邱文杰, 邵永健, 易樂(lè)平
(1.蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,江蘇 蘇州 215011; 2.中億豐建設(shè)集團(tuán)股份有限公司,江蘇 蘇州 215131)
建筑行業(yè)中模板支架屬于臨時(shí)結(jié)構(gòu),施工過(guò)程中容易對(duì)其整體強(qiáng)度考慮不足。 施工方經(jīng)常依靠施工經(jīng)驗(yàn)搭設(shè)模板支撐系統(tǒng),從而忽略了承載力及穩(wěn)定性計(jì)算,導(dǎo)致施工過(guò)程中腳手架倒塌事件發(fā)生,造成了嚴(yán)重的人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響。 因此,腳手架、模板的安全問(wèn)題引起了廣泛的關(guān)注[1]。
文獻(xiàn)[2-5]通過(guò)規(guī)范層面的研究對(duì)支撐架的設(shè)計(jì)安全性進(jìn)行研究探討,對(duì)比了我國(guó)現(xiàn)階段正在使用兩本規(guī)范[6-7]中的不同之處,并提出了改進(jìn)的方法。 文獻(xiàn)[8]通過(guò)研究滿堂模板支撐架體內(nèi)受力傳遞規(guī)律,為拆除支撐模板提供一種新的途徑。 文獻(xiàn)[9]通過(guò)模擬軟件對(duì)模板支撐架體進(jìn)行研究,分析不同的半剛性值、搭設(shè)形式和參數(shù)對(duì)滿堂架穩(wěn)定性承載力的影響。 文獻(xiàn)[10]使用規(guī)范以及一些研究者提出的計(jì)算方法對(duì)模板支撐體系進(jìn)行了承載力計(jì)算,并與搭設(shè)的模板支架的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。
從模板搭設(shè)到模板拆除的過(guò)程中,各層模板支撐的受力情況復(fù)雜,受到混凝土的澆筑、硬化,相鄰樓層支架的搭設(shè)和拆除,以及荷載傳遞的影響而發(fā)生變化。 本文通過(guò)工程實(shí)測(cè)和數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的方式來(lái)研究上述問(wèn)題,并提出對(duì)實(shí)際工程有指導(dǎo)意義的建議。
圖1 支撐布置圖
本文監(jiān)測(cè)對(duì)象為蘇州市某工程,建筑面積29 015 m2,地下2 層,地上22 層,鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu),混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40。本工程為現(xiàn)澆混凝土樓蓋,支模體系采用扣件式鋼管支撐架,鋼管為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格Φ48×3mm,Q235 鋼。 板底立桿縱距b 為900 mm,立桿橫距l(xiāng) 為900 mm,支撐架歩距為1 500 mm;框架梁下立桿兩側(cè)布置掃地桿,掃地桿距離地面高度為200 mm,立桿頂端伸出長(zhǎng)度為200 mm。
選擇標(biāo)準(zhǔn)層第10、11、12、13 等4 層樓板下部的支模系統(tǒng),取6~8軸與D~E 軸之間的部分樓面為監(jiān)測(cè)對(duì)象,模板支架立桿布置見(jiàn)圖1。
本次監(jiān)測(cè)采用應(yīng)變監(jiān)測(cè)法,選擇立桿受力最不利的中部截面進(jìn)行監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括混凝土澆筑期間第9 層到第12 層的模板支架立桿的應(yīng)變。
監(jiān)測(cè)分為4 個(gè)階段進(jìn)行, 即第10、11、12、13 層樓面混凝土澆筑階段。 監(jiān)測(cè)方案中使用的測(cè)試儀器為4臺(tái)60 通道的靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)和應(yīng)變傳感器等,共計(jì)240 測(cè)點(diǎn)。 根據(jù)Q235 鋼管的特性和規(guī)范相關(guān)規(guī)定,測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?cè)试S值1000×10-6。 為了保證數(shù)據(jù)能夠反映整個(gè)施工過(guò)程中鋼管支撐架的受力狀況,課題組對(duì)工程施工過(guò)程中能夠直接影響工程質(zhì)量和施工安全的模板支架立桿處的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)24 h 監(jiān)測(cè),保證采集的數(shù)據(jù)與被測(cè)立桿中的應(yīng)變一致。
測(cè)點(diǎn)布置的位置既要具有一定的代表性,又要盡量避免剪力墻、電梯井等位置對(duì)樓面受力的影響。 按照上述原則為每個(gè)樓層布置監(jiān)測(cè)單元并編號(hào),測(cè)點(diǎn)布置如圖2 所示,測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)如圖3 所示。 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置在扣件式模板支撐架的立桿上,每層樓面布置35 個(gè)測(cè)點(diǎn),布置4 層,共計(jì)140 個(gè)測(cè)點(diǎn)。 整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程與施工進(jìn)程一致。
圖2 測(cè)點(diǎn)布置圖
圖3 測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)
支撐立桿的應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線反映了支撐在整個(gè)施工過(guò)程中內(nèi)力的發(fā)展規(guī)律,是分析立桿應(yīng)變的變化規(guī)律、立桿應(yīng)變分布的不均勻系數(shù),以及某樓層混凝土澆筑時(shí)對(duì)其下樓層(包括本樓層)支撐架立桿受力的影響規(guī)律、某樓層支撐架拆除時(shí)對(duì)其上樓層支撐架立桿受力的基礎(chǔ)。
按照設(shè)計(jì)荷載和立桿軸心受壓狀態(tài)設(shè)計(jì)[11],鋼管立桿構(gòu)件截面達(dá)到屈服時(shí)的應(yīng)變值約為995με。 由于腳手架的現(xiàn)場(chǎng)施工安裝不可能保證立桿處于軸心受壓狀態(tài)[12],因此考慮到偏心受壓的問(wèn)題,監(jiān)測(cè)過(guò)程中的應(yīng)變值應(yīng)小于該值。
監(jiān)測(cè)周期從模板搭設(shè)完成,以及混凝土澆筑前算起,至模板拆除時(shí)終止。 第9、10、11、12 等四個(gè)樓層測(cè)點(diǎn)在特征狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的采樣序號(hào)如表1 所列。在模板搭設(shè)完成后觀測(cè)2 次,并以其平均值作為初始數(shù)據(jù)。 每當(dāng)上層樓面進(jìn)行混凝土澆筑時(shí),每間隔10 min 采集數(shù)據(jù)1 次,混凝土澆筑完成后間隔1 h 采集數(shù)據(jù)1 次,數(shù)據(jù)采集直至該樓層模板支撐體系被拆除為止。 第9 層支撐模板立桿共采集數(shù)據(jù)198 次,第10 層共采集數(shù)據(jù)127 次,第11 層共采集數(shù)據(jù)136 次,第12 層共采集數(shù)據(jù)184 次。
圖4~圖7 分別為9 層、10 層、11 層、12 層其中一個(gè)代表性測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變實(shí)測(cè)結(jié)果, 橫坐標(biāo)為測(cè)點(diǎn)采樣序號(hào),縱坐標(biāo)為采集到的微應(yīng)變。
表1 特征狀態(tài)時(shí)的采樣序號(hào)
圖4 測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變實(shí)測(cè)值
由圖4 的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知,所有測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值均不大于400με,更小于材料的屈服應(yīng)變1 141με,可見(jiàn)立桿鋼管均沒(méi)有屈服。 模板支撐架上層未澆筑混凝土前,模板支架上如澆筑振搗設(shè)備和混凝土澆筑人員等產(chǎn)生的活荷載傳遞到模板支架各立桿的應(yīng)力較小,應(yīng)變變化不明顯;上層樓板澆筑過(guò)程中,混凝土的自重施加到模板支架上使立桿中應(yīng)變?cè)黾樱合葷仓^(qū)域內(nèi)立桿測(cè)得的應(yīng)變值迅速增加,出現(xiàn)峰值較早;后澆筑區(qū)域內(nèi)立桿的應(yīng)變出現(xiàn)增加趨勢(shì)較晚,峰值也較晚出現(xiàn)。 每次上層樓面澆筑混凝土?xí)r,下層樓面的立桿應(yīng)變均會(huì)增加,澆筑樓層越遠(yuǎn),增量越??;下層樓面模板支撐拆除時(shí),上層樓面的立桿應(yīng)變產(chǎn)生一定的波動(dòng),總體呈下降趨勢(shì),下層模板拆除完畢后桿件應(yīng)變趨于穩(wěn)定。
整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程中,少數(shù)立桿產(chǎn)生較小的拉應(yīng)變,原因有可能是樓面澆筑時(shí)模板支架不是同時(shí)均勻地承受混凝土的自重,未澆筑區(qū)域內(nèi)模板支架下方的桿件產(chǎn)生彎曲導(dǎo)致出現(xiàn)偏心受壓現(xiàn)象,影響支撐模板的整體承載力。 因而需要加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量,減少不利影響。
為了研究支撐在時(shí)間維度上受荷的均勻性,以各測(cè)點(diǎn)施工過(guò)程特征狀態(tài)(澆筑混凝土、拆除模板)應(yīng)變的平均值為基準(zhǔn)值,將基準(zhǔn)值與支撐受力全過(guò)程的平均值相比,可得到施工全過(guò)程各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變相對(duì)平均值的系數(shù),本文稱(chēng)之為偏離系數(shù)。該系數(shù)可以反映出各測(cè)點(diǎn)受壓應(yīng)力的離散情況,為支撐的安全設(shè)計(jì)提供參考。按照上述方法計(jì)算得出的每層支撐應(yīng)變偏離系數(shù)如圖5 所示。
可見(jiàn):應(yīng)變偏離系數(shù)大多數(shù)都分布在1.0 附近,最大值達(dá)到2.3 左右,即澆筑混凝土和拆除模板、支撐受力不均勻等因素造成局部支撐的內(nèi)力可達(dá)到平均值的2.3 倍。 為預(yù)防局部桿件受力過(guò)大導(dǎo)致模板下沉甚至破壞,故在實(shí)際工程支撐架設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí),其立桿應(yīng)力應(yīng)適當(dāng)考慮一定的安全裕量。 同時(shí)實(shí)際工程中,由于板支架桿件布置相對(duì)較密,支撐架的整體性能較好,受力偏大的支撐立桿附近的桿件對(duì)其有一定的幫扶作用。
使用規(guī)范[6,13],計(jì)算得到本層單根立桿的受壓臨界應(yīng)力為32.26 N/mm2,換算成理論計(jì)算應(yīng)變?yōu)?56.6με。通過(guò)統(tǒng)計(jì)全部140 根立桿在其上層樓蓋混凝土澆筑前后的應(yīng)變?cè)隽?,?lái)判定澆筑混凝土之后支撐的安全程度,過(guò)程如下:
圖5 支撐應(yīng)變偏離系數(shù)
計(jì)算混凝土澆筑前后某層支撐應(yīng)變?cè)隽?;?jì)算該應(yīng)變?cè)隽拷^對(duì)值與計(jì)算應(yīng)變156.6με 的比值。若該比值的平均值≤1,則表明規(guī)范計(jì)算方法相較于單根軸壓桿件計(jì)算方法更為合理。 該比值實(shí)測(cè)結(jié)果分布如圖6 所示。由圖6 可見(jiàn):該比值大于1.0 的立桿數(shù)僅占全部立桿數(shù)的1.43%,大于0.9 的僅占3.57%,大于0.8 的僅占5%,而小于0.5 的占78.57%,僅有少數(shù)立桿受到的上部混凝土傳遞來(lái)的荷載大于模板支撐的荷載設(shè)計(jì)值,大多數(shù)傳遞到支撐上的荷載小于模板支撐的荷載設(shè)計(jì)值,本層混凝土澆筑引起的下部支撐桿件內(nèi)力增量多數(shù)處于較低水平。 因此,采用單根立桿的受壓臨界應(yīng)力計(jì)算荷載設(shè)計(jì)值基本可以保證大部分桿件在施工過(guò)程中的安全性。
在施工過(guò)程中,由于每一根立桿存在一定的差異性,截面積不可能是完全相等的,為了能夠更簡(jiǎn)化分析,假設(shè)所有模板支撐立桿截面積都是相等的, 則其應(yīng)力與應(yīng)變量呈線性關(guān)系。 上層樓板澆筑混凝土引起的下層模板內(nèi)部應(yīng)變變化量與本層模板支撐應(yīng)變變化量之間的比率, 可以得出內(nèi)力在這兩層樓面模板支撐之間的傳遞比例系數(shù)。
計(jì)算10 層樓面板澆筑前后10 層樓面板支撐立桿的應(yīng)變變化量,并將其作為10 層樓面支撐應(yīng)變的基準(zhǔn)值n10;同理可計(jì)算11 層樓面板、12 層樓面板、13 層樓面板澆筑前后,其支撐立桿的應(yīng)變基準(zhǔn)值n11、n12、n13。計(jì)算11 層樓面板澆筑前后10 層樓面支撐應(yīng)變變化量,將其與11 層樓面支撐應(yīng)變基準(zhǔn)值n11相比,即可得到11 層樓面板澆筑混凝土過(guò)程中應(yīng)力傳遞到10 層樓面支撐的比例n11/10;同理,計(jì)算12層樓面板、13 層樓面板澆筑混凝土過(guò)程中傳遞到10 層樓面支撐的比例n12/10、n13/10;12 層樓面板、13 層樓面板澆筑混凝土過(guò)程中傳遞到11 層樓面支撐的比例n12/11、n13/11;13 層樓面板澆筑混凝土過(guò)程中傳遞到12 層樓面支撐的比例n13/12。計(jì)算所有測(cè)點(diǎn)的分配系數(shù)并取其平均值作為最終的系數(shù),可構(gòu)成支撐力豎向分配系數(shù)表,如表2 所列。
圖6 支撐應(yīng)力增量情況分布圖
表2 支撐力豎向分配系數(shù)表
由表2 可見(jiàn): 澆筑13 層樓面時(shí),13 層、12 層、11 層、10 層的支撐力豎向分配系數(shù)分別為1.0、0.199 2、0.106 6、0.056 1; 澆筑12 層樓面時(shí),12 層、11 層、10 層的支撐力豎向分配系數(shù)分別為1.0、0.292 0、0.082 6;澆筑11 層樓面時(shí),11 層和10 層的支撐力豎向分配系數(shù)分別為1.0、0.219 7。 由此可見(jiàn):距離澆筑樓面越近樓層的模板支架,其支撐力豎向分配系數(shù)越大,即分配到的荷載越大,影響越大;距離澆筑樓面越遠(yuǎn)樓層的模板支架,其支撐力豎向分配系數(shù)越小,即分配到的荷載越小,影響越小。
因此,對(duì)于模板支架拆除合理時(shí)間的確定,一方面應(yīng)按照現(xiàn)行規(guī)范[6]的規(guī)定,根據(jù)混凝土同條件養(yǎng)護(hù)試塊達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度的時(shí)間來(lái)確定。 另一方面,由上述實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知,當(dāng)某樓層樓面混凝土澆筑時(shí),其上部荷載傳遞到下一樓層支撐立桿的荷載數(shù)值約為70%~80%,傳遞到下面第二樓層支撐時(shí)的荷載數(shù)值有15%~20%,傳遞到下部第三樓層支撐時(shí)僅有6%左右,可見(jiàn)施工過(guò)程中澆筑樓面以下保留3~4 層支撐架較為合理。
下層樓面支撐拆除引起的上層支撐應(yīng)變變化量與本層樓面支撐拆除前應(yīng)變值相比,可以得出拆除下部支撐對(duì)上部樓面支撐的影響系數(shù)。
計(jì)算7 層樓面拆除前后10 層樓面支撐立桿的應(yīng)變變化量,將其與7 層樓面支撐拆除前10 層樓面支撐立桿的應(yīng)變值相比,即可得到拆除7 層樓面支撐對(duì)10 層樓面支撐的影響系數(shù)m7-10;同理,計(jì)算拆除8 層樓面支撐對(duì)10 層、11 層、12 層樓面支撐的影響系數(shù)m8-10、m8-11、m8-12; 拆除9 層樓面支撐對(duì)10 層、11 層、12 層、13層樓面支撐的影響系數(shù)m9-10、m9-11、m9-12、m9-13。 計(jì)算所有測(cè)點(diǎn)的影響系數(shù)并取其平均值作為最終的系數(shù),可構(gòu)成支撐拆除影響系數(shù)表,如表3 所列。
表3 支撐拆除影響系數(shù)表
由表3 可 見(jiàn): 拆除9 層支撐時(shí),10 層、11 層、12 層、13 層的支撐拆除影響系數(shù)分別為0.095 2、0.111 9、0.065 1、0.271 2; 拆除8 層支撐時(shí),10 層、11 層、12 層的支撐拆除影響系數(shù)分別為0.099 2、0.052 9、0.307 2;拆除7 層支撐時(shí),10 層的支撐拆除影響系數(shù)為0.062 8。在拆除第9 層支撐時(shí),13 層樓面剛剛完成澆筑不久,混凝土養(yǎng)護(hù)階段之內(nèi),支撐立桿正處于應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)階段,所以導(dǎo)致系數(shù)m9-13與其他系數(shù)相比之下偏大,系數(shù)m8-12同理。除去m9-13和m8-12,影響系數(shù)均處于0.05~0.1。將m7-10、m8-10、m8-11、m9-10、m9-11和m9-12相加后取平均值為0.0812,將m9-13和m8-12分別減去0.0812 后取平均值得0.208。 說(shuō)明拆除下部支撐對(duì)上部樓層的影響系數(shù)平均值約為8.1%,也說(shuō)明混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)下部模板拆除會(huì)增加對(duì)上部樓層支撐的影響,相較于原先的影響系數(shù)增加了約20%,支撐拆除影響系數(shù)為原先的影響系數(shù)的3 到4 倍。 在樓板混凝土養(yǎng)護(hù)階段,施工方可以通過(guò)調(diào)整工期的方式讓下部模板拆除工作與上部樓層混凝土養(yǎng)護(hù)工作交錯(cuò)進(jìn)行,也可以通過(guò)增加支撐模板荷載強(qiáng)度設(shè)計(jì)值來(lái)消除或者減小支撐拆除帶來(lái)的安全隱患。
(1)整個(gè)施工過(guò)程中,測(cè)點(diǎn)應(yīng)變呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化。 混凝土澆筑過(guò)程中,模板支撐中立桿應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)是有先后順序的,混凝土澆筑到達(dá)立桿荷載分擔(dān)區(qū)域才會(huì)出現(xiàn)較大的應(yīng)變;未澆筑區(qū)域的立桿會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)變。
(2)搭設(shè)的模板支架受力情況并不是均勻分布,支架在承受上部荷載時(shí)具有一定的隨機(jī)性,支撐應(yīng)變不均勻系數(shù)最大值可達(dá)到2.3 左右。
(3)本層澆筑引起的支撐桿件應(yīng)變多數(shù)小于理論計(jì)算值。 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)有部分立桿內(nèi)力大于荷載設(shè)計(jì)值,說(shuō)明有必要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)。
(4)由混凝土澆筑引起的荷載從上部支撐模板向下部支撐模板傳遞過(guò)程中,總體呈現(xiàn)出逐層遞減趨勢(shì)。
(5)在保留3 層支撐的情況下,支撐拆除對(duì)上部各層樓面支撐的影響系數(shù)絕大多數(shù)處于0.05~0.1;混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)下部模板拆除會(huì)對(duì)上部樓層支撐架增加約20%的影響。 在樓板混凝土養(yǎng)護(hù)階段,盡量不要進(jìn)行模板拆除工作。
蘇州科技大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版)2022年2期