碗扣式支撐體系施工過程監(jiān)測及結(jié)果分析

吳志新，劉杭杭，項炳泉（安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計院，合肥，230022）

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碗扣式支撐體系施工過程監(jiān)測及結(jié)果分析

吳志新，劉杭杭，項炳泉
（安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計院，合肥，230022）

摘要：通過對地鐵站碗扣式支撐體系施工過程監(jiān)測結(jié)果分析，探究支撐體系立桿和水平桿的受力特征，結(jié)合地鐵站支撐架的特點(diǎn)，分析支架節(jié)點(diǎn)剛度、荷載分布對支撐體系的內(nèi)力分布影響。研究結(jié)果對支撐體系設(shè)計優(yōu)化和監(jiān)測點(diǎn)布置有一定參考價值。

關(guān)鍵詞：碗扣式支撐體系；施工監(jiān)測；節(jié)點(diǎn)剛度；安全控制

0　引　言

鋼管腳手架是實(shí)際現(xiàn)場施工過程中重要的支撐體系，特別是混凝土結(jié)構(gòu)體系中，腳手架需要承載模板、鋼筋、混凝土等建筑材料荷載以及施工人員的荷載。其承載力與穩(wěn)定性的不僅關(guān)系到在建工程的經(jīng)濟(jì)效益，更重要的一旦發(fā)生坍塌事故有可能會造成重大人員傷亡和惡劣的社會影響。碗扣式支撐體系是近年來一種常見的腳手架體系，構(gòu)件材料、桿件間距、剪刀撐的搭設(shè)等因素都對該體系有重要影響。而混凝土的澆筑過程是支撐體系受力的最主要過程，但時常會因?yàn)槭芰^大，發(fā)生較大變形以至于失穩(wěn)甚至坍塌事故的發(fā)生。所以在澆筑過程中對腳手架相應(yīng)桿件進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測以確保整個體系以及施工的安全是非常有必要的［1］。

本文對合肥軌道交通二號線宿州站車站主體結(jié)構(gòu)地下二層中板以及側(cè)墻的混凝土澆筑過程中的腳手架部分桿件內(nèi)力進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，分析支撐體系的受力機(jī)理，并根據(jù)地鐵站支撐體系的特點(diǎn)指導(dǎo)施工實(shí)踐。

1　工程概況

宿州路站位于合肥市繁華地段長江中路與宿州路站交叉路口，沿長江中路東西向布置，車站周邊建筑物密集。車站主體結(jié)構(gòu)為地下二層單柱雙跨（部分雙柱三跨）鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。車站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計中板厚400mm，頂板厚800mm；結(jié)構(gòu)側(cè)墻負(fù)一層厚度700mm，局部800m（端頭井），高度6.35m；結(jié)構(gòu)側(cè)墻負(fù)二層厚度700mm，局部800m（端頭井），高度6.16m（端頭井處高7.21m）。模板支撐體系采用滿堂式腳手架搭接，中板與底板立桿間距為900mm×600mm（橫縱），中板梁立桿間距分別為600mm×600mm（橫縱），縱桿步距1200mm，橫桿因提供側(cè)模的橫向水平力，在每兩個碗扣節(jié)點(diǎn)之間增設(shè)一道橫桿，采用扣件連接，步距為600mm。橫斷面圖和平面圖見圖1、圖2。

圖1　橫斷面圖

2　腳手架監(jiān)測

施工現(xiàn)場與監(jiān)測系統(tǒng)如圖3所示。

圖3　施工現(xiàn)場與監(jiān)測系統(tǒng)照片

圖2　平面圖

2.1監(jiān)測目的

本次監(jiān)測的目的是探究碗扣式支撐體系在混凝土澆筑過程中立桿和水平桿的受力變化過程，尋找支撐體系的薄弱環(huán)節(jié)。

2.2試驗(yàn)儀器

DH1205表面應(yīng)變計可安裝在鋼結(jié)構(gòu)及其他建筑物表面，測量構(gòu)件的應(yīng)變，內(nèi)置溫度傳感器可對測試值進(jìn)行修正。該傳感器具有很高的精度和靈敏度、數(shù)據(jù)穩(wěn)定。由專用屏蔽電纜傳輸數(shù)據(jù)信號，適合在惡劣的環(huán)境下長期對建筑物的應(yīng)變變化進(jìn)行監(jiān)測。DH1205應(yīng)變計安裝方便，用結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)于測試桿件上即可［2］。DH1205應(yīng)變計技術(shù)參數(shù)見表1。

表1　DH1205應(yīng)變計技術(shù)參數(shù)

2.3測點(diǎn)布置

負(fù)二層支架共布置22個監(jiān)測點(diǎn)，本文主要討論安裝在梁底正下方的A、B兩區(qū)的立桿和水平桿上的10個監(jiān)測點(diǎn)。監(jiān)測周期從混凝土澆筑時起，至混凝土澆筑結(jié)束，歷時20h，澆筑過程每300s采集一組數(shù)據(jù)，直至澆筑結(jié)束。測點(diǎn)布置如圖4。

圖4　測點(diǎn)布置示意圖

3　數(shù)據(jù)分析

實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)每300S采集一組，由于6號應(yīng)變片現(xiàn)場粘貼原因，測點(diǎn)溢出未能得到有效數(shù)據(jù)，其他測點(diǎn)數(shù)據(jù)正常。由于數(shù)據(jù)眾多，每兩個小時抽取一組數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

3.1立桿受力分析

（1）如圖5、圖6所示：在澆筑最開始的兩個小時內(nèi)，3個測點(diǎn)的數(shù)據(jù)都基本維持穩(wěn)定。由于這段時間對南北兩道側(cè)墻進(jìn)行澆筑，立桿未受明顯影響。

（2）梁板混凝土澆筑是分區(qū)分段澆筑，先澆梁后澆板，導(dǎo)致支撐體系立桿受力不均勻。00：40至04：40這四個小時A區(qū)3個測點(diǎn)的應(yīng)變直線上升，是由于這時開始澆筑到A區(qū)的梁板，導(dǎo)致壓力逐漸上升。但此時B區(qū)立桿會出現(xiàn)輕微受拉現(xiàn)象，是由于整個架體的局部受壓引起的。從4：40到6：40澆筑B區(qū)混凝土澆筑時，立桿壓力持續(xù)增加。而此時A區(qū)受力減小，是內(nèi)力在支撐體系內(nèi)重新分配的結(jié)果。

圖5　A區(qū)立桿各測點(diǎn)應(yīng)變變化趨勢

圖6　B區(qū)立桿各測點(diǎn)應(yīng)變變化趨勢

（3）B區(qū)立桿4#測點(diǎn)在澆筑過程中出現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)，且前期拉應(yīng)力不斷變大。由于混凝土澆筑是分段施工造成的支架局部受壓，及支撐架自身缺陷等因素影響，各立桿變形不一致，造成水平桿的彎矩或剪切力對立桿不同部位的內(nèi)力分配大小不同。

（4）由于A區(qū)第二層混凝土澆筑，所以立桿內(nèi)力從06：40以后又持續(xù)上漲。A、B區(qū)域混凝土澆筑完成后，此時混凝土處于初凝階段，支架體系內(nèi)力不斷重新分配，部分立桿應(yīng)力有增大趨勢。

（5）同一立桿的上部測點(diǎn)應(yīng)變值明顯要比下部桿測點(diǎn)應(yīng)變值大，荷載并非沿立桿均勻傳遞至支架底部，而是通過水平桿將立桿上端內(nèi)力分配給下端多個立桿。如梁澆筑時，梁下立桿受力變形，支撐體系會通過水平桿將內(nèi)力重新分配以達(dá)到體系的平衡，所以在梁澆筑時，未架荷載的區(qū)域的立桿下端也會承受一部分荷載。隨著板的澆筑，梁下立桿上下端內(nèi)力差會逐漸減小。

圖7　A區(qū)縱桿測點(diǎn)應(yīng)變變化趨勢

圖8　B區(qū)橫桿測點(diǎn)應(yīng)變變化趨勢

3.2水平桿受力分析

（1）從圖7、圖8可知，在混凝土澆筑過程中，水平桿軸向變形對立桿的面外變形有約束作用，表現(xiàn)出拉、壓的受力狀態(tài)，不同于立桿的普遍受壓。

（2）7#、8#、9#、10#四個測點(diǎn)都是A區(qū)水平桿。在0：40以后開始澆筑A區(qū)混凝土?xí)r，四個測點(diǎn)的應(yīng)力都不斷增大，且頂層水平桿（7#、9#測點(diǎn)）應(yīng)力明顯要高于底部水平桿，因?yàn)榱U上端面外位移相對較大，水平桿對立桿的約束力增大。

（3）水平桿經(jīng)歷了由受拉到受壓的轉(zhuǎn)變，主要原因在于支架體系內(nèi)部各桿件應(yīng)力重新分配和混凝土澆筑分段施工的影響而引起的水平桿在不同施工階段出現(xiàn)拉、壓應(yīng)力狀態(tài)。

通過對混凝土施工過程支架應(yīng)力的監(jiān)測結(jié)果分析，支撐體系受力特征和安全監(jiān)測點(diǎn)布置應(yīng)注意以下幾點(diǎn)［3］—［5］：

（1）荷載較大區(qū)域的立桿（梁下立桿）上端應(yīng)力大下端應(yīng)力，荷載較小區(qū)域的立桿（板下）上端應(yīng)力小下端應(yīng)力。由于上部荷載不均、水平桿的彎矩和剪切力方式傳力作用，梁下立桿部分荷載分配到板下立桿上，而板下立桿部分荷載同樣也會分配到梁下立桿上，這是造成立桿上端和下端應(yīng)力差異的原因。

（2）水平桿的應(yīng)力變化比較敏感，周邊立桿的應(yīng)力變化都能對水平桿的應(yīng)力造成較大反應(yīng)，尤其是水平桿應(yīng)力狀態(tài)的突然改變，預(yù)示周邊立桿有較大應(yīng)力變化。

（3）應(yīng)嚴(yán)格按照相應(yīng)規(guī)范進(jìn)行搭接，架體立桿不僅承擔(dān)施工過程中的壓應(yīng)力，還有可能特殊情況下承受拉應(yīng)力，應(yīng)保證各個碗口接頭處的連接質(zhì)量，盡量避免接口處松動現(xiàn)象。

（4）在澆筑大面積頂板時，應(yīng)分區(qū)分層澆筑，一定要控制某一區(qū)域一次性混凝土澆筑方量，盡量均勻?qū)ΨQ澆筑。避免支撐架體因?yàn)榫植渴茌d過大而引起的支撐體系失穩(wěn)現(xiàn)象。

4　結(jié)論

本文結(jié)合混凝土澆筑過程中對碗扣式支撐體系的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可以得出以下結(jié)論：

（1）梁下立桿應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果顯示立桿上端應(yīng)力大于下端應(yīng)力，這是符合支撐體系的受力規(guī)律，是荷載在支撐體系內(nèi)重新分配的結(jié)果。

（2）支撐體系節(jié)點(diǎn)存在部分剛度，理論上對支撐體系整體承載力是有利的，但現(xiàn)有設(shè)計計算的簡化模型未考慮支撐體系在全施工過程中的受力特點(diǎn)，僅從單桿的承載力作為設(shè)計參考，這與事實(shí)有一定的差別。

（3）荷載的分布不均造成立桿變形不一致，需要通過節(jié)點(diǎn)和水平桿將應(yīng)力分配到周邊立桿上，或可能引起部分立桿產(chǎn)生面外變形，這對支撐體系整體穩(wěn)定性是不利的。因此在滿堂支撐架設(shè)計時，梁下和板下立桿間距應(yīng)合理選擇，不宜在梁下設(shè)置較多立桿，而造成支撐體系內(nèi)各立桿變形差異過大，造成局部受力集中，不利于支撐體系的整體穩(wěn)定。

（4）水平桿受力狀態(tài)的改變和應(yīng)力大小的變化能反映更多的立桿信息，監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)優(yōu)先考慮布置在梁側(cè)邊天桿上和支撐邊緣的地桿比較合適，其它測點(diǎn)可選在支撐四角立桿或有集中荷載作用的立桿上端。

參考文獻(xiàn)

［1］侯杰. 新型高強(qiáng)碗扣式高支模架系統(tǒng)受力性能監(jiān)測及分析［D］.鄭州：鄭州大學(xué)，2014.

［2］陳永瑞. 碗扣式模板支撐架設(shè)計及施工監(jiān)控［D］.西安：長安大學(xué)，2011.

［3］辛克貴，黃勛，沈邕，等. 碗扣式鋼管模板支撐架足尺模型承載力試驗(yàn)研究［J］. 施工技術(shù)，2010，12：67-70.

［4］衣振華. 碗扣式腳手架支撐在橋梁施工中倒塌的原因及對策［J］. 工業(yè)建筑，2006，03：105-107.

［5］高秋利. 碗扣式鋼管腳手架和支撐架受力性能試驗(yàn)與分析［D］.天津：天津大學(xué)，2011.

Analysis of Construction Process Monitoring and Its Results in Bowl-buckle Scaffolding System

WU ZhiXin，XIANG BingQuan，LIU HangHang
（AnHui Institute Of Bulding Research & Design，HeFei，230022，china）

Abstract：By analyzing the monitoring result of the buckles bowl scaffolds in construction process，this paper researches the stress characteristics of upright tubes and horizontal bars，Combined with the characteristics of bearing force of the buckles bowl scaffolds using in subway station， this paper probes into internal force of the supporting systemby means of the joint stiffness and load distribution. The research results will provide references fordesign optimization and optimal layout of the buckles bowl scaffolds .

Keywords：buckles bowl scaffolds；construction monitoring；joint stiffness；security control

作者簡介：吳志新（1976- ）男，碩士研究生，主要研究方向：結(jié)構(gòu)動力學(xué)及其應(yīng)用。

收稿日期：2015-09-07

DOI:10.11921/j.issn.2095-8382.20160209

中圖分類號：TU731.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-8382（2016）02-042-05