施工階段建筑施工模板支撐體系可靠性研究

李德衡 （山西路橋景泰房地產開發有限公司，山西 臨汾 041000）

0 引言

從建筑工程的全生命周期角度出發，結構安全風險概率并不是均勻分布的，在建筑運營階段的安全風險概率遠小于施工階段[1-2]。據不完全統計，近20年來工程結構倒塌事故發生在施工期間的比例高達93.9%，平均達到78.3%，而支撐模板體系坍塌導致的工程事故占比達到60%，造成重大的財產損失，也給人民生命安全造成威脅，成為建筑工程施工階段需要迫切解決的問題[3]。支撐模板體系不僅承受著自身的重量，而且也承受著混凝土早期強度自然增長傳遞的荷載[4]。但是由于模板支撐體系的穩定性和可靠性受到諸多因素的影響，諸如模板支撐體系自身的搭設質量、施工進度以及各類工程立體交叉施工等，導致施工期間模板支撐體系事故風險的控制與評估十分困難，日益受到研究者的關注[5]。

1 工程概況

山西路橋易和苑小區項目位于臨汾市堯都區河西新城，本項目總用地面積61627.8m2，其中0219-01 地塊用地面積55311.5m2，建筑密度不大于25%，容積率不大于2.9，綠地率不小于35%，控制高度為100m；0291-02 地塊用地面積6316.3m2，建筑密度不大于35%，容積率不大于1.2，綠地率不小于30%，控制高度為20m。建設內容由10 棟住宅建筑及地下車庫組成，其中4 棟28 層、3棟18 層、2 棟17 層、1 棟17+1 層，總戶數1429 戶。地上建筑面積160150m2，地下建筑面積40563m2，總建筑面積200713m2，建筑密度14.7%，容積率2.9，綠地率36.5%，停車位1278 個。2棟6 層商業樓，地下一層停車場，總建筑面積6307m2，建筑密度35%，容積率1.2，綠地率20%，停車位76個。

2 建筑工程施工階段支架模架穩定性及承載能力研究

與制造業不同，建筑工程施工是一個較為粗放的生產過程，其工作環境為露天環境，對勞動力需求大，而建筑工程施工模板支撐體系搭建涉及的工作量大，發生錯誤的概率高，比如支撐體系缺乏設置剪刀撐、采用的立桿出現彎曲或者立桿的底部沒有做地基處理也無墊塊等，導致建筑支架模板在搭設的過程中容易出現結構失穩和承載力不足的現象，引發工程事故[6]。

在建筑工程的模板支撐體系中，最為常見的一種結構形式為扣件式鋼管支模架，其結構存在扣件連接，為半剛性連接，如果存在扣件松弛或者初始缺陷，其結構的穩定性和工作性狀將受到影響，在搭設高度較大的情況下容易出現桿件的線性屈曲和非線性屈曲等現象[7]。一般而言，模板支撐體系的線性屈曲判斷準則服從方程（1）～（3）的表達形式。

式中，K0為模板支撐體系在搭設完成的初始剛度矩陣；λ為鋼管桿件屈曲特征值；KG為模板支撐體系的幾何剛度矩陣；N為形函數矩陣；B為應變矩陣；D為結構彈性矩陣；X為坐標方向；v為X方向上的位移；S為應力矩陣。

模板支撐體系的非線性屈曲判斷準則服從方程（4）的表達形式[8]。

式中，KT為切線剛度矩陣；δ為桿件位移；P為模板支撐體系的承載力。

3 施工階段模板支撐體系可靠性影響因素

在扣件式鋼管支模架中，模板支撐體系穩定性和可靠性受到多種因素的影響，其中鋼管的幾何形狀、扣件螺栓擰緊扭力矩和支撐體系搭設參數為最為敏感的影響因素。為此，對模板支撐體系采取現場測量和概率統計的方式，研究這些因素對施工模板支撐體系可靠性的影響程度。

對現場的模板支撐鋼管隨機抽取15組進行測量，每組6根鋼管，對測量值進行求解平均值和標準差，結果如表1所示。從表1 中可以看出，模板支撐系統中的外直徑平均值為48.17mm，標準差為0.412，滿足現行規范對鋼管外直徑的要求。模板支撐體系鋼管壁厚平均值為3.278mm，對其正態分布直方圖分析如圖1 所示，從圖中可以看出鋼管壁厚的離散型較大，在3.0～3.5mm 之間的分布頻次均較高。鋼管的橢圓度平均值整體為1.0，標準差較小，數值為0.010，表明鋼管的圓度較好，橢圓度的分布較為集中，滿足現行規范對橢圓度的要求。鋼管垂直度方面，垂直度平均值為3.2%，超出了現行規范的要求，在施工時需要特別糾正鋼管的垂直度，避免彎曲鋼管的使用導致結構失穩。鋼管切斜偏平均值整體為1.019，表明鋼管的斷面平均有1.019mm的傾斜。

圖1 壁厚的直方圖分布

表1 模板支撐鋼管統計結果

扣件式鋼管支模架依賴各個扣件螺栓將水平鋼管和豎直鋼管進行擰緊連接，但由于在施工過程中螺栓的扭緊力矩受到人為因素影響，使得扣件螺栓的扭緊扭矩力大小不一。為此對現場模板支撐體系的扣件螺栓扭緊扭矩力進行實測和統計分析，結果如圖2 所示。從圖中可以看出，扣件螺栓扭緊扭矩力服從指數分布，隨著扣件螺栓扭緊力矩的增加，其頻次逐步減小。95%保證率的扣件螺栓扭緊力矩值為50kN·m，但其離散性較大，對于扣件螺栓扭緊力矩值小于10kN·m 的頻次仍較集中，其中扭緊力矩為0kN·m 時，頻次為85；扭緊力矩為5kN·m 時，頻次為40；而扭緊力矩為10kN·m 時，頻次為61。因此，在建筑施工模板支撐體系控制中，應保證扣件螺栓扭緊力矩不宜過小，避免扣件松弛而導致支撐體系失穩。

圖2 扣件螺栓擰緊力矩的直方圖

為了研究支撐體系搭設參數對模板支撐體系穩定性和可靠性的影響，選取立桿間距和立桿步距2 個搭設參數進行統計，隨機抽取15 組進行測量，每組6根鋼管，對測量值與設計值進行相除，并進行求解平均值和標準差，結果如表2所示。

表2 立桿間距和立桿步距實測值與設計值比值統計結果

從表中可以看出，立桿間距的實測值與設計值之比的平均值為1.05，表明立桿間距的搭設較為理想，與設計較為接近，但標準差偏大，存在一定的離散性。這是因為在布置立桿時，需要避開結構的梁、柱等位置，導致其存在一定的間距加密或加大，而立桿步距的實測值與設計值之比的平均值為0.93，且標準值較小，為0.03，表明立桿步距搭設的實際值略小于設計值。

4 施工階段模板支撐體系穩定性計算

為了研究建筑施工模板支撐體系的穩定性和承載力變化，采用數值模擬手段，建立7 種不同的設計工況，其中工況1模板支撐體系的步距×縱向距×橫向距為1.2m×0.85m×0.85m，工況2 模板支撐體系的步距×縱向距×橫向距為1.3m×0.90m×0.90m，工況3 模板支撐體系的步距×縱向距×橫向距為1.4m×1.00m×1.00m，工況4 模板支撐體系的步距×縱向距×橫向距為1.5m×1.05m×1.05m，工況5 模板支撐體系的步距×縱向距×橫向距為1.6m×1.10m×1.10m，工況6 模板支撐體系的步距×縱向距×橫向距為1.7m×1.20m×1.20m，工況7模板支撐體系的步距×縱向距×橫向距為1.8m×1.30m×1.30m，建立的數值模型如圖3所示，計算結果如圖4所示。

圖3 基于有限元的施工模板支撐體系計算模型

圖4 施工模板支撐體系承載力計算結果

從圖4 中可以看出，隨著增加模板支撐體系的步距，模板支撐體系的線性屈服承載力和非線性屈服承載力整體上呈現出增加趨勢，且線性屈曲承載力比非線性屈曲承載力大，線性屈曲承載力與非線性屈曲承載力的比值呈現不同程度的波動，比如工況1 模板支撐體系的步距×縱向距×橫向距為1.2m×0.85m×0.85m，其線性屈曲承載力為30.77kN，非線性屈曲承載力為25.08kN，而工況7模板支撐體系的步距×縱向距×橫向距為1.8m×1.30m×1.30m，其線性屈曲承載力為60.60kN，非線性屈曲承載力為46.95kN，增加幅度分別84.93%、87.19%。

5 結論

以山西路橋易和苑小區項目施工模板支撐體系為研究對象，采用有限元分析方法對模板的穩定性及位移進行計算，得到以下幾個結論。

①研究鋼管的幾何形狀、扣件螺栓擰緊扭力矩和支撐體系搭設參數，表明除鋼管的外直徑和橢圓度外，壁厚、垂直度和切斜偏差不滿足規范要求，扣件螺栓擰緊扭矩力服從指數分布，立桿間距的實測值與設計值之比的平均值為1.05，而立桿步距的實測值與設計值之比的平均值為0.93。

②隨著增加模板支撐體系的步距，模板支撐體系的線性屈服承載力和非線性屈服承載力整體上呈現出增加趨勢，線性屈曲承載力比非線性屈曲承載力大，線性屈曲承載力與非線性屈曲承載力的比值呈現不同程度的波動。