Rosowsky D等^[1] 通过对多层混凝土结构支撑系统的测试,发现混凝土养护期间支撑所承受的荷载在逐渐减小;方东平等^[2] 通过实测发现楼板刚度和强度随着时间变化不断增长且逐渐承担结构自重,并得到了结构施工过程中的基本特征以及荷载传递规律;袁渊等^[3] 在现场实测中发现随着施工周期和拆模时间延长,楼层最大应力值不断减小,且混凝土的浇筑和底层楼板支撑的拆除对楼层的内力影响最大;顾浩声等^[4] 从实测数据分析中发现,在多层模板支撑体系中,梁和板跨中位置测得的立杆轴力值较梁边、板边大,并对原因进行分析,得到了混凝土抗压强度和弹性模量随时间变化的特性;付燎原^[5] 通过对一处框架结构地下2层至地上1层进行实地监测,得到各层支撑体系在混凝土浇筑后荷载分配的比值,并用有限元软件进行模拟,探究出支撑体系受力规律。

本文结合某框架剪力墙结构工程,通过现场实测,得到钢筋混凝土结构施工过程中模板支撑的受力,探索了多层模板支撑体系的传力路径、楼板相对位移和荷载传递规律。与此同时,采用有限元分析软件SAP2000建立了多层模板支撑体系施工期性能分析模型,并将数值分析结果与实测结果进行对比,分析了产生差异的原因。

某框架剪力墙结构总高54.45m,地下1层,地上18层,标准层层高3.0m,结构平面布置规则、对称。由于客厅部分的开间、进深以及无梁支承面积较大,故选取2~5层客厅部分为测试区域。墙厚200mm,顶板厚120mm,平板四周梁高分别为200mm×400mm,200mm×500mm,200mm×450mm,200mm×400mm。

模板支撑搭设尺寸为4.2m×6.0m,支架搭设高度为3m,立杆纵距b=1.10m,立杆横距l=1.10m,扫地杆距底板面200mm,立杆步距h=1.5m。模板自重0.50k N/m²,混凝土钢筋自重25.1k N/m³,施工活荷载1.5k N/m²。扣件计算折减系数取1.00。采用的钢管类型为48×2.8。

选择具有代表性的立杆,在其竖直方向设置测点,并在立杆7和立杆9底部设置压力传感器。在钢管上同一水平的圆周上对称贴2个应变片,用DH3816静态电阻应变仪随着时间推移采集数据,以测量在整个施工进程中钢管的应变,并推导出轴力变化。测点布置如图1所示。

在第3,4层跨中位置布置位移传感器。并制作与模板支撑分离的位移计支架,消除架体受到模板支撑力而产生的位移,达到准确测量楼板挠度的目的。

为防止浇筑楼板混凝土时产生振动从而对仪器产生影响,现场实测中将仪器统一布置于一层。

本工程钢筋混凝土的施工顺序:搭设支撑、模板→绑扎钢筋→拆除底层模板支撑→浇筑混凝土→混凝土养护。

现场数据收集从2层顶板混凝土浇筑开始,到6层顶板混凝土浇筑完成为止。为研究不同层数的模板支撑体系,方案设计第3层支撑所测数据包括该层顶板浇筑前至4层顶板浇筑后5d,第4层支撑所测数据包括该层顶板浇筑前至6层顶板浇筑后1d,第5层支撑所测数据包括该层顶板浇筑前至本层顶板浇筑完毕。

本文选择1,4,7,10 4根典型立杆进行分析,并用3-L1,4-L1,5-L1分别代表第3~5层的1号支撑立杆的测点,其余各测点同理。

支撑轴力时程曲线如图2~4所示。x轴上采样次数0~100为本层混凝土浇筑,100~500为本层混凝土养护,500~600为上一层混凝土浇筑,600~1 000为上一层混凝土养护,1 000~1 100为上两层混凝土浇筑。

由图2可知,不同施工工序对测点应力影响幅度有所差异,但各杆件应力变化趋势大致相同。以3-L10为例,混凝土刚浇筑完成,支撑轴力突然增大至3.84k N;养护前期,由于施工设备、材料等增加使得支撑轴力继续增大,达到7.25k N;养护中期,立杆的轴力值随昼夜温差产生周期性微小波动,且随着混凝土弹性模量的提高,大体上有减小的趋势。养护后期,拆除下层支撑和安装上层架体、模板等作业导致支架体系受力不稳定,使短时期内支撑承担的荷载达7.96k N,超过了计算的设计荷载7.42k N,出现短暂的安全隐患。第2层架体拆除完毕,第4层楼板浇筑之前,支撑轴力值回到2.68k N。浇筑第4层顶板混凝土时,立杆的轴力值出现新的峰值,为3.72k N。4层楼板养护前期,立杆轴力值增至6.13k N,之后轴力值随养护时间的增加逐渐减小。

由以上分析可知,钢管脚手架的轴力出现峰值的情况有3种:(1)在各层楼板混凝土浇筑时;(2)在本层楼板养护前期,在新浇筑楼板层上进一步开展工作,出现大量堆载及施工活荷载时;(3)在本层楼板养护后期,底层支撑拆除使体系内部受力剧烈振动时。故在这3个施工过程中,应加强施工工序的监管力度,确定合理的混凝土拆模时间,保证工程质量和人员安全。

由图3可知,在采集次数0~900时,第4层支撑轴力图与第3层类似,各工序对支撑轴力的影响类似,不再赘述。下面着重分析3层模板支撑体系对第4层立杆影响的分析。

以第4层10号杆为例,第4层混凝土浇筑后,该杆轴力值增加了4.01k N。第5层浇筑前后4-L10轴力值分别为2.80,3.97k N,增加值为1.17k N。第6层混凝土浇筑前后4-L10轴力分别为2.71,3.10k N,增加值为0.39k N。计算出4根立杆在第6层混凝土浇筑前后4-L10轴力增加的平均值为0.29k N,且在后续混凝土养护期间轴力变化趋近稳定。

由以上可知,在3层模板支撑体系中,浇筑上层楼板时底层模板支撑的轴力增加值很小且稳定。故在开间、进深、层高均不大的框剪结构(多为多高层住宅)中,施工周期为7d的情况下,3层模板支撑体系并非必须设置。在浇筑最上层楼板前,底层模板就已经具备拆除条件,从而保证模板循环使用率达到最大化。

图4表明,第5层混凝土浇筑期内4根立杆图走向仍相似。第5层顶板浇筑后,支撑轴力瞬间增大,4根立杆的平均轴力为4.16k N,远小于计算的设计荷载。但由于混凝土从板边开始浇筑,导致部分模板翘起,使得浇筑初期支撑杆件出现微小的拉力,但对钢管支撑影响不大。

对比图2~4,发现位于板跨中的L-10与位于边跨的L-4,L-7在混凝土浇筑后局部图像走向有所分化。L-10支撑轴力在楼板混凝土浇筑时剧烈增长并很快达到受力峰值,在养护中期轴力下降幅度较大,浇筑上一层混凝土板时轴力增加也较快。相比之下,L-4,L-7立杆轴力在养护期间下降幅度并不显著,浇筑上一层混凝土板时增加幅度也不如跨中立杆。这是由于养护期间荷载传递路径不同造成的。由于梁板产生的竖向荷载由模板支撑直接承担,所以跨中立杆轴力变化显著,随混凝土强度增加,梁板开始分担部分荷载,并将荷载传递至剪力墙,由剪力墙承担上部结构下传的荷载,再由剪力墙传递至下部结构和支撑,导致剪力墙附近区域承担更多荷载,故在施工中应适当加密剪力墙附近的支撑立杆。

第3,4层的相对位移曲线如图5所示。采集次数0~200为本层混凝土浇筑期。

楼板浇筑前期,由于混凝土从板边开始浇筑,导致模板一侧受压,其他部分产生翘起,使得位移计测试值呈正值;当楼板浇筑接近测试点时,位移计测试值由正变负,表明模板受压产生变形,楼板间相对位移减小。混凝土养护期间,楼板间相对位移趋于稳定。测试显示3层楼板与2层楼板间的相对位移约为1.5mm,4层与3层的相对位移约为1.8mm,说明混凝土浇筑对支撑杆件产生变形,楼板间支撑系统不是无限刚性的。

通过分析立杆支撑实测轴力增加值和内力时程图,计算出各层支撑受力增加值,如表1所示。

计算得到4根立杆浇筑完成后的荷载总增量分别为5.04,5.15,4.82,4.77k N。计算表明:当现浇层浇筑完毕时,该层支撑承担荷载总增量的80%~86%,下面第2层支撑承担荷载总增量的18%~25%,下面第3层支撑承担荷载总增量的5%~8%。根据立杆轴力增加值可计算各层楼板在混凝土浇筑后分担的荷载。如对于4号支撑,浇筑4层时第3层顶板的荷载传递比例为(4.48-1.40)/4.48=68.7%。通过计算表中数据显示:浇筑层下一层顶板的荷载传递比例平均值为73.46%。可见,多层模板支撑体系荷载传递过程中,新浇筑层产生的大部分荷载都由养护后的下一层楼板承担,而下层楼板荷载承受能力主要取决于其养护质量,因此必须保证混凝土的养护时间和质量。

本文通过现场实测脚手架钢管的弹性模量、壁厚、直径等参数性能指标,运用SAP2000软件建立模型,模拟施工期多层模板支撑体系部分支撑的受力变化情况。

该模型考虑了时空效应的模板支撑与主体结构相互作用。采用框架单元模拟梁、柱结构及钢管支撑。混凝土强度等级:首层至4层顶为C35,5层及以上为C30。假设实际施工过程中同层柱、墙、梁、板的混凝土是同时浇筑的,故模型中同层的柱、墙、梁、板混凝土采用相同的弹性模量。本工程中混凝土瞬时弹性模量采用相应龄期混凝土的弹性模量进行取值,按照欧洲混凝土规范CEB-FIP MC90中的计算公式进行取值^[6] :

式中:s取决于水泥种类,普通水泥和快硬水泥取值为0.25;f_c为龄期t=28d时的混凝土抗压强度;E_c为龄期t=28d时的混凝土弹性模量;f_c(t)为龄期t时的混凝土抗压强度;E_c(t)为龄期t时的混凝土弹性模量。根据上式计算后,可分别得到C30和C35混凝土0~28d龄期的抗压强度和弹性模量。

本文得到的第3,6层模型如图6所示。

对1,4,7,10号立杆轴力的模拟结果进行分析。由于第3,4层浇筑受力图类似,故第3层浇筑图在此省略。第4,5层支撑轴力时程曲线如图7所示。

由图7可知,在外荷载作用下,同层各立杆的变化趋势基本相同,且在一个施工周期内,3层支架的轴力均随新浇楼板龄期增长逐渐减小。第3,4层立杆在直接和间接层楼板混凝土浇筑时会出现2个明显的峰值;第5层立杆,则在5层混凝土浇筑完毕后才出现峰值。随着混凝土龄期的增长,多层模板支撑体系内力发生重分配,使得第3,4层立杆的支撑轴力逐渐减小。从支撑轴力减小幅度来看,混凝土浇筑完毕1d内,支撑轴力减小幅度最大,且新浇筑楼板支撑层、下面第2层立杆轴力减小幅度分别为30%~45%,30%~40%。

实测结果与有限元数值计算结果的支撑内力对比分析如表2所示。

由表2可知,模拟值与实测值在总体趋势上具有一致性,不同楼层在浇筑过程中的荷载传递规律大致相同,但由于有限元模型无法完全考虑施工阶段中各种因素的影响,以及模型建立在模型范围、模板、支架节点等方面的简化,使得模拟值与实测值间存在一定的差异,主要表现在以下方面:(1)混凝土浇筑时立杆轴力的模拟值较实测值大,且以跨边4,7号立杆最为明显。模型模拟时取活荷载为1.5k N/m²,而实际施工中,施工人员和设备流动性大,使得活荷载的实际值和模拟值之间存在一定偏差;同时,由于剪力墙处的刚度大于跨中楼板的刚度,导致剪力墙附近模板支撑承受荷载较大。(2)混凝土浇筑完24h后,立杆轴力模拟值由于弹性模量变化有显著减小,而实测值不降反增。实际施工中,由于混凝土养护产生冲击荷载,加之现场大量堆载使得杆件轴力忽然增大,而模拟过程重点研究荷载传递过程,并未考虑现场新增施工荷载,造成实测值与模拟值偏差。

1)多层模板支撑体系是一个涉及时间和空间的综合体系,在测试层楼板混凝土浇筑时、养护前期、进行下部支撑拆除时内力发生剧烈振动时出现峰值。

2)梁板产生的竖向荷载由模板支撑直接承担,将荷载传递至剪力墙,再由剪力墙传递至下部结构和支撑,导致剪力墙附近区域承担更多荷载,故在施工中适当加密剪力墙附近的支撑。

3)混凝土浇筑过程中产生的总荷载由本层支撑承担80%~86%,下面第2层支撑承担18%~25%,下面第3层支撑承担5%~8%。当前浇筑层下一层的楼板占荷载传递的比例平均为73.46%,楼板承担了大部分荷载,可见楼板的养护时间和质量是关键。

4)用有限元分析模型对不同龄期多层模板支架体系中支撑立杆的受力进行分析,虽然模拟值与实测值有一些偏差,但两者总体趋势上保持一致性,荷载传递规律拟合较好,故有限元分析软件可较好地模拟多层模板支撑体系的受力过程。