(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。分析近年來多起高支模支架事故發(fā)現(xiàn)，人為過失是導(dǎo)致高支模支架事故的重要原因之一[3-5]。國內(nèi)外一些學(xué)者對此進(jìn)行了相關(guān)研究，如：謝楠等[6]通過對高支模支架中人為過失的調(diào)查,探討了人為過失的發(fā)生規(guī)律，并對人為過失對高支模結(jié)構(gòu)承載力的影響及多個人為過失因素同時出現(xiàn)時高支模支架的可靠度等進(jìn)行了分析；宋方方[7]利用ANSYS軟件對高支模支架承載力進(jìn)行模擬分析，得到了人為過失影響下承載力的變化規(guī)律，并采用魚刺圖分析的方法，得出高支模事故主要來源于人為失誤的結(jié)論；趙凱[8]對高支模板支架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用有限元分析了在有、無人為過失兩種情況下，高支模支架的可靠性；Stewart[9]利用可靠性分析(HRA)模型模擬人為過失對鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)的影響，認(rèn)為人為過失是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不安全的重要原因。

本文依照人為過失因素對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失層次結(jié)構(gòu)體系，進(jìn)而通過數(shù)值模擬，探討人為過失對高支模支架安全性的影響。

1 人為過失結(jié)構(gòu)層次體系的建立

人為過失指的是所有達(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]。通過對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類人為過失問題：高支模支架的結(jié)構(gòu)布置人為過失問題；高支模支架材料質(zhì)量和幾何參數(shù)人為過失問題；施工過程模板支架搭設(shè)安裝人為過失問題；相關(guān)的監(jiān)管與檢查人為過失問題。本文選取16種常見人為過失，構(gòu)建考慮人為過失影響的層次結(jié)構(gòu)體系，如圖1。

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

2 高支模支架人為過失影響因素的安全性評價

2.1 判斷矩陣的構(gòu)造

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

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

表1 高支模支架人為過失評價分值表Tab.1 Human error evaluation score table of high formwork support

表2 A-B評分表Tab.2 A-Bscore table

表3 B1-C評分表Tab.3 B1-Cscore table

表4 B2-C評分表Tab.4 B2-Cscore table

表5 B3-C評分表Tab.5 B3-Cscore table

由以上各評分表給出對應(yīng)的判斷矩陣分別為：

表6 B4-C評分表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，求出對應(yīng)的判斷矩陣的最大特征值

其中：ω為A對應(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，再對矩陣B的行求和，即

求出最大特征值λmax后，需對人為過失的判斷矩陣進(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，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失。由表10中綜合權(quán)重的大小可以得到，對高支模支架影響較大的人為過失依次為：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)、立桿超過水平桿長度(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，對高支模支架的安全性影響相對較小。

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

3 人為過失對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)一步分析人為過失對高支模支架的影響，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、立桿頂端超過水平桿長度、掃地桿布置，分別考慮高支模支架有、無剪刀撐兩種方式。限于篇幅，僅給出立桿步距對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、無剪刀撐設(shè)置時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：設(shè)置剪力支撐時,從實(shí)例模型的1.5 m步距到1.8，2.1，2.4 m，對應(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高支模支架安全性的影響。在有、無剪刀撐兩種情況下，模擬結(jié)果如表12。

由表12可見：設(shè)置剪力支撐時,壁厚為3.5，3.2，2.9，2.6，2.3 mm，對應(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 立桿間距對高支模支架安全性的影響

在縱向總長度不變的情況下，對縱向立桿間距設(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，得到不同間距對應(yīng)的一階屈曲荷載臨界值，見表13。

由表13可見：設(shè)置剪力支撐時,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：設(shè)置剪力支撐時,對應(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 頂端伸出長度對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不同伸出長度。通過數(shù)值模擬得到不同頂端伸出長度對應(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：設(shè)置剪力支撐時,頂端伸出長度為0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 m，各組對應(yīng)的一階屈服荷載臨界值分別下降了5.19%，27.60%，54.23%，68.85%；相同頂端伸出長度條件下，未設(shè)置剪刀撐的各組相對設(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 不同頂端伸出長度對應(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，立桿步距、鋼管壁厚、立桿間距、掃地桿高度、立桿頂端超過水平桿長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%，上述人為過失對高支模支架影響的排序情況為：立桿頂端超過水平桿長度→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、立桿頂端超過水平桿長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%，上述人為過失對高支模支架影響的排序情況為：立桿間距→立桿步距→立桿頂端超過水平桿長度→鋼管壁厚、掃地桿布置。

4 結(jié) 論

針對高支模支架中四類常見人為過失問題，基于層次分析法與ANSYS數(shù)值模擬，對高支模支架中人為過失影響因素進(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→立桿頂端超過水平桿長度、立桿間距、鋼管壁厚→掃地桿布置；

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

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