中鐵上海工程局集團(tuán)建筑工程有限公司 上海 200431

1 工程概況

成都某高層住宅樓工程總建筑面積83 000 m2，由1#、2#主樓及裙房組成。主樓地下3層，地上31層，總高110.8 m。主樓地下及首層均為框架結(jié)構(gòu)的停車庫及商鋪；2層及以上為剪力墻結(jié)構(gòu)住宅。在2種結(jié)構(gòu)變化部位（1層頂板，即1#樓+6.5 m、2#樓+6.0 m標(biāo)高處）設(shè)計成結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，均為梁式轉(zhuǎn)換層，轉(zhuǎn)換梁截面高度為2 000 mm，梁寬1 500～2 100 mm不等，板厚180 mm，1#樓轉(zhuǎn)換層三維模型如圖1所示（為了便于透視，圖中未顯示樓板）。

圖1 1#樓轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)三維模型示意

2 施工重難點

1）本工程轉(zhuǎn)換梁斷面達(dá)2 100 mm×2 000 mm，混凝土自重荷載標(biāo)準(zhǔn)值達(dá)105 kN/m，施工荷載巨大。轉(zhuǎn)換層標(biāo)高6.6～6.05 m，支撐體系的搭設(shè)高度也較高。

2）本工程結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層位于首層頂板，下面為地下3層，在確保上部轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)滿足施工要求的前提下，還要確保承受支撐系統(tǒng)的地下室結(jié)構(gòu)安全。

3 轉(zhuǎn)換梁模板支撐體系設(shè)計

以2 100 mm×2 000 mm轉(zhuǎn)換梁為例（下同），模板采用厚15 mm木膠合板，梁下沿梁縱向布置100 mm×100 mm的木方次楞，間距不大于150 mm，次楞鋪于2φ48 mm×3.0 mm雙鋼管主楞上，雙鋼管主楞間距為400 mm，主楞支撐于U托上，U托下分別設(shè)6根φ48 mm×3.0 mm鋼管承重立桿，立桿沿梁跨度方向間距為500 mm，水平桿步距1.50 m；地下結(jié)構(gòu)按轉(zhuǎn)換梁下支撐體系搭設(shè)，將荷載傳至地下室筏板[1-4]（圖2）。

圖2 轉(zhuǎn)換梁模板支撐架體剖面示意

4 轉(zhuǎn)換梁模板支撐系統(tǒng)數(shù)值模擬計算

4.1 計算模型的選取

依據(jù)支撐體系實際搭設(shè)情況，采用φ48 mm×3.0 mm鋼管支架，模型x方向、y方向鋼管立桿間距按現(xiàn)場實際測量得出，如圖3所示。由于現(xiàn)場實際搭設(shè)中存在著誤差，因此測量所得各立桿間距不完全一致。模型選取監(jiān)測點（即圖中大圓點）所在位置x、y方向網(wǎng)格間距建模，z方向網(wǎng)格間距為1.5 m。

圖3 轉(zhuǎn)換梁下支撐實測平面尺寸示意

4.2 有限元模型的建立

根據(jù)架體搭設(shè)方案，建立2 100 mm×2 000 mm轉(zhuǎn)換梁下高支模系統(tǒng)模型，模型選取轉(zhuǎn)換梁寬度范圍下方的模板支撐，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，模型x方向的邊界上各點均受到周圍架體的拉結(jié)約束，即平面外約束；地面對立桿底部的三向也設(shè)約束。

4.3 有限元分析結(jié)果

混凝土澆筑時的Mises應(yīng)力圖和z方向的位移圖分別如圖4、圖5所示。

圖4 支撐系統(tǒng)Mises應(yīng)力圖（單位：kPa）

1）根據(jù)有限元分析結(jié)果，梁底立桿的Mises應(yīng)力值最大為29.54 MPa，梁底水平桿的Mises應(yīng)力值最大為13.13 MPa；x、y、z方向的位移均較小。

圖5 支撐系統(tǒng)z向位移圖（單位：m）

2）上述2個模型的受力和變形情況均良好，對主體結(jié)構(gòu)的安全不構(gòu)成影響，并且模型各項參數(shù)的取值均偏安全，轉(zhuǎn)換梁支撐架體的穩(wěn)定性能夠保證。

5 現(xiàn)場實測分析

5.1 監(jiān)測點選擇

選擇截面尺寸2 100 mm×2 000 mm轉(zhuǎn)換梁和 200 mm×2 000 mm轉(zhuǎn)換梁以及下部的模板支撐體系、轉(zhuǎn)換梁正下方負(fù)一層的支撐架體作為監(jiān)測范圍，實時監(jiān)測架體在結(jié)構(gòu)施工過程中的應(yīng)力變化。采用振弦式應(yīng)變計通過頻率儀和選點箱將傳感器采集到的頻率傳輸?shù)诫娔X中（圖6）。

圖6 2 100 mm×2 000 mm轉(zhuǎn)換梁模板支撐系統(tǒng)傳感器位置示意

5.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

1）混凝土澆筑過程中支撐系統(tǒng)立桿與水平桿的應(yīng)力變化如圖7、圖8所示。

圖7 混凝土澆筑時立桿應(yīng)力變化曲線

2）混凝土澆筑完成28 d內(nèi)支撐系統(tǒng)立桿和水平桿的應(yīng)力變化如圖9、圖10所示。

3）結(jié)果分析：

（1）在混凝土澆筑過程中及澆筑完成28 d內(nèi)，梁下支撐立桿始終承受壓應(yīng)力，且上端壓應(yīng)力大于下端。立桿上端（2#）的最大壓應(yīng)力值達(dá)55.80 MPa；混凝土分3層澆筑，每次澆筑梁高的1/3后間歇45 min澆筑第2、3層。澆筑第2層時，立桿壓力突增，上端壓應(yīng)力增幅明顯大于下端，最大增幅達(dá)15.99 MPa；澆筑第3層混凝土?xí)r，架體立桿應(yīng)力無明顯變化；隨著時間的增加，架體立桿所受壓力反而逐漸減小，在澆筑完12 d后，立桿應(yīng)力基本無變化；總體來看，立桿在各步距內(nèi)壓應(yīng)力逐步減小。

圖8 混凝土澆筑時水平桿應(yīng)力變化曲線

圖10 混凝土澆筑完成28 d內(nèi)水平桿應(yīng)力變化曲線

（2）在混凝土澆筑過程中及澆筑后28 d內(nèi)，橫向水平桿的拉壓受力并不相同，1#水平桿最大拉應(yīng)力值達(dá)38.11 MPa，7#水平桿最大壓應(yīng)力值為2.20 MPa；澆筑轉(zhuǎn)換梁第2層混凝土?xí)r，上部水平桿（1#）的拉應(yīng)力突增，最大增幅達(dá)11.24 MPa，下部水平桿（5#和7#）的受力狀態(tài)發(fā)生改變，剪刀撐也具有相同的監(jiān)測結(jié)果。這與混凝土澆筑順序和澆筑方向有關(guān)，說明縱橫向水平桿及剪刀撐對架體水平方向穩(wěn)定起到了至關(guān)重要的作用；隨著混凝土的不斷凝結(jié)硬化，澆筑第3層轉(zhuǎn)換梁混凝土?xí)r，架體水平桿及剪刀撐受力平穩(wěn)且無較大變化；混凝土澆筑完12 d后，水平桿及剪刀撐應(yīng)力基本無變化。

（3）在混凝土澆筑過程中，模板支撐系統(tǒng)中的水平桿承受了較大荷載；上部水平桿的應(yīng)力最大值為27.11 MPa，應(yīng)力平均值為22.40 MPa；中部水平桿應(yīng)力最大值為15.95 MPa，應(yīng)力平均值為12.43 MPa；掃地桿應(yīng)力最大值為7.18 MPa，應(yīng)力平均值為5.74 MPa；水平桿承擔(dān)荷載自上而下也是逐步減小的。

（4）實測分析表明，模板支撐體系中，立桿壓應(yīng)力自上而下是逐步減小的，這與我們傳統(tǒng)平面計算分析認(rèn)為的立桿應(yīng)力自上而下應(yīng)是恒定或逐步增加的（架體自重引起）結(jié)論是截然相反的；同時，水平桿及剪刀撐的應(yīng)力自上而下也是逐步減小的，且水平桿、剪刀撐澆筑期間應(yīng)力很大，這與我們傳統(tǒng)平面計算分析時，認(rèn)為水平桿和剪刀撐假定不受力而僅屬構(gòu)造性措施的觀點也是不同的。原因是立桿的荷載經(jīng)水平桿和剪刀撐層層分解后，導(dǎo)致了立桿壓應(yīng)力自上而下逐步減小。水平桿的拉應(yīng)力主要來自以下3個方面[5-8]：一是澆筑混凝土?xí)r產(chǎn)生的水平推力；二是風(fēng)荷載；三是由于澆筑順序是由梁一端向另一端，加載過程并不均勻（即使采用分層、對稱的順序），導(dǎo)致先加載的區(qū)域鋼管支撐系統(tǒng)出現(xiàn)壓縮變形，而剪刀撐和水平桿起到了調(diào)節(jié)先后加載區(qū)域變形差值的作用，從而產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力。

6 結(jié)語

1）模板支撐體系跨中區(qū)域立桿和上部區(qū)域的水平桿受力最大，必要時可采用雙立桿、雙水平桿。

2）模板支撐體系水平桿沿立桿高度方向上部區(qū)域的步距宜適當(dāng)加密，下部區(qū)域步距可適當(dāng)加大，以充分發(fā)揮水平桿的作用，減小上部立桿計算高度，以適應(yīng)上部立桿承受較大荷載的需求。

3）剪刀撐作為重要的構(gòu)造措施，具有加強架體整體性、調(diào)節(jié)立桿不均勻沉降、分解傳遞不均勻荷載等重要作用，在模板支撐體系中具有重要作用。

4）大截面轉(zhuǎn)換梁及類似混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土澆筑宜采用對稱、分層澆筑，以防產(chǎn)生過大的水平推力以及架體的不均勻沉降導(dǎo)致水平桿拉力過大而引起水平失穩(wěn)。

5）混凝土澆筑宜先澆筑豎向構(gòu)件，待豎向構(gòu)件達(dá)到一定強度時再澆筑水平構(gòu)件，使豎向構(gòu)件成為支撐系統(tǒng)的一部分，以提高整體穩(wěn)定性。