建筑高處大懸挑結構模板支撐架施工技術

倪張江

溫州城建集團股份有限公司 浙江 溫州 325000

高處大懸挑結構的建設屬于高空作業[1-2]，且結構設計復雜，存在嚴重的安全問題。為此，研究高處大懸挑結構的模板支撐架施工技術具有極其重要的意義。目前，國內外研究的建筑高處大懸挑結構模板支撐架，分懸挑支模架、懸挑型鋼平臺和鋼管腳手架組合成懸挑支模架這2種模板。前一種模板支撐架的支撐模式多為鋼管扣件式，對于這種模式的模板支撐架研究成果非常多，國外學者采用二維和三維模型，計算模板支撐架剛度，得出模板支撐架動力特性，國內學者采用ANSYS模擬模板支撐架承載力，確定模板支撐架整體穩定性；后一種形成結構復雜的鋼平臺，采用碗扣式支撐體系支撐高處大懸挑結構，這也是國內主要研究的支撐模板[3-4]。但是，上述研究的2種模板支撐模式，分別存在適用性窄、穩定性差、老舊率高、受尺寸限制、成本高、易損壞等問題。

1 研究建筑高處大懸挑結構模板支撐架施工技術

設計大懸挑結構模板支撐架施工技術，需要考慮模板支撐架可以承受的大懸挑結構的壓力，避免模板支撐架在支撐大懸挑結構過程中，出現模板支撐架穩定性差、支撐架彎曲等現象[5-6]，影響施工人員的安全。所以，此次設計的大懸挑結構模板支撐架施工技術將從模板支撐架梁柱節點半剛性、支撐架荷載、穩定性等方面，確定模板支撐架施工技術參數，完成建筑高處大懸挑結構模板支撐架施工技術設計。

1.1 計算模板支撐架施工參數

1）模板支撐架梁柱節點半剛性。當前，設計能夠承受巨大懸挑結構力的模板支撐架，最佳的材料框架是鋼架[7-9]。但是在模板支撐架中，所使用的鋼框架，其半剛性也存在一定的差異，為此，需要計算模板支撐架梁柱節點的半剛性。

支撐模板梁柱節點半剛性，采用數學方式可以將其表達為彎矩和轉角之間的關系[10-12]。所以，采用彎矩-轉角線性模型（圖1），表示支撐模板梁柱節點半剛性計算模型。

圖1中，Rk1表示初始剛度；M表示彎矩；θ表示轉角；k表示標準化參數。根據圖1所示的彎矩-轉角線性模型，采用多項式方式，得到支撐模板梁柱節點半剛性為：

圖1 彎矩-轉角線性模型

式中：C1、C2、C3——曲線擬合參數。

根據式（1）可得到模板支撐架梁柱節點半剛性參數。

2）模板支撐架荷載。模板支撐架的荷載來自大懸挑結構對模板支撐架結構造成的壓力、自身結構、材料、風，以及施工人員在施工過程中產生的施工質量[13]。所以將模板支撐架的荷載分為靜荷載、歐拉荷載和風荷載3種。

其中，靜荷載通過荷載測量儀即可得到，即模板支撐架自重產生的軸向力及大懸挑結構產生的軸向力。假設基本風壓為w0，風荷載高度變化系數為U1，風荷載體型系數為U2，則風荷載標準值w為：

歐拉荷載也叫臨界荷載，表示模板支撐架可以承受的最大荷載。所以，假設模板支撐架桿材料楊氏模量為E，模板支撐架壓桿橫截面慣性矩為I，壓桿抗彎剛度為EI，則歐拉荷載P的表達式為：

式中：l——壓桿的長度；

π ——模板支撐架壓桿在空間內的多自由度[14]。

3）模板支撐架穩定承載力。基于式（2）和式（3）得到的風荷載值和歐拉荷載值以及測量得到的靜荷載值，需要分別計算模板支撐架的組合荷載和不組合荷載這兩部分。所以，設模板支撐架靜荷載標準值為N1，則模板支撐架不組合荷載N軸向力計算公式為：

式中：H——模板支撐架搭設高度。

假設與墻相連接的模板支撐架的豎向間距為H1，則模板支撐架組合風荷載的軸向力計算公式為：

式中：b——承載力。

綜合式（4）和式（5），即可確定模板支撐架穩定性，其計算公式為：

式中：Nd——模板支撐架穩定承載力設計值，kN[15]。

根據式（6）確定承載力設計值Nd。假設模板支撐架的穩定系數為φ，模板支撐架桿的換算截面回轉半徑為i，模板支撐架的高度為h，模板支撐架桿的橫截面積為A1，桿的換算截面慣性矩為I，模板支撐架鋼材的強度為f，桿的橫截面積為A，則模板支撐架的穩定承載力計算公式為：

根據式（7）可計算出模板支撐架所能支撐的最大力。

綜合式（1）～式（7），即可計算出模板支撐架施工技術參數，此時，需要根據上述公式計算出的施工技術參數，設計模板支撐架，支撐大懸挑結構。

1.2 支撐建筑高處大懸挑結構

基于上述7個公式計算的大懸挑結構模板支撐架施工技術參數，支撐建筑高處大懸挑結構。圖2所示的模板支撐架施工流程，需要從水平和垂直這2個方向搭設模板支撐架。

圖2 模板支撐架施工流程

模板支撐架施工流程分為垂直和水平這2個方向。

垂直方向主要包含以下事項：

1）模板支撐架的支撐桿，均應設置交叉支撐，并將所有的交叉點采用鎖銷鎖牢。

2）交叉支撐和模板鋪設這2個過程應同時進行。

3）所有連接鎖銷位置必須設置連接棒和鎖臂，且連接棒直徑需要小于支撐桿內徑1～2 mm。

4）模板支撐架內，支撐桿的自由度必須小于4 m。

5）隨著模板支撐架高度的增加，應逐層改變模板搭設方向。

6）校驗模板支撐架的水平度和垂直度。

水平方向主要包含以下事項：

1）模板支撐架水平方向的搭設與垂直方向同步進行。

2）模板支撐架的轉角處、端部及間斷處，一個跨范圍內，都需要一步一鋪設水平架。

3）每一層都需要連續設置水平架。

4）模板需與配件U形銷、搭鉤處于插緊和鎖住狀態。

5）支撐架轉角處之間的距離不足一個跨距時，需要增設連墻件，搭設過程中，需采用鋼管和扣件。

綜合上述內容，即完成模板支撐架施工技術設計，且設計的模板支撐架與建筑高處的大懸挑結構相符合，避免了支撐不穩定、安全裕度低等問題，可以滿足建筑高處大懸挑結構對模板支撐架的需求。

2 試驗論證分析

此次試驗采用對比試驗的方式進行案例分析，驗證此次的建筑高處大懸挑結構模板支撐架施工技術。選擇某城市已經竣工的建筑工程所記錄的大懸挑結構施工數據，作為此次試驗的研究對象。同時，將此次研究的建筑高處大懸挑結構模板支撐架施工技術記為試驗A組，文獻里提到的2種建筑高處大懸挑結構模板支撐架施工技術，分別記為試驗B組和試驗C組。確定檢測點和檢測時間，對比3組技術位移、應力和內力變化。

2.1 試驗準備

此次試驗選擇某城市已經竣工的建筑工程，其建筑設計概況如下：地上建筑面積為160 268.49 m2，共建房屋15層，每層的絕對高程為4.15 m，女兒墻高度為0.6 m；地下建筑面積為29 110.775 m2，地下建筑層數1層，其室內外高度差為0.3 m。基于上述的建筑設計概況，該建筑在6樓至15樓之間需要設計鏤空建筑，搭建高處大懸挑結構，其鏤空高度為80 m、長度為15.6 m、進深為11.3 m。

上述所需要搭建的高處大懸挑結構要在16樓合攏，其標高為99.6 m、凈長為14.9 m、凈寬為9.7 m。在上述所示的16樓合攏層數據基礎上，搭建高處大懸挑結構，還需要考慮樓層樓板厚度和房梁數目。

此次試驗時，將每層的樓板厚度設定為0.12 m，高處大懸挑結構梁柱的橫跨設計，將其分為橫向1～6，6個軸，5跨，跨度分別為3 100、8 600、8 600、8 600、8 600 mm；縱向A～D，4個軸，3跨，跨度分別為9 000、9 200、9 000 mm。建筑的梁柱設計參數如表1所示。

表1 建筑的梁柱設計參數

基于上述設置的試驗參數，此次試驗選擇的3組建筑高處大懸挑結構模板支撐架施工技術，分別在上述建筑工程中支撐高處大懸挑結構。在支撐的過程中，需要檢測支撐架施工技術。在支撐架施工時，位移、應力、桿內力等會產生變化，從而驗證此次研究的建筑高處大懸挑結構模板支撐架施工技術。為此需要采用靜態應變掃描儀、位移計和點靜態應變儀這3種儀器，分別測量這3種技術設計的模板支撐架在大懸挑結構作用下所產生的位移、應力和桿內力變化。同時，采用筆記本電腦，實時檢測模板支撐架變化情況，提取試驗對比結果。此次試驗，選擇的試驗設備型號參數，如表2所示。

表2 試驗設備型號參數

基于表2所示的試驗設備，需要的試驗材料有電阻應變片、測量導線、環氧樹脂、剪刀和萬用表。

基于此次試驗設置的試驗對象參數、試驗設備，對比驗證此次建筑高處大懸挑結構模板支撐架施工技術支撐大懸挑結構的效果。

2.2 模板支撐架位移變化對比

在模板支撐架搭設過程中，采用測量模板支撐架位移數據的方式測量模板支撐架位移變化，即隨著大懸挑結構給予模板支撐架荷載的變化對模板支撐架位移造成的變化。本次試驗，在模板支撐架上設置了5個位移保護測量點，其中4個測量點位于8層預應力主梁支承的樓板跨，1個測量點位于有支撐的下層樓板。

為此，根據搭建大懸挑結構進度，多次測量模板支撐架位移變化，測量時間分別為大懸挑結構進度的1/3、1/2和完成這3個時間段。此次對比模板支撐架位移變化，主要對比的是支撐架撓度位移，目的是保證支撐架的安全性，其對比結果，如表3所示。

從表3可以看出，試驗C組的模板支撐架在大懸挑結構的壓力作用下，產生了較大的撓度位移變化；試驗B組的模板支撐架在大懸挑結構的壓力作用下，產生的撓度位移變化雖然小于試驗C組，但是位移最大，依然達到了2 mm；只有試驗A組的模板支撐架在大懸挑結構的壓力作用下，產生的撓度位移小于2 mm。

表3 支撐架撓度位移對比單位：mm

由此可見，此次研究的建筑高處大懸挑結構模板支撐架施工技術，在支撐大懸挑結構時，不會發生明顯位移變化，安全裕度較高。

2.3 模板支撐架應力對比

采用第1組試驗布置位移測量點的方法，布置7個應力測量點，其應力測量時間與第1組試驗相同。

此次對比模板支撐架應力，是檢測模板支撐架承受大懸挑結構壓力的情況，掌握施工荷載的分布狀況，確定模板支撐架的穩定性，其對比結果如表4所示。

表4 模板支撐架應力對比單位：MPa

從表4可以看出，試驗B組的模板支撐架在大懸挑結構的壓力作用下，產生的應力變化最大，比試驗A組累計應力值高了26～305 MPa，模板支撐架承受的施工荷載不均勻，承受力不穩定；試驗C組的模板支撐架在大懸挑結構的壓力作用下，產生的應力變化雖然高于試驗B組，但是較試驗A組累計應力值高了21～151 MPa，同樣存在承受施工荷載不均勻，承受力不穩定的問題；而試驗A組的模板支撐架在大懸挑結構的壓力作用下，卻未曾產生極為明顯的應力變化。由此可見，此次研究的建筑高處大懸挑結構模板支撐架施工技術支撐大懸挑結構，不會出現明顯的應力變化，具有較高的穩定性。

2.4 模板支撐架桿內力變化對比

基于第1組和第2組試驗，進行第3組試驗。采用第1組的試驗方式，在模板支撐架桿上安裝檢測點，檢測桿內力變化情況。對比3組技術對懸挑結構荷載的承受能力。將模板支撐架桿內力變化的時間分為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5 h幾個時間段，分別測量3組技術的桿內力變化，并將0～0.5 h定為第1個試驗階段、0.5～2.5 h定為第2個試驗階段、2.5～4.5 h定為第3個試驗階段。試驗結果直接通過筆記本電腦提取，如圖3所示。

圖3 模板支撐架桿內力變化對比

從圖3可看出，試驗C組的模板支撐架在大懸挑結構的壓力作用下，產生的桿內力變化最大，在2.5 h處存在最大桿內力，較試驗A組大了7.3 kN，會導致模板支撐架桿出現彎曲現象，影響支撐架穩定性；試驗B組的模板支撐架在大懸挑結構的壓力作用下，產生的桿內力變化雖較試驗C組大，但在最大桿內力2.5 h處比試驗A組大了5.2 kN，也會出現模板支撐架桿彎曲現象，影響支撐架穩定性；而試驗A組的模板支撐架在大懸挑結構的壓力作用下，卻并未產生明顯的桿內力變化。由此可見，此次研究的建筑高處大懸挑結構模板支撐架施工技術支撐大懸挑結構，不會出現較明顯的模板支撐架桿內力變化，具有較高的支撐性能。

綜上可知，該支撐技術的位移、應力、桿內力等變化都不明顯，具有較高的安全裕度、穩定性和支撐性能。

3 結語

此次模板支撐架施工技術充分考慮大懸挑結構對模板支撐架施加的力，根據大懸挑結構設計相適應的模板支撐架，提高了穩定性和安全性。但是，此次研究的模板支撐架施工技術未曾考慮建筑整體對模板支撐架施加的力。因此在今后的研究中，還需深入研究建筑本身對模板支撐架施加的力，進一步提高模板施工技術的穩定性和安全性。