超高超大悬挑梁模板支架结构体系安全性分析

第１９卷第２期　安徽建筑工业学院学报（自然科学版）　Ｖｏ１．１９　Ｎｏ．２　２０１１年４月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｎｈｕｉ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ＆Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ａｐｒ．２０１１　超高超大悬挑梁模板支架结构体系安全性分析　张　标，　程　桦，　刘永标，　刘焕文　（安徽建筑工业学院土木工程学院，合肥２３０６０１）　摘要：以合肥渡江战役纪念馆超高超大悬挑梁施工为工程背景，采用结构力学与有限单元法，对该工程采　用扣件式钢管模板支架结构体系的安全性进行分析，并得到工程监测验证，为今后在类似工程中推广应用提　供了理论依据和工程实例。　关键词：悬挑梁；模板支架；结构体系；安全性分析　中图分类号：ＴＵ７３１．２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—４５４０（２０１１）０２—００７—０４　Ｓａｆｅｔｙ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｕｌｔｒａ　Ｌａｒｇｅ　Ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　Ｂｅａｍ　Ｔｅｍｐｌａｔｅ　Ｓｕｐｐｏｒｔ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＺＨＡＮＧ　Ｂｉａｏ，　ＣＨＥＮＧ　Ｈｕａ，　ＬＩＵ　Ｙｏｎｇ—ｂｉａｏ，　ＬＩＵ　Ｈｕａｎ－ｗｅｎ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ａｎｈｕｉ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，Ｈｅｆｅｉ　２３０６０１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｕｌｔｒａ　ｌａｒｇｅ　ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　ｂｅａｍ　ｏｆ　Ｈｅｆｅｉ　Ｃｈａｎｇｊ　ｉａｎｇ－ｃｒｏｓｓｉｎｇ　ｃａｍｐａｉｇｎ　ｍｅｍｏｒｉａｌ　Ｐｒｏｊ　ｅｃｔ，ｕｓｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ａｎｄ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅ—　ｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｆａｓｔｅｎｅｒ－ｓｔｙｌｅ　Ｓｔｅｅｌ　Ｐｉｐｅ　Ｆｏｒｍｗｏｒｋ　Ｓｕｐｐｏｒｔ，　ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｇｅｔｔｉｎｇ　ｐｒｏｊ　ｅｃｔ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｂａｓｉｓ　ａｎｄ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｅｘａｍｐｌｅｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｐｐｌｉｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　ｂｅａｍ；Ｆｏｒｍｗｏｒｋ　Ｓｕｐｐｏｒｔ；Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｓｙｓｔｅｍ；Ｓａｆｅｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　近年来，随着我国城市建设的飞速发展，超高　超大混凝土结构工程日益增多，因其支架体系设　２工程概况　计或施工不当引起的坍塌事故［】ｑ］时有发生，造　渡江战役纪念馆位于合肥市滨湖新区义城境　成了严重的经济损失和恶劣的社会影响。如　内，该工程１３～１８轴线处悬臂结构悬挑长度为　２００３年厦门“八九”模板支架倒塌，造成７死、３８　３４．７４ｍ，最大悬挑高度３９．６７ｍ；桁架梁截面尺寸　伤的重大伤亡事故；２００５年北京西西工程模板支　为６００×２５００ｍｍ，桁架梁下半部分为钢骨架砼结　撑系统坍塌造成８死、２１伤的重大安全事故等。　构，设计新颖，结构独特，工程悬臂结构施工所需　本文以合肥市渡江战役纪念馆超高超大悬挑　的支架平台最大搭设高度达到４０ｍ，单层搭设面　梁施工为工程背景，对该工程采用扣件式钢管模　积约为２５００ｍ。，支撑体系承受的施工总荷载达　板支架结构体系的安全性进行了分析，并得到工　７．５×１０。ｋＮ，现有的设计与施工方法已无法满足　程监测验证，为今后在类似工程中推广应用提供　工程要求。为确保施工安全，经科研与施工单位　了理论依据和工程实例。　充分论证，决定采用＋４８×３．０ｒａｍ钢管组合支架　体系施工方案，具体为：　收稿日期：２０１１一Ｏ１—０５　作者简介：张标（１９８３一），男，硕士研究生，主要研究方向为现代工程结构施工。　８　安徽建筑工业学院学报（自然科学版）　４．３３ｋＮ／ｍ　第１９卷　（２）　５００×３３６０ｍｍ梁（图１）模板采用１８ｒａｍ厚　木夹板，　４８×３．０钢管支撑，支撑立杆纵距为　６００ｍｍ。梁下受力立杆６根，外侧间距５０４ｍｍ，　恒荷载设计值：　ｑ一１．２×（５２．４２＋４．３３）－－６８．１０ｋＮ／ｍＰ１一（１．０＋２．０）×０．５×０．＿－０．９０ｋＮ（３）　（４）　中间４根加密，间距依次为ｌＯＯｍｍ、２００ｍｍ、　ｌＯＯｍｍ。步距为１．２ｍ，方木楞采用４２×９２ｍｍ。　采用９１５×１８３０×１８胶合板做底模面板，底模板　下铺４２×９２方木楞（图２）。　施工荷载与振捣混凝土时产生的活荷载：　活荷载设计值：　Ｐ—１．４×０．９—１．２６ｋＮ　（５）　荷载作用在梁底模板上，木方为梁底模板的　支点，为简化计算，按三跨连续梁计算，该计算简　图见图３。　图１　５００×３３６０ｍｍ梁在主体结构中的位置　图３梁底模板计算简图　经手算得到该三跨连续梁的弯矩图和剪力　图，分别见图４和图５。　挺通长设　础由水平－－　图４梁底模板弯矩图（ＫＮ・ｍ）　横杆．蚌与满堂禁托通　Ｌ，　图２　５００×３３６０ｍｍ梁下立杆详图　２支撑体系受力分析　２．１计算模型　图５梁底模板剪力图（ＫＮ　Ｊ　梁模板支架体系传力途径：梁自重一梁底模　一梁底木方一梁横向支承钢管一架体立杆一坚实　的地面或楼面。故计算模型主要对梁底模、梁横　则各支座反力分别为：　Ｎ１—４．４１ｋＮ，Ｎ２—１３．２４ｋＮ，　Ｎ３—１３．２４ｋＮ，Ｎ４—４．４１ｋＮ。　向支承钢管、架体立杆进行验算。荷载取值见　表１。　表１荷载标准值　２．３梁横向支撑钢管受力计算　为简化计算，横向支撑钢管按集中荷载作用　钢筋混凝土自重　２６ＫＮ／ｍ３　下的三跨连续梁计算，集中荷载取梁底模板各支　座的反力，其计算简图见图６。　４４１　Ｉ１，４　Ｉ３　２４　４．４１　木模板自重施工人员及设备荷载　振捣混凝土时产生的荷载　０．５ＫＮ／ｍ２　１．０ＫＮ／ｍ　２．０ＫＮ／ｍｚ　２．２梁底模板受力计算　钢筋混凝土梁自重：　ｑ１＝＝＝２６×３．３６×０．＿－５２．４２ｋＮ／ｍ　（１）　图６横向支撑钢管计算简图　模板的自重：　ｑ２—０．５×０．６×（２×３．３６＋０．５）／ｏ．５—　经手算得该三跨连续梁的弯矩图和剪力图，　分别见图７和图８。　第２期　张标，等：超高超大悬挑梁模板支架结构体系安全性分析　９　０．２４　０．２４　图７横向支撑钢管弯矩图（ｋＮ・ｍ）　Ｉ３．２４　图８横向支撑钢管剪力图（ｋＮ）　则最大支座反力：Ｎ　一１６．９７ｋＮ　（６）　即横向支撑钢管作用在梁底架体立杆的最大　竖向力为１６．９７ｋＮ，最大压应力：　一—：一　　一４０ＭＰａ。ｏ　（７），　　２．４梁底架体立杆稳定性计算　］　ｌｏ＝ｋｆｆｈ　（８）　其中：ｋ为按照杜荣军法，取１．．１５５；ｆ为按照扣件　式钢管脚手架规范中取１．８；ｈ为取１．２；ｚ。一ｋｆｆｈ　—１．１５５×１．８×１．２—２．４９４８ｍ　ｉ０—０．０１５９ｍ　（９）　Ａ＝／￣＝ｚ．１５７＜［２１０］　（１０）　根据长细比　一１５７，查表得稳定系数　一　０．３１２，根据计算的钢管轴力　．９７ｋＮ　一　＝＝＝　一　１２８Ｎ／ｍｍ２％２０５Ｎ／ｍｍ。　（１　１）　满足稳定性安全要求。　３数值模拟分析　３．１几何模型建立　根据现场脚手架搭设方案，模板支架长２３ｍ、　宽４ｍ、架体高３５．５６ｍ。其中立杆横距和纵距均　为０．６ｍ，立杆步距为１．２ｍ。　３．２有限元单元划分　（１）单元类型的选取　由于受力特点的不同，立杆、横杆与剪刀撑采　用不同的单元类型，竖向杆件在上部荷载的作用　下可能受弯，因此采用Ｂｅａｍ１８８单元，横杆、剪刀　撑采用Ｌｉｎｋ８杆单元，以减少计算自由度。　（２）材料及截面属性的确定　模型钢管截面为￣４８×３．０ｍｍ，弹性模量为　Ｅ一２．０６ｅｌｌ，密度为７８５０ｋｇ／ｍ。。　３．３约束条件的确定　，　（１）该模型是选取船头５００×３３６０ｍｍ梁下　模板支架建模分析，模型边界上的各点均受到周　围架体的约束，即模型边界上各点在平面外均有　约束。　（２）根据脚手架的实际搭设情况，剪刀撑通过　扣件与竖向、水平向杆件相连，与地面无接触。故　地面对立杆底部的所有节点三向位移有约束，而　对斜向剪刀撑无约束。　３．４计算结果分析　经过数值模拟计算，得到该模型的Ｍｉｓｅｓ应　力图（图９）。　图９梁架体Ｍｉｓｅｓ应力图　分析：从ＡＮＳＹＳ有限元程序进行的施工模　拟分析结果来看，大部分架体的Ｍｉｓｅｓ应力值处　于０—２Ｏ．８７ＭＰａ，最大值４５．７０ＭＰａ发生在模板　支架的立杆顶部，远小于架体立杆稳定性验算值　１２８．０ＭＰａ。说明该架体的施工方案是安全的。　４现场实测数据分析　现场监测仪器选用ＪＴＭ—Ｖ１０００振弦式表　面应力计（图１０），１月２１日２２点开始浇筑混凝　土，分别对该梁端部及跨中进行实时监测，采集频　率为每１５ｍｉｎ一次，直至２４日结构封顶。此后改　为一天采集数据两次，直至该梁架体拆除。监测　数据分析（图¨～图１３）。　图１Ｏ监测仪器布置图　１０　安徽建筑工业学院学报（自然科学版）　第１９卷　∞ｖ、　一Ｎ　４　Ｉｎ∞　＿Ｉ　●　一　一　一●　ｄ　ｄ　０　０　０　０　０　＿＿０　０　—０　０　０　０　０　．．　－．．５００×３３６０ｍｍ￣Ｎ中　一５００×３３６０ｍｍＪ￣－Ｎ中　杆项部　斜撑顶部　图ｌ１大梁跨中应力变化曲线　图１２大梁左端应力变化曲线　图１３大梁右端应力变化曲线　分析：由图１１～图１３可知，最大应力值分别　为２７．７１ＭＰａ、１６．２４ＭＰａ和１７．２８ＭＰａ，远小于　手算的４０ＭＰａ和数值模拟计算的Ｍｉｓｅｓ应力值。　该架体的立杆和斜撑应力变化基本一致。上述三　图均出现了小幅的跳跃，主要是由于周围的架体　被拆除，大梁开始自承重，直到监测仪器被拆除。　５结　论　通过对渡江战役纪念馆悬挑梁模板支架结构　体系的受力分析，结合数值模拟和工程监测数据　验证，可得以下结论：　（１）通过对现场实测数据的分析，最大实测应　力值远小于手算应力值和数值模拟计算值，说明　该模板支架施工方案是偏安全的，可以对其进行　优化，以达到经济、安全的目的。　（２）结合工程实际，对模板支架进行了受力分　析。同时，通过在施工现场的严格组织和实施，模　板支架方案满足施工要求，未发生任何质量和安　全事故。该方案对类似结构的支撑体系的设计具　有很好的实践指导意义。为今后在类似工程中推　广应用提供了理论依据和工程实例。　参考文献　１赵滇生．扣件式钢管模板高支撑架整体稳定分析ＥＪ］．　浙江工业大学学报，２００７，３５（１）：７８—８１．　２李英林，胡仲明．谈高支模施工的监测［Ｊ］．广东建材，　２００９，（３）：１４４—１４７．　３唐秀玉．管模板高支撑体系性能分析［Ｊ］．福建建筑，　２００９，（７）：７Ｏ一７１．　４杜荣军．扣件式钢管模板高支撑架的设计和使用安全　［Ｊ］．施工技术，２００２，３１（３）：３—８．　５建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范［ｓ］．２００２．　６　ＪＧＪ１３０－２００１，建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术　规范［ｓ］．２００１．　７马先明．浅谈扣件式钢管高支模设计与施工．山西建　筑ＥＪ］．２００９，（１６）：１５３—１５４．