出各層次評(píng)分見(jiàn)表2～6。

表1 高支模支架人為過(guò)失評(píng)價(jià)分值表Tab.1 Human error evaluation score table of high formwork support

表2 A-B評(píng)分表Tab.2 A-Bscore table

表3 B1-C評(píng)分表Tab.3 B1-Cscore table

表4 B2-C評(píng)分表Tab.4 B2-Cscore table

表5 B3-C評(píng)分表Tab.5 B3-Cscore table

由以上各評(píng)分表給出對(duì)應(yīng)的判斷矩陣分別為：

表6 B4-C評(píng)分表Tab.6 B4-Cscore table

2.2 層次單排序及其一致性檢驗(yàn)

由上述矩陣A,B1,B2,B3,B4，求出對(duì)應(yīng)的判斷矩陣的最大特征值

其中：ω為A對(duì)應(yīng)的特征向量；n為特征向量維數(shù)；(Aω)i表示Aω的第i個(gè)分量。ω可按以下方法求解：先將判斷矩陣A的每一列歸一化，得到新的矩陣方程B=(bij)n×n，再對(duì)矩陣B的行求和，即

求出最大特征值λmax后，需對(duì)人為過(guò)失的判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)由一致性指標(biāo)C表示，其計(jì)算式為

C=0表明判斷矩陣完全一致，為理想的結(jié)果；C值過(guò)大，表明判斷矩陣不一致程度大。故C需控制在一定范圍內(nèi)。為此引入隨機(jī)一致性指標(biāo)R。

滿足式(5)時(shí)，判斷矩陣A的一致性是符合要求的，否則，所求的判斷矩陣需進(jìn)行重新調(diào)整。隨機(jī)一致性指標(biāo)R的取值如表7。由式(1)～(5)，計(jì)算得層次單排序的計(jì)算結(jié)果及檢驗(yàn)表(表8)。

表7 隨機(jī)一致性指標(biāo)R的取值Tab.7_ Values of random consistency index R

表8 層次單排序計(jì)算結(jié)果Tab.8_ Results of hierarchical single ranking calculation table

2.3 層次總排序

由表8中判斷矩陣A特征向量ω分別與B1，B2，B3，B4，特征向量ω的乘積計(jì)算得到層次總排序，結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 層次總排序Tab.9 Hierarchical total ranking

2.4 結(jié)果與分析

為了更好地分析綜合權(quán)重的排序情況，對(duì)總排序表中各人為因素的綜合權(quán)重按由大到小排序，如表10。由表10可以看出：前9項(xiàng)人為過(guò)失的綜合權(quán)重累積值達(dá)到0.843 0，接近0.85，占據(jù)較大比重，基本包含了最主要的人為過(guò)失。由表10中綜合權(quán)重的大小可以得到，對(duì)高支模支架影響較大的人為過(guò)失依次為：立桿步距(0.235 6)→水平剪刀撐布置(0.104 3)→鋼管壁厚(0.094 5)、立桿間距(0.094 5)、立桿超過(guò)水平桿長(zhǎng)度(0.094 5)→支架與已有建筑物的有效連接(0.088 8)→支架扣件的擰緊力矩(0.050 0)→掃地桿布置(0.040 4)、豎向剪刀撐布置(0.040 4)。立桿基礎(chǔ)、立桿初始彎曲、節(jié)點(diǎn)間搭核(0.033 2)綜合權(quán)重反映其對(duì)高支模支架的安全性影響。模板面堆載(0.008 3)、混凝土泵的固定 (0.012 7)、雙向水平桿設(shè)置(0.025 8)及不正確的澆搗方式(0.020 6)綜合權(quán)重較小，對(duì)高支模支架的安全性影響相對(duì)較小。

表10 人為過(guò)失綜合權(quán)重排序Tab.10_ Comprehensive weight ranking of human errors

3 人為過(guò)失對(duì)高支模支架安全性影響的數(shù)值模擬

3.1 高支模支架ANSYS模型的建立

為進(jìn)一步分析人為過(guò)失對(duì)高支模支架的影響，在前述層次分析法結(jié)論的基礎(chǔ)上，采用有限元ANSYS軟件對(duì)高支模支架進(jìn)行數(shù)值模擬[15]。有限元模型建立在高支模支架工程實(shí)例的基礎(chǔ)上。對(duì)高支模支架底端采用全自由度約束；在頂端各節(jié)點(diǎn)處施加集中力荷載，荷載的總和為單位1；立桿和橫桿均采用beam188單元，其屬性參考beam188單元的性質(zhì)設(shè)定；設(shè)置有剪刀撐和無(wú)剪刀撐兩種支撐方式。基本參數(shù)如下：立桿步距1.50 m；梁縱向間距0.7 m，選取十跨；梁橫向間距0.4 m，兩跨；梁支撐架梁頂?shù)降孛娲钤O(shè)高度9.8 m；梁底7.3 m。

鋼管類型為Φ48 mm×3.5 mm，其中鋼管的彈性模量E=2.06×1011Pa，泊松比為0.3，密度為7 850kg/m3。建立的ANSYS模型(圖2)及荷載約束(圖3)。

3.2 高支模支架中人為過(guò)失數(shù)值模擬與分析

圖2 高支模支架ANSYS模型Fig.2 ANSYS model of high formwork support

圖3 高支模支架模型的約束及荷載布置Fig.3 Constraint and load layout of high formwork support model

數(shù)值模擬主要是對(duì)高支模支架體系進(jìn)行屈曲分析，用于研究結(jié)構(gòu)在特定載荷下的穩(wěn)定性并確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的臨界載荷[16]。為保證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，文中對(duì)高支模有限元模型施加單位1的力，采用線性分析的方法，以模擬高支模支架在一階屈曲分析時(shí)的屈曲荷載臨界大小(即特征值屈曲),以此作為衡量高支模支架安全性能的指標(biāo)。

模擬中人為過(guò)失分以下幾種：立桿步距、剪刀撐布置、鋼管壁厚、立桿間距、立桿頂端超過(guò)水平桿長(zhǎng)度、掃地桿布置，分別考慮高支模支架有、無(wú)剪刀撐兩種方式。限于篇幅，僅給出立桿步距對(duì)高支模支架安全性影響的有限元模型，其他組以表格給出模擬結(jié)果。

表11 不同步距數(shù)值模擬結(jié)果Tab.11 Numerical simulation results corresponding to different steps

3.2.1 立桿步距對(duì)高支模支架安全性的影響

設(shè)立1.2，1.5，1.8，2.1，2.4 m 5組步距，分別模擬其在有、無(wú)剪刀撐設(shè)置時(shí)的一階屈曲受力和變形情況。其中，1.5 m步距條件下，施加荷載和約束后得到的一階屈曲作用下的總體變形位移如圖4。模擬所得一階屈曲臨界值見(jiàn)表11。

圖4 高支模支架立桿1.5 m步距總體位移變形Fig.4 Overall displacement and deformation of 1.5 m step distance of the vertical bar for high formwork support

由表11可見(jiàn)：設(shè)置剪力支撐時(shí),從實(shí)例模型的1.5 m步距到1.8，2.1，2.4 m，對(duì)應(yīng)一階屈曲荷載臨界值分別減小了16.93%，27.38%，39.81%；相同步距條件下，未設(shè)置剪刀撐的支架比設(shè)置剪刀撐支架的屈曲荷載臨界分別下降了17.01%，21.03%，24.05%，26.78%，27.25%。

3.2.2 鋼管壁厚對(duì)高支模支架安全性的影響

設(shè)置Φ48mm×3.5mm，Φ48mm×3.2mm，Φ48mm×2.9 mm，Φ48 mm×2.6 mm，Φ48 mm×2.3 mm不同壁厚5組，模擬不同壁厚值鋼管對(duì)高支模支架安全性的影響。在有、無(wú)剪刀撐兩種情況下，模擬結(jié)果如表12。

由表12可見(jiàn)：設(shè)置剪力支撐時(shí),壁厚為3.5，3.2，2.9，2.6，2.3 mm，對(duì)應(yīng)一階屈曲荷載臨界值分別下降了7.54%，15.21%，23.02%，31.08%；在相同壁厚條件下，未設(shè)置剪刀撐組比設(shè)置剪刀撐組的屈曲荷載臨界值分別下降了20.54%，20.79%，20.75%，20.87%，21.03%。

表12 不同壁厚值對(duì)應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果Tab.12 Numerical simulation results corresponding to different wall thickness values

3.2.3 立桿間距對(duì)高支模支架安全性的影響

在縱向總長(zhǎng)度不變的情況下，對(duì)縱向立桿間距設(shè)置幾組不同數(shù)值，設(shè)置縱向間距分別為：0.7 m十跨、1.0 m七跨、1.4 m五跨、1.75 m四跨4組。采用線性屈曲分析的方法，得到不同間距對(duì)應(yīng)的一階屈曲荷載臨界值，見(jiàn)表13。

由表13可見(jiàn)：設(shè)置剪力支撐時(shí),間距由0.7 m分別增大到1.0，1.4，1.75 m，其一階屈曲荷載臨界值分別下降了22.75%，38.49%，50.79%；相同間距條件下，未設(shè)置剪刀撐的各組相對(duì)設(shè)置剪刀撐的各組，一階屈曲荷載臨界值分別下降了21.03%，27.37%，29.89%，31.45%。

表13 不同間距值對(duì)應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果Tab.13 Numerical simulation results corresponding to different spacing values

3.2.4 掃地桿對(duì)高支模支架安全性的影響

設(shè)置0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 m5組掃地桿高度，外加一組1.5 m高度(即不設(shè)掃地桿的情況)，對(duì)其進(jìn)行線性屈曲分析，得到不同高度掃地桿條件下，高支模支架的一階屈曲荷載臨界值，結(jié)果如表14。

由表14可見(jiàn)：設(shè)置剪力支撐時(shí),對(duì)應(yīng)的掃地桿高度為0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 m，一階屈曲荷載臨界值分別下降了7.14%，12.17%，17.0%，21.30%，26.19%；相同掃地桿高度條件下，未設(shè)置剪刀撐的各組相對(duì)設(shè)置剪刀撐的各組，一階屈曲荷載臨界值分別下降了21.03%，20.57%，20.18%，19.17%，19.15%，18.45%。

表14 不同掃地桿高度對(duì)應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果Tab.14 Numerical simulation results corresponding to different heights of sweeping rod

3.2.5 頂端伸出長(zhǎng)度對(duì)高支模支架安全性的影響

設(shè)置0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 m不同伸出長(zhǎng)度。通過(guò)數(shù)值模擬得到不同頂端伸出長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的高支模支架一階屈曲荷載臨界值，結(jié)果如表15。

由表15可見(jiàn)：設(shè)置剪力支撐時(shí),頂端伸出長(zhǎng)度為0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 m，各組對(duì)應(yīng)的一階屈服荷載臨界值分別下降了5.19%，27.60%，54.23%，68.85%；相同頂端伸出長(zhǎng)度條件下，未設(shè)置剪刀撐的各組相對(duì)設(shè)置剪刀撐的各組，一階屈曲荷載臨界值分別下降了21.82%，16.71%，5.0%，1.79%，1.75%。

表15 不同頂端伸出長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果Tab.15 Numerical simulation results corresponding to different top extension lengths

3.3 結(jié)果比較

分析有、無(wú)剪刀撐兩種情況模擬結(jié)果，可以看出：當(dāng)設(shè)置剪刀撐時(shí)，立桿步距、鋼管壁厚、立桿間距、掃地桿高度、立桿頂端超過(guò)水平桿長(zhǎng)度各組中一階屈曲荷載臨界值降低最多分別為39.81%，31.08%，50.79%，26.19%，68.85%，上述人為過(guò)失對(duì)高支模支架影響的排序情況為：立桿頂端超過(guò)水平桿長(zhǎng)度→立桿間距→立桿步距→鋼管壁厚→掃地桿布置；未設(shè)置剪刀撐與設(shè)置剪刀撐相比，立桿步距、鋼管壁厚、立桿間距、掃地桿高度、立桿頂端超過(guò)水平桿長(zhǎng)度各組一階屈曲荷載臨界值下降最多分別為27.25%，21.03%，31.45%，21.03%，21.82%，上述人為過(guò)失對(duì)高支模支架影響的排序情況為：立桿間距→立桿步距→立桿頂端超過(guò)水平桿長(zhǎng)度→鋼管壁厚、掃地桿布置。

4 結(jié) 論

針對(duì)高支模支架中四類常見(jiàn)人為過(guò)失問(wèn)題，基于層次分析法與ANSYS數(shù)值模擬，對(duì)高支模支架中人為過(guò)失影響因素進(jìn)行分析研究，所得主要結(jié)論如下：

1)層次分析法結(jié)果排序?yàn)椋毫U步距→立桿頂端超過(guò)水平桿長(zhǎng)度、立桿間距、鋼管壁厚→掃地桿布置；

2)設(shè)置剪刀撐時(shí)，排序情況為立桿頂端超過(guò)水平桿長(zhǎng)度→立桿間距→立桿步距→鋼管壁厚→掃地桿布置；未設(shè)置剪刀撐時(shí)，排序結(jié)果為立桿間距→立桿步距→立桿頂端超過(guò)水平桿長(zhǎng)度→鋼管壁厚、掃地桿布置；

3)在考慮人為過(guò)失影響因素的高支模支架中，立桿頂端超過(guò)水平桿長(zhǎng)度、立桿間距、立桿步距這3個(gè)因素影響較大，鋼管壁厚影響居中，掃地桿影響最小。