施工阶段建筑施工模板支撑体系可靠性研究

李德衡 （山西路桥景泰房地产开发有限公司，山西 临汾 041000）

0 引言

从建筑工程的全生命周期角度出发，结构安全风险概率并不是均匀分布的，在建筑运营阶段的安全风险概率远小于施工阶段[1-2]。据不完全统计，近20年来工程结构倒塌事故发生在施工期间的比例高达93.9%，平均达到78.3%，而支撑模板体系坍塌导致的工程事故占比达到60%，造成重大的财产损失，也给人民生命安全造成威胁，成为建筑工程施工阶段需要迫切解决的问题[3]。支撑模板体系不仅承受着自身的重量，而且也承受着混凝土早期强度自然增长传递的荷载[4]。但是由于模板支撑体系的稳定性和可靠性受到诸多因素的影响，诸如模板支撑体系自身的搭设质量、施工进度以及各类工程立体交叉施工等，导致施工期间模板支撑体系事故风险的控制与评估十分困难，日益受到研究者的关注[5]。

1 工程概况

山西路桥易和苑小区项目位于临汾市尧都区河西新城，本项目总用地面积61627.8m2，其中0219-01 地块用地面积55311.5m2，建筑密度不大于25%，容积率不大于2.9，绿地率不小于35%，控制高度为100m；0291-02 地块用地面积6316.3m2，建筑密度不大于35%，容积率不大于1.2，绿地率不小于30%，控制高度为20m。建设内容由10 栋住宅建筑及地下车库组成，其中4 栋28 层、3栋18 层、2 栋17 层、1 栋17+1 层，总户数1429 户。地上建筑面积160150m2，地下建筑面积40563m2，总建筑面积200713m2，建筑密度14.7%，容积率2.9，绿地率36.5%，停车位1278 个。2栋6 层商业楼，地下一层停车场，总建筑面积6307m2，建筑密度35%，容积率1.2，绿地率20%，停车位76个。

2 建筑工程施工阶段支架模架稳定性及承载能力研究

与制造业不同，建筑工程施工是一个较为粗放的生产过程，其工作环境为露天环境，对劳动力需求大，而建筑工程施工模板支撑体系搭建涉及的工作量大，发生错误的概率高，比如支撑体系缺乏设置剪刀撑、采用的立杆出现弯曲或者立杆的底部没有做地基处理也无垫块等，导致建筑支架模板在搭设的过程中容易出现结构失稳和承载力不足的现象，引发工程事故[6]。

在建筑工程的模板支撑体系中，最为常见的一种结构形式为扣件式钢管支模架，其结构存在扣件连接，为半刚性连接，如果存在扣件松弛或者初始缺陷，其结构的稳定性和工作性状将受到影响，在搭设高度较大的情况下容易出现杆件的线性屈曲和非线性屈曲等现象[7]。一般而言，模板支撑体系的线性屈曲判断准则服从方程（1）～（3）的表达形式。

式中，K0为模板支撑体系在搭设完成的初始刚度矩阵；λ为钢管杆件屈曲特征值；KG为模板支撑体系的几何刚度矩阵；N为形函数矩阵；B为应变矩阵；D为结构弹性矩阵；X为坐标方向；v为X方向上的位移；S为应力矩阵。

模板支撑体系的非线性屈曲判断准则服从方程（4）的表达形式[8]。

式中，KT为切线刚度矩阵；δ为杆件位移；P为模板支撑体系的承载力。

3 施工阶段模板支撑体系可靠性影响因素

在扣件式钢管支模架中，模板支撑体系稳定性和可靠性受到多种因素的影响，其中钢管的几何形状、扣件螺栓拧紧扭力矩和支撑体系搭设参数为最为敏感的影响因素。为此，对模板支撑体系采取现场测量和概率统计的方式，研究这些因素对施工模板支撑体系可靠性的影响程度。

对现场的模板支撑钢管随机抽取15组进行测量，每组6根钢管，对测量值进行求解平均值和标准差，结果如表1所示。从表1 中可以看出，模板支撑系统中的外直径平均值为48.17mm，标准差为0.412，满足现行规范对钢管外直径的要求。模板支撑体系钢管壁厚平均值为3.278mm，对其正态分布直方图分析如图1 所示，从图中可以看出钢管壁厚的离散型较大，在3.0～3.5mm 之间的分布频次均较高。钢管的椭圆度平均值整体为1.0，标准差较小，数值为0.010，表明钢管的圆度较好，椭圆度的分布较为集中，满足现行规范对椭圆度的要求。钢管垂直度方面，垂直度平均值为3.2%，超出了现行规范的要求，在施工时需要特别纠正钢管的垂直度，避免弯曲钢管的使用导致结构失稳。钢管切斜偏平均值整体为1.019，表明钢管的断面平均有1.019mm的倾斜。

图1 壁厚的直方图分布

表1 模板支撑钢管统计结果

扣件式钢管支模架依赖各个扣件螺栓将水平钢管和竖直钢管进行拧紧连接，但由于在施工过程中螺栓的扭紧力矩受到人为因素影响，使得扣件螺栓的扭紧扭矩力大小不一。为此对现场模板支撑体系的扣件螺栓扭紧扭矩力进行实测和统计分析，结果如图2 所示。从图中可以看出，扣件螺栓扭紧扭矩力服从指数分布，随着扣件螺栓扭紧力矩的增加，其频次逐步减小。95%保证率的扣件螺栓扭紧力矩值为50kN·m，但其离散性较大，对于扣件螺栓扭紧力矩值小于10kN·m 的频次仍较集中，其中扭紧力矩为0kN·m 时，频次为85；扭紧力矩为5kN·m 时，频次为40；而扭紧力矩为10kN·m 时，频次为61。因此，在建筑施工模板支撑体系控制中，应保证扣件螺栓扭紧力矩不宜过小，避免扣件松弛而导致支撑体系失稳。

图2 扣件螺栓拧紧力矩的直方图

为了研究支撑体系搭设参数对模板支撑体系稳定性和可靠性的影响，选取立杆间距和立杆步距2 个搭设参数进行统计，随机抽取15 组进行测量，每组6根钢管，对测量值与设计值进行相除，并进行求解平均值和标准差，结果如表2所示。

表2 立杆间距和立杆步距实测值与设计值比值统计结果

从表中可以看出，立杆间距的实测值与设计值之比的平均值为1.05，表明立杆间距的搭设较为理想，与设计较为接近，但标准差偏大，存在一定的离散性。这是因为在布置立杆时，需要避开结构的梁、柱等位置，导致其存在一定的间距加密或加大，而立杆步距的实测值与设计值之比的平均值为0.93，且标准值较小，为0.03，表明立杆步距搭设的实际值略小于设计值。

4 施工阶段模板支撑体系稳定性计算

为了研究建筑施工模板支撑体系的稳定性和承载力变化，采用数值模拟手段，建立7 种不同的设计工况，其中工况1模板支撑体系的步距×纵向距×横向距为1.2m×0.85m×0.85m，工况2 模板支撑体系的步距×纵向距×横向距为1.3m×0.90m×0.90m，工况3 模板支撑体系的步距×纵向距×横向距为1.4m×1.00m×1.00m，工况4 模板支撑体系的步距×纵向距×横向距为1.5m×1.05m×1.05m，工况5 模板支撑体系的步距×纵向距×横向距为1.6m×1.10m×1.10m，工况6 模板支撑体系的步距×纵向距×横向距为1.7m×1.20m×1.20m，工况7模板支撑体系的步距×纵向距×横向距为1.8m×1.30m×1.30m，建立的数值模型如图3所示，计算结果如图4所示。

图3 基于有限元的施工模板支撑体系计算模型

图4 施工模板支撑体系承载力计算结果

从图4 中可以看出，随着增加模板支撑体系的步距，模板支撑体系的线性屈服承载力和非线性屈服承载力整体上呈现出增加趋势，且线性屈曲承载力比非线性屈曲承载力大，线性屈曲承载力与非线性屈曲承载力的比值呈现不同程度的波动，比如工况1 模板支撑体系的步距×纵向距×横向距为1.2m×0.85m×0.85m，其线性屈曲承载力为30.77kN，非线性屈曲承载力为25.08kN，而工况7模板支撑体系的步距×纵向距×横向距为1.8m×1.30m×1.30m，其线性屈曲承载力为60.60kN，非线性屈曲承载力为46.95kN，增加幅度分别84.93%、87.19%。

5 结论

以山西路桥易和苑小区项目施工模板支撑体系为研究对象，采用有限元分析方法对模板的稳定性及位移进行计算，得到以下几个结论。

①研究钢管的几何形状、扣件螺栓拧紧扭力矩和支撑体系搭设参数，表明除钢管的外直径和椭圆度外，壁厚、垂直度和切斜偏差不满足规范要求，扣件螺栓拧紧扭矩力服从指数分布，立杆间距的实测值与设计值之比的平均值为1.05，而立杆步距的实测值与设计值之比的平均值为0.93。

②随着增加模板支撑体系的步距，模板支撑体系的线性屈服承载力和非线性屈服承载力整体上呈现出增加趋势，线性屈曲承载力比非线性屈曲承载力大，线性屈曲承载力与非线性屈曲承载力的比值呈现不同程度的波动。