上海東方漁人碼頭綜合樓施工的模板支撐體系監(jiān)測與分析

蔡 磊 胡 翔 周洪濤 郭志鑫 薛偉辰

1.同濟(jì)大學(xué)建筑工程系 上海 200092；2.中國建筑第八工程局有限公司 上海 200135

0 引言

扣件式鋼管模板支撐體系具有承載力高、搭設(shè)靈活、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，是目前我國混凝土結(jié)構(gòu)施工領(lǐng)域應(yīng)用最普遍的模板支撐形式?；炷两Y(jié)構(gòu)施工過程中，由于主體結(jié)構(gòu)混凝土齡期不斷變化，模板支撐體系和主體結(jié)構(gòu)形成了施工時變結(jié)構(gòu)體系[1]。準(zhǔn)確計(jì)算該體系的內(nèi)力，并合理確定模板支撐體系的布置方案，對保障結(jié)構(gòu)安全、提高施工效率、降低建造成本具有重要的意義。

扣件式模板支撐體系中，各鋼管桿件通過半剛性的扣件連接形成整體受力體系?？奂B接剛度將直接影響模板支撐體系的受力性能，而扣件連接剛度受扣件中螺栓的擰緊程度影響較大。近年來，相關(guān)學(xué)者通過一系列模型試驗(yàn)，對常規(guī)施工條件下扣件連接剛度的合理取值進(jìn)行了研究，并提出了初步的取值建議。然而，如何在模板支撐體系分析中合理地反映扣件剛度的影響尚有待進(jìn)一步的研究。

施工監(jiān)測和有限元分析是研究扣件式模板支撐體系整體受力性能的重要途徑。然而，已開展的模板支撐體系施工監(jiān)測和有限元分析主要針對某一施工荷載對支撐體系內(nèi)力的影響，未分析支撐體系與主體結(jié)構(gòu)共同作用時內(nèi)力分布的時變規(guī)律以及扣件半剛性連接剛度的影響。此外，在設(shè)計(jì)計(jì)算方法方面，我國的模板支撐設(shè)計(jì)主要參照《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ 130—2011）中的單立桿模型，無法真實(shí)可靠地反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力特征。

綜上，為了更好地分析施工過程中模板支撐體系的內(nèi)力分布規(guī)律，并研究其建模方法，本文以上海東方漁人碼頭（圖1）綜合樓為背景，開展典型結(jié)構(gòu)的三層流轉(zhuǎn)模板支撐體系施工監(jiān)測，并基于SAP2000軟件建立考慮鋼管支撐半剛性扣件連接和主體結(jié)構(gòu)混凝土?xí)r變特性影響的有限元分析模型。在此基礎(chǔ)上，通過有限元分析結(jié)果與施工監(jiān)測結(jié)果的對比與分析，驗(yàn)證該分析模型的適用性與合理性。

圖1 上海東方漁人碼頭

1 工程背景

上海東方漁人碼頭綜合樓為33 層鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，核心筒布置于結(jié)構(gòu)平面中部，標(biāo)準(zhǔn)層層高為3 600 mm，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)的模板支撐體系采用扣件式鋼管支撐，鋼管φ48 mm，壁厚3.5 mm。樓板下鋼管支撐立桿縱橫向間距900 mm×900 mm，梁下布置縱距600 mm的2 道（梁高為900～1 400 mm時）或1 道（梁高500～800 mm時）鋼管支撐立桿。該綜合樓所采用的結(jié)構(gòu)體系和模板支撐布置方案均較為典型，針對其開展的施工監(jiān)測和有限元分析可為今后類似結(jié)構(gòu)模板支撐體系的設(shè)計(jì)與分析提供參考。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面示意

2 施工監(jiān)測

2.1 監(jiān)測工況與監(jiān)測內(nèi)容

針對上海東方漁人碼頭綜合樓主體結(jié)構(gòu)外框部分典型區(qū)域的4 層模板支撐體系，進(jìn)行每天一次的現(xiàn)場監(jiān)測。主要監(jiān)測各典型位置處鋼管支撐的應(yīng)變，并基于應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果計(jì)算鋼管支撐在施工期的內(nèi)力變化，以實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)施工過程中模板支撐的內(nèi)力分布及其與主體結(jié)構(gòu)共同作用的全過程監(jiān)控。

2.2 監(jiān)測方法

鋼管支撐應(yīng)力監(jiān)測采用電阻式應(yīng)變片，電阻式應(yīng)變片具有良好的測試精度，數(shù)據(jù)采集采用靜態(tài)數(shù)字電阻應(yīng)變儀。為避免溫度變化對測試結(jié)果的影響，在測試全過程中對所有應(yīng)變測點(diǎn)均進(jìn)行了有效的溫度補(bǔ)償。

2.3 測點(diǎn)布置

在測試樓層選取軸線XF～XG與X4～X5之間的區(qū)域作為測點(diǎn)布置區(qū)域，按照模板支撐搭設(shè)情況選取典型受力支撐布置測點(diǎn)，監(jiān)測時選取4 類典型位置：板跨中位置處支撐、梁交叉點(diǎn)處支撐、梁跨中位置處支撐、柱邊緣處支撐。選取了9 個典型位置處的鋼管支撐測點(diǎn)，如圖3所示，各測點(diǎn)布置于立桿頂端以下50 mm處。

2.4 主要監(jiān)測結(jié)果及分析

2.4.1 板跨中模板支撐軸力

各層板跨中支撐軸力監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。

圖3 測點(diǎn)布置示意

從圖中數(shù)據(jù)可知：當(dāng)澆筑本層混凝土?xí)r，板跨中支撐軸力增大，增大值約為15 kN；此后，隨著混凝土齡期的增長，板跨中支撐軸力逐漸減??；但當(dāng)上層開始搭設(shè)模板支撐時，板跨中支撐軸力又逐漸增大，并在澆筑上層混凝土?xí)r大幅增大，但增量值隨著以上層數(shù)的增加而逐漸減小。

圖4 第1層板跨中支撐軸力對比

2.4.2 交叉梁模板支撐軸力

各層交叉梁處模板支撐軸力監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。

由圖中數(shù)據(jù)可知：

1）在澆筑本層混凝土?xí)r，支撐軸力均出現(xiàn)較大幅度的增大。由于各層支撐布置位置與間距略有不同，支撐軸力的增大幅度在17～25 kN之間。這表明在澆筑本層混凝土?xí)r，交叉梁處模板支撐受力較大，在進(jìn)行支撐搭設(shè)時應(yīng)對該處支撐予以加固，如增加立桿、減小立桿間距等。

2）澆筑上部各層混凝土?xí)r，交叉梁處支撐的軸力也突然增大，但增大幅度較澆筑本層混凝土?xí)r小，且隨著上部樓層的增大而逐漸減小。

2.4.3 梁跨中模板支撐軸力

各層梁跨中支撐軸力（取梁跨中點(diǎn)A）監(jiān)測結(jié)果如圖6、圖7所示。

從圖中數(shù)據(jù)可知：

1）在澆筑本層混凝土?xí)r，梁跨中支撐軸力均較之前大幅度的增大。但由于梁下支撐布置較密，因此其支撐軸力的增大幅度略小于交叉梁處，在7～19 kN之間。這表明現(xiàn)行的模板支撐搭設(shè)方案中，加強(qiáng)梁底支撐數(shù)量是合理的。

2）在澆筑上部各層混凝土?xí)r，梁跨中支撐的軸力變化規(guī)律與交叉梁處支撐的軸力變化規(guī)律基本一致。

圖5 第1層交叉梁處支撐軸力對比

圖6 第1層梁跨中支撐軸力對比

圖7 第2層梁跨中支撐軸力變化

3）在拆除相鄰下層支撐時，梁跨中處的支撐軸力減小。

2.4.4 鄰近柱模板支撐軸力

各層鄰近柱邊支撐軸力監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。

圖8 第2層鄰近柱邊支撐軸力對比（鄰近柱B點(diǎn)）

從圖中數(shù)據(jù)可知：

1）由各層鄰近柱邊支撐軸力隨時間的變化趨勢可知，在澆筑本層混凝土?xí)r，支撐軸力均出現(xiàn)較大幅度的增大。

2）澆筑上部各層混凝土?xí)r，鄰近柱邊支撐的軸力也突然增大，但增大幅度較澆筑本層混凝土?xí)r小，且隨著上部樓層的增大而逐漸減小。

需要說明，由于現(xiàn)場施工環(huán)境較為復(fù)雜，各層支撐的布置數(shù)量、位置與間距、支撐的搭設(shè)與拆除順序、測試區(qū)域的施工材料堆放情況等均難以按照測試要求實(shí)施。因此，此次模板支撐軸力的現(xiàn)場測試結(jié)果波動較大。

3 基于SAP2000的時隨有限元分析

3.1 有限元建模

以上海東方漁人碼頭綜合樓為背景，采用商用有限元軟件SAP2000建立了該工程主體結(jié)構(gòu)中部6 層外框部分的模型，分析模板支撐的受力情況。模型中考慮的主要影響因素包括：

1）施工期混凝土強(qiáng)度和彈性模量的時隨變化；

2）立桿與水平桿之間的扣件連接剛度對模板支撐體系受力行為的影響；

3）支撐拆除對結(jié)構(gòu)及剩余模板支撐受力的影響。

有限元模型如圖9所示，由于結(jié)構(gòu)完全對稱，為提高計(jì)算效率對其一半的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。模型中梁柱采用梁單元、樓板采用殼單元，梁、柱節(jié)點(diǎn)為剛接，鋼管支撐采用桿單元。其中，立桿單元可按照穩(wěn)定承載力計(jì)算確定其極限承載力。

3.2 關(guān)鍵問題處理

3.2.1 扣件半剛性連接

目前相關(guān)規(guī)范中將扣件螺栓的擰緊力矩定為40 N·m，考慮到施工現(xiàn)場的實(shí)際情況，扣件螺栓的擰緊力矩偏安全地取為30 N·m。參照現(xiàn)有關(guān)于扣件擰緊力矩和扣件初始連接剛度關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果[2,3]，本文中模擬扣件連接的旋轉(zhuǎn)彈簧單元剛度取為30 kN·m/rad。

圖9 施工第6層結(jié)構(gòu)有限元模型（澆筑第6層結(jié)構(gòu)）

3.2.2 混凝土?xí)r隨模型

鋼材采用材料力學(xué)性能不隨時間發(fā)生變化的線彈性材料模型。為考慮施工過程中混凝土齡期發(fā)展的影響，混凝土材料采用了歐洲混凝土協(xié)會規(guī)范CEB-FIP model code2010建議的、考慮齡期發(fā)展的非線性時隨模型，即混凝土的強(qiáng)度和彈性模量將隨齡期發(fā)展而變化。有限元模型中所采用混凝土強(qiáng)度隨時間變化的關(guān)系式為：

式中：fcm（t）——齡期為td的混凝土抗壓強(qiáng)度;

fcm——齡期為28 d的混凝土抗壓強(qiáng)度；

s——與水泥類型相關(guān)的材料系數(shù)。

混凝土彈性模量隨時間變化的關(guān)系式為：

式中：Eci（t）——齡期為td的混凝土彈性模量；

Eci——齡期為28 d的混凝土彈性模量。

3.3 主要計(jì)算結(jié)果分析

各層板跨中支撐軸力、交叉梁模板支撐軸力、梁跨中模板支撐軸力的以及鄰近柱模板支撐軸力的有限元計(jì)算與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果對比如圖4～圖8所示。從圖中數(shù)據(jù)可知：

1）有限元分析結(jié)果表明，在澆筑混凝土?xí)r，各層板跨中、梁交叉處、梁跨中和鄰近柱邊處的模板支撐軸力均增加，模板支撐軸力增量向下逐層遞減，另外，本層梁交叉處支撐軸力增加幅度最大（最大達(dá)到18 kN）。這與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果基本一致，表明在澆筑混凝土?xí)r，本層模板支撐處于最危險(xiǎn)的荷載工況[4]。

2）該有限元分析模型考慮模板支架與結(jié)構(gòu)共同工作、扣件半剛性連接和結(jié)構(gòu)混凝土?xí)r變特性等因素的影響，與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的對比表明，有限元分析模型能夠較好地反映模板支架體系在整個施工過程中的軸力變化規(guī)律，與監(jiān)測結(jié)果吻合良好[5]。

需要說明，各典型位置處模板支撐測點(diǎn)的軸力計(jì)算值均小于現(xiàn)場監(jiān)測值，這主要與有限元計(jì)算模型中未能充分考慮施工荷載以及實(shí)際工程中采用的模板支撐鋼管壁厚比標(biāo)準(zhǔn)厚度略小有關(guān)。

4 結(jié)語

本文以上海東方漁人碼頭綜合樓為背景，開展了施工階段典型位置模板支撐內(nèi)力的現(xiàn)場監(jiān)測和有限元分析，主要結(jié)論如下：

1）監(jiān)測結(jié)果表明，在澆筑混凝土?xí)r，各層模板支撐軸力均增大，下部各層模板支撐軸力增大幅度較本層模板支撐小。本層梁交叉位置處模板支撐軸力增大幅度最大（最大達(dá)到25 kN），在進(jìn)行支撐搭設(shè)時應(yīng)對該處支撐予以加固[6]。

2）本文建立的考慮鋼管支撐扣件半剛性連接、支撐與主體結(jié)構(gòu)共同作用以及主體結(jié)構(gòu)混凝土?xí)r變特性的模板支撐體系有限元模型的計(jì)算結(jié)果與施工監(jiān)測結(jié)果吻合良好，反映了模板支撐體系在整個施工過程中的內(nèi)力變化規(guī)律。表明針對模板支撐體系的有限元建模方法是可行的[7]。

本文的研究成果可為類似工程模板支撐的分析和研究提供依據(jù)和參考。