鄧志華

（中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510300）

1 前言

隨著我國經濟建設的高速發(fā)展，基礎建設范圍不斷擴大，大跨度、高層高的建筑物日益增多，高支模架工藝在結構施工中愈發(fā)普遍。高支模通常指在建筑工程中搭設高度為5m及以上、搭設跨度為10m及以上、施工總荷載為10kN/m2及以上、集中線荷載為15kN/m及以上、高度大于支撐水平投影寬度且相對獨立無聯系構件的混凝土模板支撐工程。高支模作為結構施工的重點，技術難度大，危險性高，影響因素多，稍有失誤就可能發(fā)生架體坍塌事故，引發(fā)人員傷亡。渚碧島燈塔塔基為兩層八角形結構，取“際天及地、取道自然、剛柔并濟”的理念設計，檐口高9.1m，塔身圓柱形鋼筋混凝土結構，建筑高度為55.45m，是我國承擔和履行海上搜尋與救援、航行安全等國際責任與義務的載體。為預防高支模架發(fā)生結構坍塌事故，有必要對高支模架結構破壞的影響因素進行分析[1]。

2 荷載取值

渚碧島燈塔為現澆混凝土核心筒結構，建筑高度為55.45m，檐口標高度高為9.10m，現澆混凝土板厚度為300mm，支模最大高度為9.10m。采用頂托、扣件及Ф48×3.0mm鋼管搭設滿堂腳手架作模板支承架，高支模架荷載考慮混凝土樓板的自重、模板及其骨架的自重、支架自重及施工荷載。

（1）混凝土樓板的自重，根據《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）的規(guī)定，取300×25.5=7.65kN/m2。

（2）模板及其骨架的自重，參考《建筑施工模板安全技術規(guī)范》（JGJ 162—2008），取0.5kN/m2。

（3）支架自重，按Ф48×3.0mm鋼管實際自重，取3.33kg/m。

（4）施工荷載，根據《建筑施工模板安全技術規(guī)范》（JGJ 162—2008）的規(guī)定，取2.5kN/m2。

混凝土樓板因厚度較薄，混凝土下料及振搗對模板系統(tǒng)的影響較小，故不考慮混凝土下料及振搗的作用。

3 極限平衡法分析高支模架穩(wěn)定承載力的影響因素

高支模架結構破壞主要分為失穩(wěn)破壞及局部承載力破壞。其中失穩(wěn)破壞是導致高支模架大面積坍塌的主要原因，采用極限平衡法進行計算，分析高支模架的搭設高度、水平桿搭設步距及頂部懸挑部位的長度等3種因素對高支模架穩(wěn)定承載力的影響[2]。

3.1 搭設高度

采用該燈塔高支模架的實際搭設數據，立桿縱橫距均為1.0m，步距為1.5m，頂部水平桿中心距主龍骨下皮長度為0.3m。利用極限平衡公式σ=N/（φA）進行計算，計算成果如表1所示。

表1 改變計算高度成果統(tǒng)計表

由此得知，最大應力值與計算高度基本呈正相關線性關系，但計算高度的增大對最大應力值的影響較小，計算高度為13m時，僅比9m的最大應力值增加3.78%。由于鋼管腳手架的自重較輕，增大搭設高度僅影響架體自重，因此計算高度的增大對高支模架穩(wěn)定承載力的影響很小。

3.2 搭設步距

取水平桿搭設步距為1.5m、1.6m、1.7m、1.8m、1.9m，代入極限平衡公式進行計算，計算成果如表2所示。

表2 改變步距計算成果統(tǒng)計表

由此得知，最大應力值與水平桿搭設步距基本呈正相關線性關系，且水平桿搭設步距的增大對最大應力值的影響較大，步距為1.9m時的最大應力值比步距為1.5m時的最大應力值增大34.59%。

在線開放課程可以為學生提供區(qū)別化學習的平臺。課前，教師利用課程平臺推送相關的學習資源（如課件、微課），通過發(fā)布任務組織學生做好課前預習；學生在領取任務之后，可以依據自身現有的學習水平進行自主的、探索的學習；教師再依據學生自主預習的情況完成學情分析，為課堂的教學做出具有針對性的計劃。

3.3 頂部懸挑部位的長度

取頂部懸挑部位的長度為0.1m、0.2m、0.3m、0.4m、0.5m，代入極限平衡公式進行計算，計算成果如表3所示。

由此得知，最大應力值與頂部懸挑部位長度基本呈正相關線性關系，且懸挑部位長度的增大對最大應力值的影響非常大，懸挑部位長度為0.5m，僅比0.1m增大0.4m，其最大應力值則增大89.08%。因此，控制頂部懸挑部位的長度是高支模架設計及施工中最為重要的控制點。

表3改變頂部懸挑部位長度計算成果統(tǒng)計表

4 有限單元法分析高支模架穩(wěn)定承載力的影響因素

在工程實踐中，高支模架結構通常采用經驗估計，或采用極限平衡分析方法利用公式進行計算設計，均未能夠科學、有效地控制高支模架整體的受荷狀態(tài)[3]。國外分析高支模架常借有限單元法進行建模計算高支模架的應力、應變及位移變化，并以此作為設計的依據。Chandrangsu等[4]利用商業(yè)有限元軟件建立三維模型，模擬施工中高支模架的應力、應變及沉降位移情況，并與實際檢測數據對比，證實利用有限單元法能較好地模擬高支模架施工中的受荷及破壞情況。另外，蘇衛(wèi)國等[5]指出Midas有限元程序適用于高支模架結構的數值模擬。

下面將利用Midas有限元軟件對高支模架進行三維建模，分析剪刀撐、掃地桿構造措施對高支模架穩(wěn)定承載力的影響。根據工程實際情況，模板采用板單元模擬，模板下木方、鋼管、水平桿及立桿均采用梁單元模擬，扣件處采用共用節(jié)點連接簡化處理。因模板與主次龍骨均為協同作用，故板單元與梁單元亦采用共用節(jié)點進行連接。

4.1 剪刀撐

（1）豎直剪刀撐對高支模架穩(wěn)定承載力的影響。按布置跨度10m內2道、3道、4道由下至上連續(xù)豎向剪刀撐，不布置水平剪刀撐進行建模計算，計算成果如表4所示。

表4 改變豎向剪刀撐計算成果統(tǒng)計表

由此得知，豎向剪刀撐數量的增加對高支模架整體穩(wěn)定有較明顯的效果。其因豎向剪刀撐抗側移能力強，且剪刀撐的斜桿作為高支模架整體結構保持幾何不變體系的必要構件，不可缺失。

（2）水平剪刀撐對高支模架穩(wěn)定承載力的影響。豎向剪刀撐僅外圍一周布置，水平剪刀撐加強層按2層、3層、4層進行建模計算，計算成果如表5所示。

高支模架的立桿失穩(wěn)，主要是由于立桿受荷載的壓力作用而失穩(wěn)破壞，水平剪刀撐加強層對模架豎向立桿抵抗彎曲變形的增強效果并不明顯。因此計算成果顯示，增大水平剪刀撐的數量對模架最大應力值的影響較小。實際情況中，剪刀撐與立桿采用旋轉扣件進行連接，旋轉扣件可以自由轉動，會進一步減弱水平剪刀撐對模架穩(wěn)定承載力的影響。但是，布置水平剪刀撐加強層后的模架結構對扭轉破壞的抵抗作用非常明顯，因此不能忽視水平剪刀撐的布置。

表5 改變水平剪刀撐數量計算成果統(tǒng)計表

4.2 掃地桿

按掃地桿布置高度0.2m、0.3m、0.4m，進行建模計算，計算成果如表6所示。

表6 改變掃地桿布置高度計算成果

雖然掃地桿布置高度的變化對高支模架整體穩(wěn)定承載力計算成果影響較微，但實際情況中，模架基礎不平整等原因導致模架立桿底部懸空時有發(fā)生，按規(guī)范設置掃地桿能有效增強模架底部立桿的穩(wěn)定性，建議掃地桿設置于離地20cm處。

5 結束語

用極限平衡法分析高支模架的搭設高度、搭設步距及頂部懸挑部位的長度對高支模架穩(wěn)定承載力的影響；再用有限單元法分析剪刀撐，掃地桿構造措施對高支模架整體穩(wěn)定的影響，得出結論。

（1）高支模架的搭設高度越高、搭設步距越大及頂部懸挑部位的長度越大，模架結構穩(wěn)定性越差。其中頂部懸挑部位的長度為最主要的穩(wěn)定控制因素，在設計及施工中均應反復核查。另外，給人以感官錯覺為主要影響因素的搭設高度對高支模架的整體穩(wěn)定影響較小。

（2）剪刀撐、掃地桿構造措施對高支模架整體穩(wěn)定存在不同程度的影響，其中，豎向剪刀撐的布置對整體穩(wěn)定影響較大。為保證高支模架的穩(wěn)固及人員安全，所有構造措施均應按規(guī)范嚴格執(zhí)行。