多层模板支撑体系的实测分析.doc

多层模板支撑体系的实测分析林璋璋 ,杨俊杰(浙江工业大学 ,浙江 杭州 310014) 摘要 多层模板支撑体系是一个模板支架与主体结构之间相互作用 、共同工作的支承体系 。这涉及主体结构的强度发展对支架体系的影响 ,支架体系自身的传力路径 ,合理的支撑布设与拆除时间对主体结构安全的影响 。为了 探索体系内的作用机理 ,对上述问题作了工程监测与研究 。 关键词 多层模板支撑体系 ;框架剪力墙 ;现浇混凝土 ;钢筋内力 中图分类号 tu755122 文献标识码 a 文章编号 100228498 (2005) 0320020204actual mea surement and analysis of multistory form strut systemlin zha ng2z ha ng , yan g j un2jie( zhejiang university of technology , hangzhou , zhejiang 310014 , china)abstract : the multistory form strut system is a supporting system of interaction and cooperation between theform strut and major structure . it involves the developing strength of the major structure effecting on the strut system ,the load path of strut system ,the arrangement and removal of strut effecting on the major structure . the engineering detection and analysis are for exploring the mechanism action of the system.key words :multistory form strut system ; frame and shear wall ; cast2in2place concrete ; stress of reinfoecement随着建筑工程技术的不断发展 , 建筑物施工进度已基本达到一周一层 , 需要有更多的模板及支撑架来 满足工程进度 。目前我国大部分工程采用扣件式钢管模板支撑体系 , 如果拆除时间要等到上层楼板结构达到混凝土设计强度 , 那么每个施工工地至少要配备 4套以上的模板及支撑架 , 这对于施工企业的资金及材 料周转都产生较大的压力 。由于施工进度加快而产生的多层模板支撑体系 ,受力状况十分复杂 ,无论设计单位还是施工单位对其受力特性的了解都甚少 , 往往出 现为赶施工进度而盲目拆除支撑体系 , 为此已经引起 了不少工程事故的发生 。目前对多层模板支撑体系的设计理论和工程控制方法方面均是按单层模板支撑体系考虑的 , 与实际工 程的差别较大 , 对多层模板支撑体系工作机理的研究 很少 ,尚无法对工程提出切合实际的意见 。为搞清现浇楼盖结构与支撑架之间的相互作用关系 , 特对某一高层住宅工程进行了现场实测 , 完成了 1 个混凝土强 度增长期的多层模板支撑体系受力检测 。检测结果基 本确立了在一个空间和时变体系内认识和研究多层模板支撑体系的概念 。检测的 25 幢 楼 总 高 5513m , 18 层 , 地 下 室 1 层 , 层 高412m ,地 面 设 架 空 层 1 层 , 层 高 4117m , 标 准 层 层 高310m ,上部采用框架剪力墙结构 。从结构图上分析 ,中 间套的客厅加餐厅部分的跨度和无梁支承面积较大 ,拟选定作为测试位置( 见图 1) 。该开间板厚为 130mm ,板底钢筋均采用 10 150 ,短边方向 ( 5m 跨度方向) 负 钢筋亦为 10 150 ,长边方向负筋采用 8 150 。支撑体系所用材料主要有枋木 、48mm 315mm 钢管 、钢管扣件等 。梁下支架立杆沿梁纵向间距1 000mm ,横向间 距1 500mm。楼板支架间距为1 500mm 1 500mm , 钢管立杆与水平拉杆之间采用扣件相连接 , 水平拉杆设在立杆的中部 ,纵横双向设置 , 也采用扣件与立杆相连 ,在立杆的下部 , 靠近地面处设纵横向的扫地杆 。另外 作为梁底模的支撑体 , 在梁底位置有一道水平杆 。在 立杆上还设置剪刀撑 , 间距6 000mm , 且每道支撑有 4根以上立杆相连 。2 实测方案211测试方法的选择本次测试是在 1 个较长时期的 施 工 环 境 下 的 测2 2试 ,要受到施工作业的影响 ,故必须考虑 1 个可靠的测试方案 。(1) 钢筋混凝土板的 测试用 小 直 径 振 弦 式传感器测定钢筋的应变 。 振弦 式 传 感 器 作 为 板 中 钢筋的一部分 , 随楼板施工一次性浇入 , 在混凝土 表面可设标志点 , 用机械 式应 变 仪 测 出 混 凝 土 表混凝土强度增长关系密切 。各层楼板的确参与了支撑体系的工作 。当各楼层间存在支撑架时 , 上部楼板的 施工会对下部各层楼板内力产生影响 , 这种影响与支 撑架及楼板本身的刚度有关 。当上部楼板的混凝土强度趋于稳定后 ,下传的影响力也会趋于平稳 ,但这种影 响会保持至支撑架的拆除 。由此可以证明 , 在多层建 筑快速施工中 , 现行模板支撑体系的设计中将楼板结构排除在外是不合理的 , 它与支撑架共同组成了整个 支撑体系 。由实测结果得到的各层钢筋内力变化规律如图 2所示 ,从图中可以看到 , 混凝土浇注以后 2d 内钢筋内 力是向受压方向变化的 , 这与理论的计算不一致 。这 主要是由两个方面造成 , 一方面是混凝土的早期收缩引起钢筋的受压 , 另一方面是由于混凝土的硬化过程 中 ,钢筋与混凝土的咬合力还未能充分体现 ,又由于支 撑架体系的存在 ,楼板自重引起的钢筋受拉力不太大 ,使楼板内力向受压方向变化 。但受压力并不大 , 且很 快转向受拉力 。面应变 。图 1 测试开间示意(2) 扣件式钢管支架的测试以立杆的轴力测试为主 。轴力采用荷载传感器测定 。212测点布置(1) 楼板测点的布置板跨中区域内按短边方向布置测点 ,每层的短边方向布置 2 条测线 ,每条测线内有 3 个钢筋计 ,其中 1 条测线对准支撑位置布置 , 另 1条测线位于 2 排钢管之间 , 测试元件与楼板钢筋一起 浇入混凝土中 , 对应地在楼板表面布置机械式应变测 试点 ( 用钢筋头作为测点位置 ,用手持式机械应变仪测试) 。在板跨中测试区对应的板边上设板边测试区 ,每 个测试区内在同方向上设 3 个钢筋计测试点 ( 两个方向共 6 个) ,也同样设钢筋头作机械应变测试点 。每层共 12 个钢筋计和 12 个应变测点 。(2) 管支架立杆的测点布置 在楼板测试区域内 选择支撑立杆进行观测 ,其中跨中测区内 4 个测试杆 , 在板边测区每个方向内设 2 个测试杆 。测试杆采用与 其它支撑杆相同的钢管 , 在每个测试杆下设 1 个荷载 传感器 ( 传感器上下与钢管及楼板接触处均要用厚度10mm 的钢板作为垫板 , 当楼板表面不平整时 , 应先用砂浆找平) 测出立杆所受的轴力 。213 数据的采集板和支撑体系的测定时间在浇注第 1 层楼板前开 始 ,以工艺过程为测试时间的控制条件 ,即每次变换工艺前后都要采集测试数据 , 以反映每个工艺对体系内 力变化的影响 。模板支撑完成前后 , 混凝土浇注前后 均要进行数据测试 。现场检测工作历时 1 个多月 , 对25 幢楼的第 1316 层楼板内布设了钢筋应力计 ,在 1314 层 、14 15 层 、15 16 层的支撑架立杆下设置了 轴力传感器 。从第 13 层浇注混凝土时开始测试 ,一直 到第 18 层楼板混凝土浇注完成后结束 。3 测试结果分析311 板中钢筋受力规律在整个施工过程中 , 板中的应力随着施工工艺不图 2 13216 层板中钢筋内力变化从钢筋的内力变化规律可见 , 楼板中钢筋内力的 峰值一般会出现在 2 个时段 : 第 1 时段是在上层混凝 土楼板浇注之后 ( 见图 3) , 由于本层楼板是上层楼板 模板支架的基座 , 支撑立杆把上层现浇混凝土的自重 及模板支架重量和施工荷载直接传给该层楼板 , 同时 由于本层混凝土的养护时间不长 ( 约 7d 左右) ,其强度 和刚度均未达到设计值 , 则楼板混凝土所承担的内力 相对偏小 ,而钢筋相应就要承担较多的内力 ,所以钢筋 的受力达到了峰值 。第 2 个出现峰值的时段是在上面 第 2 层浇注完毕且本层自身的下部支撑拆除之后 ( 见 图 4) ,其原因是下部支撑拆除之后楼板上的荷载不能 直接通过支撑立杆向下一楼层传递 , 而必须全部由本 楼层楼板承担 , 致使本层楼板内的钢筋受力又达到一 个新的峰值 。实测的钢筋内力在整个测试过程中是随时间和工 艺的变化而不断改变的 ,首先 ,当楼板中钢筋内力达到第 1 个峰值后 ,随着新浇层楼板混凝土强度提高 ,结构的整体刚度增加 , 楼板内钢筋内力持续减小 。随着工少上部楼板结构下传的荷载 ,但与此同时 ,上部楼板结构也参与现浇楼板的整个支撑系统 ,因此 ,支撑架立杆 上的轴向力随着楼层的增加基本上不再增加 , 反而会 随着现浇层的远离而有所下降 。这也与支撑架与楼板的共同作用导致楼板结构变形有关 , 而这些因素都是 在现行支撑体系的设计中所不考虑的 。同样也是支撑 架与楼板共同作用的根本所在 。剪力墙边支架立杆的支撑力开始时没有跨中增长 得快 ,但当楼层数逐步增加 ,导致跨中立杆轴力开始下 降时 ,墙边支架轴力仍有所增加 ,也即墙边支架立杆轴力的增长要晚于跨中支架立杆 , 同时出现峰值的时间 也会延迟 ,甚至延迟至楼板下层支撑架拆除以后( 见图5) 。究其原因 ,这主要与剪力墙直接承受上部楼板与 墙体的自重作用 ,随楼板混凝土强度与刚度的增加 ,通 过跨中下传的竖向荷载减少的作用对剪力墙边支撑表现不明显 。而且当楼层支撑拆除后 , 跨中竖向荷载的 下传路径全部转向剪力墙 , 导致了墙边支撑的轴力增 加 。在框架结构的梁下模板支撑架也会出现类似的现象 。故施工设计当中应加密梁下附近的支撑数目 , 不 仅可以满足浇注时的要求 ,在施工过程中也是需要的 。图 3 第 1 时段钢筋内力峰值示意图 4 第 2 时段钢筋内力峰值示意小 , 虽然现浇楼层混凝土的自重会通过支架立杆传递 给下部的多层楼板 , 但所传递的量值逐层明显减小 。 一般现浇层对以下数层楼板钢筋内力有影响 , 但能使 楼板中钢筋内力出现新的峰值的最多只有两层 , 也即 现浇层的直接支承层以及再往下一层 。从楼板钢筋内 力的发展过程可以认为现浇层以下第3层楼板退出模 板支撑体系已经具备条件 。但是还要分析该层楼板的 支撑体系拆除时上一层楼板可能出现的钢筋内力峰值 大小 。从测试结果分析 , 楼板内的钢筋的峰值内力虽不 大 ,但混凝土的受拉应变较大 。这正反映了现在施工 当中楼板在局部地方会出现裂缝的现象 。因此 , 过早 拆除模板的支架 ,对楼板混凝土的受力是不利的 ,应在 校核该层楼板内力第 2 个峰值出现时楼板混凝土抗裂 条件能满足时 ,才能拆除其下的支架 。具体地说 ,就是 现浇层以下至少要有 2 层楼板参与支撑体系 , 即至少 要有 2 套模板及支架同时处于工作状态 , 才能对楼板 的安全和正常使用有最基本的保障 。212支撑架立杆上的轴力变化规律 支撑架立杆的稳定是整个模板支撑体系安全性的关键 。立杆的轴力也同样受到施工工艺和整个支撑体 系的相互影响 ,从检测的立杆内力来看 ,实测的轴力要 小于按计算所求的轴力值 。这主要是由于现行支撑架设计中未能考虑到支撑体系的共同作用特性 , 而实际 情况是模板支架与楼板结构共同组成的体系 , 承担现浇层的混凝土 、设备 、模板的自重荷载及施工荷载 , 而且楼板结构承担了大部分荷载 , 使得分摊给支撑架的图 5 跨中及梁下支撑轴力变化比较图 6 1315 层板上支撑轴力比较从图 6 中可以看到 ,扣件式钢管支撑架同样也在 2种情况下可能出现峰值 。首先是通常我们认为的在上 层楼板浇注完毕之后 , 此时的支撑承受的轴力达到第1 峰值 ( 如图 6 中的 14 层某支撑) ; 其次是在上面第 2层浇注之后且本层之下的支撑拆除之后( 如图 6 中 13 、载 ,没有传递到下层支撑而达到了另一个峰值 。随着楼层的增加 ,轴向力不断波动 , 逐波下降 , 每次波峰即 为上部浇注混凝土楼板时 , 随着上部楼板混凝土强度 的增长 ,钢管立杆轴力缓慢下降 。当施工接近 18d , 我们发现支撑内力已趋于稳定 ,虽略有波动但不显著 ,其 承受的荷载主要是该层支撑及模板的自重 。所以在18d 左右可以考虑拆模 ,施工中保证 2 套模板支撑处于 工作状态可满足施工进度的要求 。综上可见 ,无论对于楼板还是模板支撑的立杆 ,在 上层楼板浇注之后和上面第 2 层浇注完毕且本层下支撑拆除之后 2 个时段 , 承载力都可能达到峰值 。由于 楼板参与支撑体系 , 因此支架立杆的轴力要比现行设 计轴力要小 ,现场实测的轴力还没有超过 515kn 的 ,而 按照本工程的支撑及布置形式 , 它的屈曲荷载应该达 到 30kn 左右 。因此 ,像本工程这样层高不高的框剪结构多层模板支撑体系中 , 支架立杆的强度条件还是有 保障的 。同时由于多层支撑体系中每层的支撑高度都 不高 ,在低轴力条件下 ,也未发现有明显的立杆压屈失稳问题 。故对于层高不高的框架剪力墙结构而言 , 支 撑布设与拆除的时间主要应取决于楼板的内力是否达到抗拉极限值 。213支撑架轴力与楼板内力的相互关系 从测试结果可以看出 ,对于某层楼板浇注时 ,该层楼板下的模板支撑架受力最大 , 而新的楼板是不能承受自重和施工荷载的 。此时该层现浇楼板及施工荷载 也并非全部由该层模板支撑架承受 , 而是有部分荷载通过该层楼盖传递到下部支架及楼板 。根据设计图纸计算每层混凝土浇注时 , 产生的总 荷载 ( 包括混凝土自重及浇捣荷载) 约为 189kn ,由每层 立杆上的荷载传感器测得的荷载增加值如表 1 所示 :表 1 模架立杆的承载力这只是个粗略的计算结果 , 其中还有 15 层 楼 板 的 自重 、15 层楼板的可变荷载等的影响 。由此可见多层模 板的支撑体系是个涉及模板 、支撑 、框架的综合体系 ,模板与主体框架结构是相互作用 、共同影响的 ; 支撑体 系是一个涉及时间和空间意义上的受力体系 。3 结论(1) 扣件式模板支撑体系是由房屋结构与扣件式 钢管支撑架组成的完整的空间体系 。在这个体系中 ,楼盖结构是主要的承载结构 ,支撑是主要的传递构件 。(2) 不论是支撑架立杆的轴力以及楼板钢筋混凝 土内力出现峰值的时段均有 2 种可能 。一种是现浇层以下的支撑立杆及楼板 ; 另一种是在现浇层以下第 2层立杆及楼板 。由此 , 在立杆设计时除了考虑直接支 承的现浇层荷载的 85 %外 ,还要考虑最上一层下传的 荷载约 20 % ,也即荷载峰值要考虑比现行的单层设计 计算超出 5 %的荷载值 。(3) 剪力墙边支架立杆的支撑力增长较跨中慢 ,出现的峰值也较大 , 施工设计当中应加密梁下附近的支 撑数目 。(4) 在层高较低的模板支撑体系中立杆的屈曲极 限较小 ,失稳的可能性不大 ,模板支撑架的拆除应以控 制混凝土楼板开裂为条件 , 从目前现浇混凝土楼盖结 构的强度变化情况看 , 总体上要保持 2 层支撑架同时 处于工作状态 , 要配置 3 套模板及支撑架 。过早拆除 支撑 ,会导致其上层楼板中产生较多的裂缝 ,影响楼板 的质量及加大工程验收的难度 。参考文献 :j gj 13022001 ,j 8422001 (2002 版) ,建筑施工扣件式脚手架安全技术规范s.吕国兵 ,许朝阳 ,刘燕 ,等. 高层建筑施工模板与支撑体系龄期 内应力的监测分析与应用j . 建筑技术开发 , 2001 , (2) .徐 晶. 钢 管 支 撑 设 计 和 模 板 快 拆 体 系 设 置 j . 建 筑 安 全 ,2000 , (1) .谢建民 ,肖备. 脚手架与模板倒塌事故分析与预防措施. 建筑 结构j ,2002 , (4) .刘宗仁 ,涂新华 ,丁永胜. 扣件式钢管脚手架临界力下限计算 方法j . 建筑技术 ,2001 , (8) .吕国兵 ,许朝阳 ,刘燕 ,等. 高层建筑施工模板支撑体系龄期内123浇注层 14 层15 层16