素万纳普机场多种工具式支撑模板体系安全性分析

作者：鄢全科封锐申明华李尚光贾红学曹磊

单位：中国建筑第八工程局有限公司

摘要：泰国素万那普机场新航站楼主体结构长度约为1 070m,宽度中段最宽处约为80m,两端最窄处为47m,楼层板为后张法预应力无梁板。针对泰国模架供应商规模小和工程实际特点,选取了多种工具式支撑模板体系,通过理论计算和有限元分析,支撑体系承载力和稳定性满足要求,能确保施工过程安全。

关键词：模板航站楼预应力无梁板支撑有限元分析施工方案安全

作者简介：鄢全科,工程师,E-mail:yanquanke@cscec.com。
基金：中国建筑第八工程局有限公司科技课题:泰国大型卫星候机楼关键施工技术研究与应用。 -页码-：9-12

1 工程概况

　　泰国素万那普机场新航站楼上部主体长度尺寸约为1 070m,宽度中段最宽处约为80m,两端最窄处47m,中段高跨屋面最高点约为32m,两边低跨最高点约为26.6m,最低点约为25.5m。竖向结构为钢筋混凝土结构与型钢结构,楼层板为后张法预应力无梁板,局部为预制空心板。新航站楼建筑整体非常简洁流畅,与老航站楼建筑风格基本一致,采用双曲面流线形屋面。新航站楼鸟瞰呈“I”形布置,两边均匀对称分布共计28个停机位,可容年旅客流量1 500万人次。新航站楼建筑效果如图1所示。

2 多种工具式模架体系

　　泰国建筑业结构施工主要以工具式模架为主,但当地绝大部分模架供应商规模小、周转能力弱,且适用于本工程(层高6m)的模架可选择性小,因此必须选用多种支撑体系进行施工。通过对本工程的结构类型、流水作业、施工方法、垂直运输等方面的分析,并参考类似工程经验,调查和了解当地市场供应情况与常规做法,完成了针对本工程的模板选型。选取的5种模架体系为EFCO,COFFRAL,CA及盘扣式和轮扣式脚手架梁板模体系,如图2所示。

　　图1 新航站楼建筑效果

　　 Fig.1 The architectural effect of new terminal building

　　图2 多种工具式模架体系

　　 Fig.2 Multiple tool-type formwork systems

3 模架体系安全性分析

　　泰国本地没有针对模架计算的标准,当地厂家提供的计算书按美国标准和英国标准进行计算,根据厂家提供的计算书并结合工程的实际特点,从经济性和安全性方面考虑,制定了多种工具式支撑体系组合应用的施工方案设计,并用Midas/Gen对模架体系进行了安全性校核补充验算。

3.1 无梁板下支撑体系布置方案

　　根据工程实际特点,第3层楼板下模板的支撑体系为EFCO和CA组合梁板模体系,具体布置方案如图3所示。双斜线交叉阴影区域板厚800mm,采用EFCO梁板模体系,单斜线阴影区域板厚300mm,采用CA梁板模体系。

　　图3 梁板模体系布置方案(单位:m)

　　 Fig.3 Layout scheme of beam-slab formwork(unit:m)

　　泰国厂家只提供了比较简单的理论计算结果,对整体稳定性没有进行分析。为了保证更安全施工,对支撑体系的计算进行校核,进行了支撑体系的有限元分析。EFCO和CA模架的具体参数分别如表1和表2所示。第3层层高为5.7m,EFCO支撑高度为4.9m,CA支撑高度为5.4m,如图4所示。

　　表1 EFCO模架参数
Table 1 The parameters of EFCO formwork

　　表2 CA模架参数
Table 2 The parameters of CA formwork

　　图4 楼板剖面和模架高度(单位:m)

　　 Fig.4 Floor profile and formwork height(unit:m)

3.2 无梁板下支撑体系理论分析

　　 EFCO厂家提供的理论分析计算依据美国标准和英国标准 ^[1,2,3,4],具体分析计算过程如下。

　　选取无梁板下台模最不利布置的情况进行分析计算,图4中第3层楼板左侧十字形阴影区域,台模高度分别为10,4.9m。EFCO台模如图5所示。EFCO主要杆件截面特性和计算参数如表3所示。

　　表3 EFCO主要杆件截面特性和计算参数
Table 3 The section characteristics and calculation parameters of EFCO main members

　　由图5b可知,混凝土楼板厚度为800mm,最长的立杆间距为2 246mm,下部千斤顶长度为1 271mm,混凝土自重为24kN/m³,模板自重为0.5kN/m²,施工荷载2.4kN/m²,主龙骨为双梁支撑布置,自重为0.1kN/m,次龙骨为单根布置,自重为0.06kN/m。选取图5a左上角所围区域进行计算,故作用于单根立柱的荷载为:

　　图5 EFCO台模

　　 Fig.5 EFCO formwork

　　利用欧拉屈曲方程:

　　将计算参数代入式(1)可求得立杆允许的最大施加荷载为130.5kN,取最大承载力124.5kN,千斤顶允许的最大施加荷载为88.0kN,上述计算结果均大于作用于立柱和千斤顶的荷载,所以满足要求。

　　 CA厂家提供的理论分析计算具体分析计算过程如下。

　　下立杆长度L为1.55m,屈服强度f_y为252N/mm²,弹性模量E为2.1×10⁵N/mm²,计算长度系数K为1,CA台模支撑面积为3.04m×4.88m,作用于下立杆的轴力为27.2kN,主要的杆件截面特性如表4所示。

　　表4 CA主要杆件截面特性
Table 4 The section characteristics of CA main members

　　根据上述荷载和截面特性,下立杆的容许应力σ_a为:

　　由此可计算得到所需的立杆截面面积为3.15cm²,所需截面小于立杆截面,满足要求。

　　长细比λ为:

　　容许长细比[λ]为:

　　下立杆的长细比小于容许长细比,稳定性满足要求。

　　下立杆容许承载力P为:

　　下立杆所受轴力小于立杆容许承载力,下立杆承载力满足要求。水平横撑和其他杆件的计算过程与下立杆相同,均满足要求。

3.3 无梁板下支撑体系有限元分析

3.3.1 EFCO台模有限元分析

　　根据3.2节提供的几何信息、荷载和计算参数,利用有限元分析软件Midas/Gen建立EFCO台模的有限元模型,边界条件为弹性支撑,弹性约束z向为142 218kN/m((钢材弹性模量×钢管截面积)/m)。EFCO台模轴力和位移云图如图6所示,立杆的稳定系数云图如图7所示。

　　图6 EFCO台模轴力云图与位移云图

　　 Fig.6 Axial force contour and displacement contour of EFCO formwork

　　由图6,7可知,EFCO的立杆和千斤顶最大轴力为76.1kN,与理论计算的结果较接近,小于立杆和千斤顶的允许荷载,承载力满足要求;位移最大值为6.6mm,小于厂家提供的允许值12mm,变形满足要求;EFCO立杆的稳定系数最大值为0.56(<1),稳定性满足要求 ^[5,6]。

　　图8 CA台模轴力、应力及位移云图

　　 Fig.8 Axial force contour,stress contour and displacement contour of CA formwork

　　图7 EFCO台模稳定系数

　　 Fig.7 Stability coefficient of EFCO formwork

3.3.2 CA台模有限元分析

　　根据3.2节提供的几何信息、荷载和计算参数,利用有限元软件Midas/Gen建立CA台模的有限元模型,边界条件为弹性支撑,弹性约束z向为154 245kN/m((钢材弹性模量×钢管截面积)/m)。CA台模轴力、应力及位移云图如图8所示。

　　由图8可知,CA的立杆的最大轴力为29.2kN,与理论计算的结果较接近,且小于立杆允许的荷载,承载力满足要求;应力值最大为50.8MPa,小于下立杆的容许应力;位移最大值为1.3mm,变形满足要求。有限元软件Midas/Gen截面验算计算得到的CA台模整体稳定系数最大值为0.281(<1),稳定性满足要求 ^[5,6]。

4 结语

　　通过对素万纳普新航站楼无梁楼板的工具式模架支撑体系进行理论计算和有限元分析,可知2种方法计算的承载力计算结果基本一致,虽然计算采用的标准不同,但承载力、变形值和整体稳定性都满足要求。理论计算和有限元分析为项目的安全顺利施工与完成提供了保障。同时,多种工具式组合支撑体系结合应用,在确保施工安全的情况下节约了成本,为类似海外实际工程的施工提供了参考。

参考文献[1] Code of practice for falsework:BS 5975∶1996[S]. London:British Standards Institution,1982.
[2] Guide to formwork for concrete:ACI 347-04[S]. USA:American Concrete Institute,2004.
[3] Building code requirement for structural concrete and commentary:ACI 318-11[S]. USA:American Concrete Institute,2014.
[4] AISC steel construction manual[S].14thedition. USA:American Institute of Steel Construction,2010.
[5] 中冶京诚工程技术有限公司.钢结构设计标准:GB 50017—2017[S].北京:中国建筑工业出版社,2018.
[6]沈阳建筑大学.建筑施工模板安全技术规范:JGJ 162—2008[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

Safety Analysis of Multiple Tool-typed Supporting Formwork System for Suvarnabhumi Airport

YAN Quanke FENG Rui SHEN Minghua LI Shangguang JIA Hongxue CAO Lei

(China Construction Eighth Engineering Division Co.,Ltd.)

Abstract: The main structure of the new terminal building of Suvarnabhumi Airport in Thailand is about1 070 m in length,the middle section is about 80 m in width,the narrowest part at both ends is 40 m in width,and the floor slab is post-tensioned prestressed flat slab. In view of the small scale of most formwork suppliers in Thailand and the actual characteristics of the project,multiple tool-typed support formwork systems are selected. Through theoretical calculation and finite element analysis,the bearing capacity and stability of the supporting system meet the requirements,which can ensure the safety of the construction process.

Keywords: formwork; terminal buildings; prestressed flat slab; supports; finite element analysis; construction scheme; safety

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