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摘要：介绍了混凝土施工模板结构体系的稳定分析以及安装控制要点。
关键词：混凝土施工；模板结构体系；稳定分析；加固支撑安装
Abstract: the article introduces the concrete construction of structural system of the template stability analysis and installation control points.
Key words: the concrete construction; Template structure system; Stability analysis; Strengthening support installation
中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：
混凝土结构是目前建筑结构的最主要形式，模板工程在建造这些结构构件时有着不可替代的作用。在土建工程中，普通结构的模板工程根据成本占到工程结构总成本20%左右，有些高净空大跨度工程的模板工程占到工程结构的近三分之一；模板坍塌造成的伤亡事故在建筑施工事故中也占很大份额。近年来，大跨度、高净空混凝土结构大量出现，模板及其支架的施工难度越来越大，成本及安全问题也受到越来越多的重视。
本文重点论述模板设计中的稳定分析和模板施工中的模板加固支撑安装。
一 模板稳定分析
随着城乡建设的高速发展,多高层建筑的数量与日俱增,跨度及层高较大的现浇混凝土应用十分普遍,如公共建筑中的超高门厅、共享空间和多功能厅等顶部楼盖大跨度混凝土梁板,还有交通工程中的各种大跨度连续梁桥、城市高架桥的混凝土墩台和箱梁等。在这些结构工程施工中,扣件式钢管支撑架是最常用的支撑体系。
1.1 高支撑架整体稳定分析原理
模板支撑体系是由立杆、水平杆、剪刀撑组成的一个整体。当其中一根杆件发生失稳,必然影响与之相连接的其它杆件。因此,杆件的稳定性不能就某一根杆件去孤立地分析,应当综合考虑杆件之间的相互约束作用。 这种约束作用必须对结构进行整体分析方可确定,这就是结构稳定的整体性问题。
高支撑架是由多根立杆和许多水平杆组成的庞大杆件体系,其中单根立杆的稳定性与整个体系的关系,存在以下三点定性的规律:
(1)与计算压杆直接相连接的杆件对计算杆的约束作用大,而相距越远的杆件约束作用越小。
(2)相连杆件约束作用的大小,取决于它的线刚度EI/和内力性质。从内力性质来说,由于杆件受压时弯曲刚度将减弱,杆件受拉时会使弯曲刚度增大,所以拉杆所起的约束作用比压杆要大许多;当内力性质相同时,线刚度大的约束作用大, 反之则小。
(3) 设计中稳定承载力未充分利用的立杆对失稳立杆存在约束作用。
分析上述基本规律可见,要准确分析某一立杆的稳定性是十分困难的。同时,排除水平杆和剪刀撑的作用也是不合理,但要准确确定其作用大小很难做到。 这就要寻求一个相对简化,同时又能较好反映各杆件共同作用的力学模型。
1.2 高支撑架整体稳定理论分析模型
在模板高支撑体系中,立杆为多点支撑的连续压杆,水平杆和剪刀撑的功能是为立杆提供侧向支撑,同时也有调节各立杆轴力的作用,使轴力较大、变形较大的立杆内力通过水平杆传递给周围立杆,避免过早屈曲,提高了支撑体系的整体稳定性。同时,由于各層水平杆与同一立杆相互传力状况并不一样,即使忽略节间的弯矩影响后,同一立杆各节间轴向压力的大小不等,其中必有一个节间受压最大。当荷载增加到一定程度时,压杆在该节间可能首先屈曲,并带动相连的水平杆或剪刀撑随同变形,这一现象显示出结构失稳的整体特征。整体作用的存在,立杆的屈曲临界力将大于两端铰接受压杆的临界力。根据立杆和水平杆整体受力的特点,可以通过简化的力学模型来模拟立杆的整体受力特点。 水平杆和剪刀撑对立杆的约束作用可以弹性支座来模拟。
1.3 多节间连续压杆的弹性屈曲分析
对于等跨等轴压等弹簧刚度的轴压杆,如图1所示的连续压杆承受轴力P,各节间轴力均为P。
图1 有多个弹性支座的多节间连续压杆
对这种屈曲杆长度范围内包括不少于三个支座的情况,可以用连续的弹性介质来代替多个弹性支座。设每个支座的弹簧刚度相等且为K,为支座的间距,则等效弹性介质的刚度(它表示当挠度为1单位时,杆每单位长度内的基础反力的大小)为
ω = K/ (1)
压杆屈曲挠度曲线用级数式来表示为
(2)
根据能量法可得临界荷载的表达式为
(3)
要使式(3)的值最小, 可取三角级数系数中任一项不为零其余系数均为零, 这表示立杆的挠度曲线为一简单的正弦曲线。 若取三角级数系数am 为不等于零的系数,可得挠度曲线为
(4)
对应临界荷载为
(5)
式中:m 为整数,代表立杆屈曲时形成的正弦半波的个数; P 的最小值由m 和其他参数共同决定。
1.4 模板高支撑体系有限元弹性屈曲分析
以上讨论了用有多个弹簧支座的多节间连续压杆模型来模拟扣件式钢管模板高支撑架整体受力特点,先用能量法进行求解分析,为了便于比较,再运用大型通用有限元程序ANSYS对该模型进行求解分析。
(1)建立模型。在ANSYS有限元模型中,用beam3 单元模拟钢管,beam3单元的材料属性和截面特性取与实际钢管相同。用combin14来模拟弹簧支座的作用,弹簧刚度的可以不同。
(2) 获得静力解。 该步骤与一般静力分析过程基本一致,但是需要激活预应力影响PSTRES,弹性屈曲分析需要计算应力刚度矩阵。 通过屈曲分析所计算出特征值代表屈曲荷载分数,荷载分数就代表了弹性屈曲荷载。
(3) 获得弹性屈曲解。
二 模板加固支撑安装
2.1 柱模板安装:
(1)按图纸尺寸制作柱模板后,按放线位置钉好压脚板(钢模板采用海棉胶条)，再安装柱模板, 两垂直方向加斜拉顶撑, 校正垂直度及柱顶对角线。
(2)安装柱箍: 柱箍应根据柱模尺寸、侧压力的大小等因素进行选择, 柱箍间距为500mm,并且要钉牢,对拉螺栓间距为500mm,以防胀模、漏浆、混凝土不密实, 或蜂窝麻面。
(3)成排柱模支撑时,应先立两端柱模,校直与复核位置无误后,顶部拉通长线, 再立中间柱模。
(4)四周斜撑要牢固,以防柱子偏斜,柱身扭曲。柱模每边设两根立杆, 立杆规格为60mm×90mm,固定于事先预埋的钢筋头上,用经纬仪控制,用花篮螺栓调节校正模板垂直度,拉杆与地面宜为45°,预埋钢筋与柱距宜为3/4柱高。
(5)在柱子的主筋上绑好砂浆垫块, 确保柱子的保护层厚度。
(6)为了保证柱子位置准确,防止柱子根部胀模, 在柱子根部主筋焊上与柱
等宽的12钢筋,间距为1m,从内部顶住模板。
(7)将柱模内清理干净,封闭清理口,办理预检,清扫口宜设在柱根部,且对边各留一个。
2.2 剪刀墙模板安装:
(1)按位置线安装门洞模板,下预埋件或木砖;
(2)把一面模板按位置线就位, 然后安装拉杆或斜撑, 安装塑料套管和穿墙螺栓, 螺栓为M12,间距为300mm×450mm,以保证剪力墙几何尺寸, 清扫墙内杂物, 再安装另一侧模板,调整斜撑,使模板垂直后(用经纬仪控制),拧紧穿墙螺栓。
(3)墙模板用木方作为竖肋, 双根4.8×3.5钢管作水平背楞。
(4)墙模板立缝、角缝宜设于木方和胶合板所形成的企口位置, 以防漏浆和错台,墙模板的水平缝背面应加木方拼接。
(5)防止墙根部漏浆, 造成烂根和模板无法拆除, 在墙模根部用砂浆抹寬、高不小于50mm的八字形。
(6)模板安装完毕后, 检查螺栓等是否紧固, 模板拼缝及下口是否严密。
(7)防止墙体混凝土厚度不一致, 墙体上口过大, 墙身放线应准确, 误差控制在允许偏差内, 模板就位要认真, 穿墙螺栓要齐, 并且拧紧, 墙模上口卡具要齐全,卡紧。
2.3 现浇板的模板安装:
(1)根据模板的排列图架设支柱和龙骨,支柱间距一般为800～1200mm, 大龙骨间距为600～1200mm,小龙骨间距为300～600mm;
(2)一层立支柱前应将地面夯实并垫通长脚手板, 支柱下不能用红砖垫, 应用木楔垫, 支柱应垂直, 上下层支柱应在同一竖向中心线上;
(3)支柱安装从边跨一侧开始, 依次逐排向另一侧进行, 同时拉通线调节支柱高度,将大龙骨找平,架设小龙骨;
(4)铺模板时可以从四周铺起, 在中间收口,板、梁和柱头交接处加粘海绵条, 防止漏浆;
(5)模板安装完后, 用水准仪测量模板标高, 进行校正, 并用靠尺找平;
(6)标高校完后, 支柱间应加水平拉杆。第一道拉杆离地面200～300mm, 往上纵横方向1600mm设一道;
(7)跨度大于或等于4m的板, 模板起拱高度为跨度的1/1000～3/1000, 固定在模板上的预埋件、预留洞口均不得遗漏, 不得在安装好的模板上打洞。
2.4 梁模板安装:
(1)梁下支柱支承在基土面上时, 应对基土整平夯实, 并加木垫板, 支柱间距一般为600～1000mm。支柱下不得用红砖垫, 应用木楔垫, 支柱之间应设剪刀撑和水平拉杆。
(2)按设计标高调整支柱的标高, 然后安装梁底模板, 并拉线找平; 梁跨度大于或等于4m时, 跨中梁底处应按梁跨度的1/1000～3/1000起拱,主次梁交接时先主梁起拱, 后次梁起拱。
(3)用三角支撑固定梁侧模板, 一般为边模包底模, 龙骨间距为750mm, 梁模板上口用卡子固定牢固,卡子间距为:当梁高超过600mm时,加穿墙螺栓加固, 间距不小于1m。
(4)安装后校正梁中线、标高、断面尺寸。
三 结束语
只有在模板设计中注意稳定分析以并严格进行加固支撑安装控制才能保证模板施工质量。
【参考文献】：
[1]《新型建筑模板实用技术》张良杰，张为增；中国建筑工业出版社
[2]《模板与脚手架工程现场施工处理方法与技巧》北京土木建筑学会;机械工业出版社
[3]《模板工程施工技术》 周海涛;山西科学技术出版社
关键词：混凝土施工；模板结构体系；稳定分析；加固支撑安装
Abstract: the article introduces the concrete construction of structural system of the template stability analysis and installation control points.
Key words: the concrete construction; Template structure system; Stability analysis; Strengthening support installation
中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：
混凝土结构是目前建筑结构的最主要形式，模板工程在建造这些结构构件时有着不可替代的作用。在土建工程中，普通结构的模板工程根据成本占到工程结构总成本20%左右，有些高净空大跨度工程的模板工程占到工程结构的近三分之一；模板坍塌造成的伤亡事故在建筑施工事故中也占很大份额。近年来，大跨度、高净空混凝土结构大量出现，模板及其支架的施工难度越来越大，成本及安全问题也受到越来越多的重视。
本文重点论述模板设计中的稳定分析和模板施工中的模板加固支撑安装。
一 模板稳定分析
随着城乡建设的高速发展,多高层建筑的数量与日俱增,跨度及层高较大的现浇混凝土应用十分普遍,如公共建筑中的超高门厅、共享空间和多功能厅等顶部楼盖大跨度混凝土梁板,还有交通工程中的各种大跨度连续梁桥、城市高架桥的混凝土墩台和箱梁等。在这些结构工程施工中,扣件式钢管支撑架是最常用的支撑体系。
1.1 高支撑架整体稳定分析原理
模板支撑体系是由立杆、水平杆、剪刀撑组成的一个整体。当其中一根杆件发生失稳,必然影响与之相连接的其它杆件。因此,杆件的稳定性不能就某一根杆件去孤立地分析,应当综合考虑杆件之间的相互约束作用。 这种约束作用必须对结构进行整体分析方可确定,这就是结构稳定的整体性问题。
高支撑架是由多根立杆和许多水平杆组成的庞大杆件体系,其中单根立杆的稳定性与整个体系的关系,存在以下三点定性的规律:
(1)与计算压杆直接相连接的杆件对计算杆的约束作用大,而相距越远的杆件约束作用越小。
(2)相连杆件约束作用的大小,取决于它的线刚度EI/和内力性质。从内力性质来说,由于杆件受压时弯曲刚度将减弱,杆件受拉时会使弯曲刚度增大,所以拉杆所起的约束作用比压杆要大许多;当内力性质相同时,线刚度大的约束作用大, 反之则小。
(3) 设计中稳定承载力未充分利用的立杆对失稳立杆存在约束作用。
分析上述基本规律可见,要准确分析某一立杆的稳定性是十分困难的。同时,排除水平杆和剪刀撑的作用也是不合理,但要准确确定其作用大小很难做到。 这就要寻求一个相对简化,同时又能较好反映各杆件共同作用的力学模型。
1.2 高支撑架整体稳定理论分析模型
在模板高支撑体系中,立杆为多点支撑的连续压杆,水平杆和剪刀撑的功能是为立杆提供侧向支撑,同时也有调节各立杆轴力的作用,使轴力较大、变形较大的立杆内力通过水平杆传递给周围立杆,避免过早屈曲,提高了支撑体系的整体稳定性。同时,由于各層水平杆与同一立杆相互传力状况并不一样,即使忽略节间的弯矩影响后,同一立杆各节间轴向压力的大小不等,其中必有一个节间受压最大。当荷载增加到一定程度时,压杆在该节间可能首先屈曲,并带动相连的水平杆或剪刀撑随同变形,这一现象显示出结构失稳的整体特征。整体作用的存在,立杆的屈曲临界力将大于两端铰接受压杆的临界力。根据立杆和水平杆整体受力的特点,可以通过简化的力学模型来模拟立杆的整体受力特点。 水平杆和剪刀撑对立杆的约束作用可以弹性支座来模拟。
1.3 多节间连续压杆的弹性屈曲分析
对于等跨等轴压等弹簧刚度的轴压杆,如图1所示的连续压杆承受轴力P,各节间轴力均为P。
图1 有多个弹性支座的多节间连续压杆
对这种屈曲杆长度范围内包括不少于三个支座的情况,可以用连续的弹性介质来代替多个弹性支座。设每个支座的弹簧刚度相等且为K,为支座的间距,则等效弹性介质的刚度(它表示当挠度为1单位时,杆每单位长度内的基础反力的大小)为
ω = K/ (1)
压杆屈曲挠度曲线用级数式来表示为
(2)
根据能量法可得临界荷载的表达式为
(3)
要使式(3)的值最小, 可取三角级数系数中任一项不为零其余系数均为零, 这表示立杆的挠度曲线为一简单的正弦曲线。 若取三角级数系数am 为不等于零的系数,可得挠度曲线为
(4)
对应临界荷载为
(5)
式中:m 为整数,代表立杆屈曲时形成的正弦半波的个数; P 的最小值由m 和其他参数共同决定。
1.4 模板高支撑体系有限元弹性屈曲分析
以上讨论了用有多个弹簧支座的多节间连续压杆模型来模拟扣件式钢管模板高支撑架整体受力特点,先用能量法进行求解分析,为了便于比较,再运用大型通用有限元程序ANSYS对该模型进行求解分析。
(1)建立模型。在ANSYS有限元模型中,用beam3 单元模拟钢管,beam3单元的材料属性和截面特性取与实际钢管相同。用combin14来模拟弹簧支座的作用,弹簧刚度的可以不同。
(2) 获得静力解。 该步骤与一般静力分析过程基本一致,但是需要激活预应力影响PSTRES,弹性屈曲分析需要计算应力刚度矩阵。 通过屈曲分析所计算出特征值代表屈曲荷载分数,荷载分数就代表了弹性屈曲荷载。
(3) 获得弹性屈曲解。
二 模板加固支撑安装
2.1 柱模板安装:
(1)按图纸尺寸制作柱模板后,按放线位置钉好压脚板(钢模板采用海棉胶条)，再安装柱模板, 两垂直方向加斜拉顶撑, 校正垂直度及柱顶对角线。
(2)安装柱箍: 柱箍应根据柱模尺寸、侧压力的大小等因素进行选择, 柱箍间距为500mm,并且要钉牢,对拉螺栓间距为500mm,以防胀模、漏浆、混凝土不密实, 或蜂窝麻面。
(3)成排柱模支撑时,应先立两端柱模,校直与复核位置无误后,顶部拉通长线, 再立中间柱模。
(4)四周斜撑要牢固,以防柱子偏斜,柱身扭曲。柱模每边设两根立杆, 立杆规格为60mm×90mm,固定于事先预埋的钢筋头上,用经纬仪控制,用花篮螺栓调节校正模板垂直度,拉杆与地面宜为45°,预埋钢筋与柱距宜为3/4柱高。
(5)在柱子的主筋上绑好砂浆垫块, 确保柱子的保护层厚度。
(6)为了保证柱子位置准确,防止柱子根部胀模, 在柱子根部主筋焊上与柱
等宽的12钢筋,间距为1m,从内部顶住模板。
(7)将柱模内清理干净,封闭清理口,办理预检,清扫口宜设在柱根部,且对边各留一个。
2.2 剪刀墙模板安装:
(1)按位置线安装门洞模板,下预埋件或木砖;
(2)把一面模板按位置线就位, 然后安装拉杆或斜撑, 安装塑料套管和穿墙螺栓, 螺栓为M12,间距为300mm×450mm,以保证剪力墙几何尺寸, 清扫墙内杂物, 再安装另一侧模板,调整斜撑,使模板垂直后(用经纬仪控制),拧紧穿墙螺栓。
(3)墙模板用木方作为竖肋, 双根4.8×3.5钢管作水平背楞。
(4)墙模板立缝、角缝宜设于木方和胶合板所形成的企口位置, 以防漏浆和错台,墙模板的水平缝背面应加木方拼接。
(5)防止墙根部漏浆, 造成烂根和模板无法拆除, 在墙模根部用砂浆抹寬、高不小于50mm的八字形。
(6)模板安装完毕后, 检查螺栓等是否紧固, 模板拼缝及下口是否严密。
(7)防止墙体混凝土厚度不一致, 墙体上口过大, 墙身放线应准确, 误差控制在允许偏差内, 模板就位要认真, 穿墙螺栓要齐, 并且拧紧, 墙模上口卡具要齐全,卡紧。
2.3 现浇板的模板安装:
(1)根据模板的排列图架设支柱和龙骨,支柱间距一般为800～1200mm, 大龙骨间距为600～1200mm,小龙骨间距为300～600mm;
(2)一层立支柱前应将地面夯实并垫通长脚手板, 支柱下不能用红砖垫, 应用木楔垫, 支柱应垂直, 上下层支柱应在同一竖向中心线上;
(3)支柱安装从边跨一侧开始, 依次逐排向另一侧进行, 同时拉通线调节支柱高度,将大龙骨找平,架设小龙骨;
(4)铺模板时可以从四周铺起, 在中间收口,板、梁和柱头交接处加粘海绵条, 防止漏浆;
(5)模板安装完后, 用水准仪测量模板标高, 进行校正, 并用靠尺找平;
(6)标高校完后, 支柱间应加水平拉杆。第一道拉杆离地面200～300mm, 往上纵横方向1600mm设一道;
(7)跨度大于或等于4m的板, 模板起拱高度为跨度的1/1000～3/1000, 固定在模板上的预埋件、预留洞口均不得遗漏, 不得在安装好的模板上打洞。
2.4 梁模板安装:
(1)梁下支柱支承在基土面上时, 应对基土整平夯实, 并加木垫板, 支柱间距一般为600～1000mm。支柱下不得用红砖垫, 应用木楔垫, 支柱之间应设剪刀撑和水平拉杆。
(2)按设计标高调整支柱的标高, 然后安装梁底模板, 并拉线找平; 梁跨度大于或等于4m时, 跨中梁底处应按梁跨度的1/1000～3/1000起拱,主次梁交接时先主梁起拱, 后次梁起拱。
(3)用三角支撑固定梁侧模板, 一般为边模包底模, 龙骨间距为750mm, 梁模板上口用卡子固定牢固,卡子间距为:当梁高超过600mm时,加穿墙螺栓加固, 间距不小于1m。
(4)安装后校正梁中线、标高、断面尺寸。
三 结束语
只有在模板设计中注意稳定分析以并严格进行加固支撑安装控制才能保证模板施工质量。
【参考文献】：
[1]《新型建筑模板实用技术》张良杰，张为增；中国建筑工业出版社
[2]《模板与脚手架工程现场施工处理方法与技巧》北京土木建筑学会;机械工业出版社
[3]《模板工程施工技术》 周海涛;山西科学技术出版社