大截面轉換梁的模板支撐體系受力分析研究

中鐵上海工程局集團建筑工程有限公司 上海 200431

1 工程概況

成都某高層住宅樓工程總建筑面積83 000 m2，由1#、2#主樓及裙房組成。主樓地下3層，地上31層，總高110.8 m。主樓地下及首層均為框架結構的停車庫及商鋪；2層及以上為剪力墻結構住宅。在2種結構變化部位（1層頂板，即1#樓+6.5 m、2#樓+6.0 m標高處）設計成結構轉換層，均為梁式轉換層，轉換梁截面高度為2 000 mm，梁寬1 500～2 100 mm不等，板厚180 mm，1#樓轉換層三維模型如圖1所示（為了便于透視，圖中未顯示樓板）。

圖1 1#樓轉換層結構三維模型示意

2 施工重難點

1）本工程轉換梁斷面達2 100 mm×2 000 mm，混凝土自重荷載標準值達105 kN/m，施工荷載巨大。轉換層標高6.6～6.05 m，支撐體系的搭設高度也較高。

2）本工程結構轉換層位于首層頂板，下面為地下3層，在確保上部轉換層結構支撐系統(tǒng)滿足施工要求的前提下，還要確保承受支撐系統(tǒng)的地下室結構安全。

3 轉換梁模板支撐體系設計

以2 100 mm×2 000 mm轉換梁為例（下同），模板采用厚15 mm木膠合板，梁下沿梁縱向布置100 mm×100 mm的木方次楞，間距不大于150 mm，次楞鋪于2φ48 mm×3.0 mm雙鋼管主楞上，雙鋼管主楞間距為400 mm，主楞支撐于U托上，U托下分別設6根φ48 mm×3.0 mm鋼管承重立桿，立桿沿梁跨度方向間距為500 mm，水平桿步距1.50 m；地下結構按轉換梁下支撐體系搭設，將荷載傳至地下室筏板[1-4]（圖2）。

圖2 轉換梁模板支撐架體剖面示意

4 轉換梁模板支撐系統(tǒng)數(shù)值模擬計算

4.1 計算模型的選取

依據(jù)支撐體系實際搭設情況，采用φ48 mm×3.0 mm鋼管支架，模型x方向、y方向鋼管立桿間距按現(xiàn)場實際測量得出，如圖3所示。由于現(xiàn)場實際搭設中存在著誤差，因此測量所得各立桿間距不完全一致。模型選取監(jiān)測點（即圖中大圓點）所在位置x、y方向網(wǎng)格間距建模，z方向網(wǎng)格間距為1.5 m。

圖3 轉換梁下支撐實測平面尺寸示意

4.2 有限元模型的建立

根據(jù)架體搭設方案，建立2 100 mm×2 000 mm轉換梁下高支模系統(tǒng)模型，模型選取轉換梁寬度范圍下方的模板支撐，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，模型x方向的邊界上各點均受到周圍架體的拉結約束，即平面外約束；地面對立桿底部的三向也設約束。

4.3 有限元分析結果

混凝土澆筑時的Mises應力圖和z方向的位移圖分別如圖4、圖5所示。

圖4 支撐系統(tǒng)Mises應力圖（單位：kPa）

1）根據(jù)有限元分析結果，梁底立桿的Mises應力值最大為29.54 MPa，梁底水平桿的Mises應力值最大為13.13 MPa；x、y、z方向的位移均較小。

圖5 支撐系統(tǒng)z向位移圖（單位：m）

2）上述2個模型的受力和變形情況均良好，對主體結構的安全不構成影響，并且模型各項參數(shù)的取值均偏安全，轉換梁支撐架體的穩(wěn)定性能夠保證。

5 現(xiàn)場實測分析

5.1 監(jiān)測點選擇

選擇截面尺寸2 100 mm×2 000 mm轉換梁和 200 mm×2 000 mm轉換梁以及下部的模板支撐體系、轉換梁正下方負一層的支撐架體作為監(jiān)測范圍，實時監(jiān)測架體在結構施工過程中的應力變化。采用振弦式應變計通過頻率儀和選點箱將傳感器采集到的頻率傳輸?shù)诫娔X中（圖6）。

圖6 2 100 mm×2 000 mm轉換梁模板支撐系統(tǒng)傳感器位置示意

5.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

1）混凝土澆筑過程中支撐系統(tǒng)立桿與水平桿的應力變化如圖7、圖8所示。

圖7 混凝土澆筑時立桿應力變化曲線

2）混凝土澆筑完成28 d內(nèi)支撐系統(tǒng)立桿和水平桿的應力變化如圖9、圖10所示。

3）結果分析：

（1）在混凝土澆筑過程中及澆筑完成28 d內(nèi)，梁下支撐立桿始終承受壓應力，且上端壓應力大于下端。立桿上端（2#）的最大壓應力值達55.80 MPa；混凝土分3層澆筑，每次澆筑梁高的1/3后間歇45 min澆筑第2、3層。澆筑第2層時，立桿壓力突增，上端壓應力增幅明顯大于下端，最大增幅達15.99 MPa；澆筑第3層混凝土時，架體立桿應力無明顯變化；隨著時間的增加，架體立桿所受壓力反而逐漸減小，在澆筑完12 d后，立桿應力基本無變化；總體來看，立桿在各步距內(nèi)壓應力逐步減小。

圖8 混凝土澆筑時水平桿應力變化曲線

圖10 混凝土澆筑完成28 d內(nèi)水平桿應力變化曲線

（2）在混凝土澆筑過程中及澆筑后28 d內(nèi)，橫向水平桿的拉壓受力并不相同，1#水平桿最大拉應力值達38.11 MPa，7#水平桿最大壓應力值為2.20 MPa；澆筑轉換梁第2層混凝土時，上部水平桿（1#）的拉應力突增，最大增幅達11.24 MPa，下部水平桿（5#和7#）的受力狀態(tài)發(fā)生改變，剪刀撐也具有相同的監(jiān)測結果。這與混凝土澆筑順序和澆筑方向有關，說明縱橫向水平桿及剪刀撐對架體水平方向穩(wěn)定起到了至關重要的作用；隨著混凝土的不斷凝結硬化，澆筑第3層轉換梁混凝土時，架體水平桿及剪刀撐受力平穩(wěn)且無較大變化；混凝土澆筑完12 d后，水平桿及剪刀撐應力基本無變化。

（3）在混凝土澆筑過程中，模板支撐系統(tǒng)中的水平桿承受了較大荷載；上部水平桿的應力最大值為27.11 MPa，應力平均值為22.40 MPa；中部水平桿應力最大值為15.95 MPa，應力平均值為12.43 MPa；掃地桿應力最大值為7.18 MPa，應力平均值為5.74 MPa；水平桿承擔荷載自上而下也是逐步減小的。

（4）實測分析表明，模板支撐體系中，立桿壓應力自上而下是逐步減小的，這與我們傳統(tǒng)平面計算分析認為的立桿應力自上而下應是恒定或逐步增加的（架體自重引起）結論是截然相反的；同時，水平桿及剪刀撐的應力自上而下也是逐步減小的，且水平桿、剪刀撐澆筑期間應力很大，這與我們傳統(tǒng)平面計算分析時，認為水平桿和剪刀撐假定不受力而僅屬構造性措施的觀點也是不同的。原因是立桿的荷載經(jīng)水平桿和剪刀撐層層分解后，導致了立桿壓應力自上而下逐步減小。水平桿的拉應力主要來自以下3個方面[5-8]：一是澆筑混凝土時產(chǎn)生的水平推力；二是風荷載；三是由于澆筑順序是由梁一端向另一端，加載過程并不均勻（即使采用分層、對稱的順序），導致先加載的區(qū)域鋼管支撐系統(tǒng)出現(xiàn)壓縮變形，而剪刀撐和水平桿起到了調(diào)節(jié)先后加載區(qū)域變形差值的作用，從而產(chǎn)生了較大的拉應力。

6 結語

1）模板支撐體系跨中區(qū)域立桿和上部區(qū)域的水平桿受力最大，必要時可采用雙立桿、雙水平桿。

2）模板支撐體系水平桿沿立桿高度方向上部區(qū)域的步距宜適當加密，下部區(qū)域步距可適當加大，以充分發(fā)揮水平桿的作用，減小上部立桿計算高度，以適應上部立桿承受較大荷載的需求。

3）剪刀撐作為重要的構造措施，具有加強架體整體性、調(diào)節(jié)立桿不均勻沉降、分解傳遞不均勻荷載等重要作用，在模板支撐體系中具有重要作用。

4）大截面轉換梁及類似混凝土結構的混凝土澆筑宜采用對稱、分層澆筑，以防產(chǎn)生過大的水平推力以及架體的不均勻沉降導致水平桿拉力過大而引起水平失穩(wěn)。

5）混凝土澆筑宜先澆筑豎向構件，待豎向構件達到一定強度時再澆筑水平構件，使豎向構件成為支撐系統(tǒng)的一部分，以提高整體穩(wěn)定性。