超高模板支架穩定性和承載力施工應用監測分析

張 恒，郭 艷

(1.陜西建工第二建設集團有限公司，陜西 寶雞 721000；2.陜西交通職業技術學院建筑與測繪工程學院，陜西 西安 710018)

0 引言

近年來隨著我國經濟實力的不斷增強，不管是市政建設項目還是房地產行業都快速發展，使得建設行業對施工人員需求量大大增加。由于部分施工人員對高大模板支架的認知不夠，不重視臨時支撐體系安全性和整體穩定性的計算，只進行單桿承載力計算，滿足后便認為模板支架體系安全；更有從業者僅根據自己的施工經驗，而不經過任何承載力穩定性計算就制訂模板支架搭設方案并施工，從而導致建筑施工期間的工程事故居高不下，特別是扣件式高大模板支架在混凝土澆筑過程中發生的事故呈明顯上升趨勢。

目前，我國扣件式鋼管支架結構設計主要采用半理論和半經驗的方法，需研究解決的理論和實際問題仍較多，由于模板支架近年來事故頻發，其研究工作顯得極為重要。不同類型模板支架在結構構造、節點連接、設計計算和安全控制等方面均不相同，其適用的工況條件、桿件布置參數、安裝質量、承載能力及各桿件內力分布等均具有隨機性和難控性，使模板支架的設計計算難以照搬鋼結構的設計、計算和施工規定。近年來，國內外專家學者對模板支架的設計計算提出了一些見解和方法，上海、浙江等地區也頒布了相應的模板支架地方規程，但模板支架安全事故并沒有因這些方法和規程的出現而減少，由于缺乏試驗驗證，且規程中大量借用國外規范，無法為實際工程提供安全、可靠、合理的指導。本文通過現場實測方法為高大模板支架的安全性提供保障。在測量過程中對鋼管應變進行監控，可對整個體系穩定性起到預警作用。

1 工程概況

某演藝中心大樓學術交流中心為混凝土結構，包括交響樂大廳、歌舞排練廳、校外門廳和校內門廳4部分，建筑總面積約67 969m2，建筑總高度為99.6m。為順利完成主體結構施工，分別在4個區域設置不同形式的滿堂支撐架進行頂板混凝土澆筑，其中交響樂大廳模板支架高20.15m，為超高模板支架，也是本次模板支架實時監測區域，其結構剖面如圖1所示。

圖1 交響樂大廳剖面

該工程結構形式復雜，不同部位搭設的模板支架高度不一、形式各異，對其中面積最大、高度最高的交響樂大廳模板支架進行現場監測和預警分析，頂板混凝土澆筑時的臨時支撐為扣件式滿堂模板支架，鋼管尺寸為φ48×2.8。模板支架的最大高度為20.15m，其底部6層步距為1.0m，上層步距為1.5m，立桿縱、橫向間距為0.65m。進行模板支架專項方案論證，現場施工時進行實時監測，以觀察混凝土澆筑過程中下部模板支架的應力、應變。

2 現場監測布置

2.1 監測區域選擇

根據交響樂大廳的現場情況，部分模板支架從中間樓層向上延伸，其實際高度并未達到20.15m，因此在平面上將模板支架分成2個區域(見圖2)。區域1的支架由從中間樓層向上延伸的鋼管組成，區域2的支架則從底層地面直接延伸至大廳頂部。選定區域2的模板支架作為本次現場監測對象。

圖2 模板支架分區

2.2 傳感器及應變測點布置

在模板支架中，立桿主要承受豎向壓應力，剪刀撐承受拉應力，橫桿起拉結作用。故現場監測時應變測點主要布置在立桿和剪刀撐上，選取承受豎向荷載較大部位的立桿安裝壓力傳感器，如圖3所示。立桿5搭設于次梁下部，立桿7搭設于預應力梁下部，立桿6搭設于板雙向中心處，故在此3處安裝壓力傳感器。將壓力傳感器安放于立桿5，7靠近地面的底端，安放于立桿6靠近澆筑面的頂端。在安裝壓力傳感器的立桿上加密設置應變監測點，傳感器位置不同應變測點設置位置也不同。立桿5，7應在桿件底部進行測點加密，立桿6則在頂部加密。各立桿測點編號為Lij，其中i為桿件編號，j為測點編號，同一立桿自下向上編號為01，02，03，…。

圖3 測點所在立桿分布

選取荷載較大部位的橫桿進行應變監測，如圖4所示，橫桿1為板跨中下部沿縱軸方向桿件，共2個測點(H1，H4)；橫桿2為板跨中下部沿橫軸方向桿件，共3個測點(H2，H6，H7)；橫桿3為預應力梁長度方向下部桿件，共3個點測(H3，H5，H8)。

圖4 測點所在橫桿分布

豎向、水平向剪刀撐應變監測桿件選取如圖5,6所示。監測桿件選取后在其上粘貼應變測點，并測量混凝土樓板澆筑前、澆筑過程中及養護過程中模板支架的應力變化。豎向剪刀撐測點編號為Xij，水平向剪刀撐測點編號為Sij，其中i為桿件編號，j為同一桿件上的測點編號，豎向桿件自下向上編號，水平向桿件自靠近較小軸號一側開始編號。

圖5 測點所在豎向剪刀撐分布

圖6 測點所在水平向剪刀撐分布

3 數據采集與分析

頂板混凝土澆筑順序如圖7所示，現場共布設3臺混凝土泵。對高大模板支架進行全過程監測，即頂板混凝土澆筑前2d開始采樣，每10min采樣1次；自開始澆筑混凝土頂板起每2min采樣1次；混凝土澆筑完成后繼續采樣，以觀察混凝土凝結硬化過程中模板支架受力變化情況，采樣時間間隔仍為2min。

圖7 頂板混凝土澆筑順序

3.1 模板支架立桿應力分析

澆筑混凝土時立桿應力曲線如圖8所示。

圖8 混凝土澆筑時立桿2，3應力曲線

由圖8可知，大部分立桿并未直接進入受壓狀態，而是先受拉，且拉應力沿立桿高度方向自上而下逐漸減??；當澆筑混凝土至該區域上方時立桿迅速進入受壓狀態，壓應力沿立桿高度方向自上而下逐漸減小，即接近混凝土澆筑面的立桿頂部應力較大。

對于各立桿而言，混凝土澆筑過程中立桿上各測點處應力均呈波紋狀變化，頂部測點應力波動幅度較大。此次監測的立桿應力變化與高度在10m左右的模板支架有很大區別，故對超高模板支架不能根據經驗施工。

3.2 模板支架橫桿應力分析

澆筑混凝土時橫桿應力曲線如圖9所示。由圖9可知，整個過程中測試橫桿均處于受拉狀態，極少數測點出現短暫受壓，且壓應力非常小，僅1.068MPa。橫桿應力呈波紋狀遞增趨勢，同一橫桿上各測點的應力值差別較小，說明橫桿受力均勻一致。

圖9 混凝土澆筑時橫桿1，3應力曲線

3.3 模板支架豎向剪刀撐應力分析

澆筑混凝土時豎向剪刀撐應力曲線如圖10所示。由圖10可知，豎向剪刀撐應力波動較大，且開始澆筑時相互扣接交叉的2根鋼管呈現1根受拉1根受壓狀態，但最終均受壓。當混凝土澆筑至該區域時，縱向剪刀撐應力突然增大，如監測點X0503的壓應力值瞬間增大至134.69MPa，且應力突增現象只出現于豎向剪刀撐單桿上，并未在交叉的2根鋼管上同時出現。

圖10 混凝土澆筑時豎向剪刀撐1，3，5應力曲線

3.4 模板支架水平向剪刀撐應力分析

澆筑混凝土時水平向剪刀撐應力曲線如圖11所示。由圖11可知，同一水平向剪刀撐上不同測點的應力差值較大，監測桿件的最大應力差值達到27.72MPa。水平向剪刀撐應力值及波動幅度比同區域豎向剪刀撐及立桿小。

圖11 混凝土澆筑時水平向剪刀撐8，10應力曲線

4 結語

通過對施工期超高模板支架的受力監測可知，模板支架內部各類桿件的應力非常不穩定，均呈波紋狀變化趨勢；不同桿件(立桿、橫桿或剪刀撐)的應力分布不均勻，相互差值較大；且同一桿件沿其長度方向上的應力同樣相差較大；超高立桿易出現壓彎現象，壓彎使桿件的承載力下降明顯，部分立桿也因壓彎出現鋼管同一位置一側受拉而另一側受壓現象；各桿件在混凝土凝結硬化過程中應力變化也不一致，不同桿件應力值可能逐漸增加，也可能隨混凝土強度的形成而逐漸減小。