1 工程概况

　　某医院直线加速器设备用房位于医技楼主楼北侧地下1层，设计平面尺寸为26.4m×15.9m。为防辐射，采用3.0m厚钢筋混凝土顶板与1.7/3m厚墙体。顶板模架支撑体系竖向荷载75k N/m²，属重型模架支撑体系。由于混凝土体积较大，随着混凝土的固化，结构自重应力与浇筑初期流塑状态下的应力分布不同，使作用在模板支架上的力发生变化。因此，对顶板模架受力进行全过程监测。筏板标高-5.840m，顶板顶标高1.600m，支撑体系高4.440m。选用A型盘扣式支撑架，其中立杆型号为A-LG-1500,A-LG-2000，材质为Q345B，尺寸为60×3.2;水平杆型号为A-SG-600，尺寸为48×2.5;竖向斜杆均采用配套48×2.5系列;架体纵横向间距均为0.6m，步距1.5m;主龙骨采用双肢[12.6，次龙骨采用截面尺寸为100mm×100mm木方，模板选用18mm厚多层板。

　　采用DH3821型应变仪进行静态应变数据采集，设置12个采集模块，共162个测点，包括64个立杆测点、48个水平杆测点及50个竖向斜杆测点。持续采集20h，采集频率最大为2Hz，数据通过无线网传至计算机进行储存。

　　2 内力计算

　　2.1 基本假定

　　假定立杆、竖向斜杆与水平杆相交于一点，忽略杆件偏心的影响;立杆之间的连接为刚性连接，立杆与水平杆的连接为半刚性连接;仅考虑竖向荷载的影响;立杆支座底部混凝土底板为刚性，立杆顶部为悬臂端。

　　2.2 荷载计算

　　新浇混凝土自重标准值为24k N/m³，钢筋自重标准值为1.1k N/m³，模板自重标准值为0.2k N/m²，均布活荷载为2.5k N/m³，不考虑风荷载，可知混凝土自重为主导荷载。取永久荷载分项系数为1.2，可变荷载分项系数为1.4。立杆下端压应力为上端压应力与由架体自重产生的压应力之和，水平杆及竖向斜杆视为构造措施，计算强度可忽略。

　　3 计算结果分析

　　采用有限元软件进行数值模拟分析，按实际架体单元建模，加载过程分为7步，模拟过程至混凝土浇筑3m结束。由计算得到的支撑体系Mises应力云图可知，立杆应力大于水平杆和竖向斜杆应力。

　　由立杆应力云图可知，东西向立杆受力不均匀，其中中间立杆受力较大，并逐渐向两侧递减，基本呈对称分布;南北向立杆受力均匀，处于同一区域的立杆受力基本相同。立杆最大应力出现在最南、最北侧中间位置，约为-60.00MPa，与之对应的应变为-291.26με。立杆上部受力大于下部，但仅相差1.5MPa左右。

　　由水平杆应力云图可知，水平杆并非不受力，其中部分水平杆受较大的拉力，部分水平杆受压;最大拉应力达16.39MPa，与之对应的拉应变达79.56με;受力基本按南北对称分布。

　　由竖向斜杆应力云图可知，竖向斜杆多受拉，所受应力为-9.22～5.80MPa，应变为-44.76～28.16με，受力基本按南北对称分布。

　　4 采集数据分析

　　由采集数据可知，立杆受压;水平杆受力较小，压应力和拉应力均有;竖向斜杆承受较小的压力，部分受拉。立杆应变为0～150με，水平杆应变为-14～80με，竖向斜杆应变为-30～30με。

　　5 混凝土浇筑过程支撑体系变形分析

　　混凝土浇筑过程为支撑体系动态加载过程，混凝土施工产生的荷载主要由立杆承受，随着浇筑过程的进行，浇筑过程典型立杆应变曲线如图1所示。由图1可知，浇筑初期对立杆应变的影响较小;浇筑中期对立杆应变的影响较大，微应变主要在此期间产生;浇筑后期对立杆应变的影响不明显。立杆上下测点显示的浇筑时间较吻合，应变随浇筑过程变化明显。实测立杆应变小于计算结果，实测立杆最大应变为-146με，约为计算值的50%，约85%的立杆应变达-120με。

　　图1 典型立杆应变曲线(混凝土浇筑过程)  

　　计算得到水平杆应变为-11.65～17.14με，呈南北对称分布。实测数据表明，水平杆应变为-40～45με，浇筑过程典型水平杆应变曲线如图2所示。由图2可知，基本从浇筑中期开始监测到应变值，拉应变与压应变均存在。经统计，61.76%的测点为拉应变，38.24%的测点为压应变。监测到水平杆应变存在异常数据，如图3所示。

　　图2 典型水平杆应变曲线(混凝土浇筑过程)  

　　图3 水平杆应变异常数据  

　　计算得到竖向斜杆应变为-44.76～28.16με，呈南北对称分布。实测竖向斜杆应变为-30～35με，未发现对称性分布现象，浇筑过程典型竖向斜杆应变曲线如图4所示。由图4可知，竖向斜杆主要为拉应变。监测到竖向斜杆应变存在异常数据，如图5所示。

　　图4 典型竖向斜杆应变曲线(混凝土浇筑过程)  

　　图5 竖向斜杆应变异常数据   

　　6 混凝土强度形成过程支撑体系变形分析

　　混凝土强度形成过程典型立杆应变曲线如图6所示，由图6可知，立杆应变不断变化，存在应力重分布现象，压应变逐渐减小;前7d应变变化明显，7d后基本稳定。统计结果表明，0～30d时，约30%的立杆出现拉应变;47%的立杆压应变逐渐减小，表明压应力逐渐减小;15%的立杆应变逐渐减小;15%的立杆应变先增大后逐渐减小;其余立杆应变变化无规律。

　　图6 典型立杆应变曲线(混凝土强度形成过程)  

　　混凝土强度形成过程典型水平杆应变曲线如图7所示，由图7可知，水平杆应变持续变化，支撑体系仍处于应力重分布状态，前期应变变化明显。统计结果表明，0～30d时，54%的水平杆拉应变逐渐增大，表明拉应力逐渐增大;12.5%的水平杆应变减小;4%的水平杆应变先增大后逐渐减小;其余水平杆应变变化无规律。

　　图7 典型水平杆应变曲线(混凝土强度形成过程)  

　　混凝土强度形成过程典型竖向斜杆应变曲线如图8所示，由图8可知，竖向斜杆应变持续变化，同样说明支撑体系处于应力重分布状态，前期应变变化明显，尤其是前7d。统计结果表明，0～30d时，44%的竖向斜杆拉应变逐渐增大，表明拉应力逐渐增大;20%的竖向斜杆应变减小;6%的竖向斜杆应变先增大后逐渐减小;其余竖向斜杆应变变化无规律。

　　图8 典型竖向斜杆应变曲线(混凝土强度形成过程) 

　　7 结语

　　1)重型模架支撑体系受力机理尚不明确，计算值与实测值存在差距，说明计算模型与实体具有一定差异，特别是架体不均匀性为整个支撑体系受力带来不确定性。因此，架体设计时应设定安全储备值和域值。

　　2)有限元分析理论与方法已相当成熟，但计算模架支撑体系时，计算精度受多种因素影响，如计算模型、初始值选取、节点铰接与刚接、边界条件等。因此，不建议将有限元模拟计算结果作为实际施工依据。

　　3)混凝土浇筑过程中产生的荷载主要由立杆承受，大部分水平杆与竖向斜杆受力较小，但其对支撑体系保持刚性约束和结构几何不变性具有重要作用。混凝土浇筑及强度形成过程中，杆件应力、应变不断变化，说明支撑体系处于应力重分布状态。

　　4)重型模架支撑体系受力不均匀性是由架体自身不均匀性和施工不确定性决定的，现场实时监测是保证危险性较大工程施工安全的必要措施。

　　5)混凝土强度形成过程中，立杆压应变变为拉应变，说明立杆应力由压应力变为拉应力，与计算结果不符，可知模架支撑体系受力机理需进一步研究。