曾宇宣

摘要：文章以建筑結(jié)構(gòu)施工期模板支撐體系為主要研究對象，系統(tǒng)地分析和總結(jié)了國內(nèi)建筑模板研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，并對模板支撐體系的扣件抗滑承載力和抗扭性能、穩(wěn)定承載能力、施工過程中的時(shí)變體系可靠性、人為錯(cuò)誤發(fā)生律和影響程度等一系列問題進(jìn)行了深入的研究和討論。

關(guān)鍵詞：建筑模板；結(jié)構(gòu)施工期；施工體系；模板支撐體系；三元有限元模型

中圖分類號：TU375

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-2374(2009)14-0158-02

建筑事故多發(fā)生在施工建造階段，其中模板支撐體系的坍塌是事故發(fā)生的主要原因之一，因此對建筑施工模板支撐體系的研究是一項(xiàng)迫切和重要的工作。模板支撐體系用來確?；炷两Y(jié)構(gòu)本身的質(zhì)量及強(qiáng)度的自然增長，承擔(dān)并傳遞早期混凝土結(jié)構(gòu)承受的荷載。如果模板支撐體系構(gòu)造不合理，強(qiáng)度或剛度不夠，會造成混凝土開裂或部分構(gòu)件破壞；若模板支撐體系的穩(wěn)定性差，則會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌事故的發(fā)生。因此。建筑施工模板支撐體系的可靠性是保證建筑安全的關(guān)鍵因素。

一、建筑施工體系

目前我國常用的建筑施工模板支撐體系為扣件式鋼管支撐模架。而近年來國外著重研究門式模板支撐體系，但門式模板支撐體系的失穩(wěn)模態(tài)與扣件式鋼管支模體系完全不同，很難在扣件式鋼管支模體系穩(wěn)定承載力研究中直接引入國外門架的研究成果。

(一)工期建筑結(jié)構(gòu)可靠性研究現(xiàn)狀

尋求結(jié)構(gòu)的安全適用性和最佳經(jīng)濟(jì)效益是結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工必須特別關(guān)注的問題，而結(jié)構(gòu)可靠度則是解決這一問題的最佳結(jié)合點(diǎn)。通常，結(jié)構(gòu)的安全性是由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性來得到的。因此，可靠性研究是結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。近年來國內(nèi)外在施工期建筑結(jié)構(gòu)可靠性方面進(jìn)行了研究。提出了一種遏制多、高層現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在施工過程中連續(xù)倒塌的可靠性分析方法，并考慮了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)狀況和施工操作步驟的影響。還有的計(jì)算出施工期鋼筋混凝土板柱結(jié)構(gòu)的失效概率，分析了施工周期、支模方式、混凝土施工工藝、混凝土強(qiáng)度、樓層總數(shù)對影響施工期多層混凝土結(jié)構(gòu)可靠性的影響，提出混凝土的澆筑質(zhì)量的影響比施工周期的影響更大。我國建筑學(xué)家從結(jié)構(gòu)形式的時(shí)間角度出發(fā)，提出了時(shí)變結(jié)構(gòu)的概念，圍繞高層建筑鋼筋混凝土板柱結(jié)構(gòu)形式，對時(shí)變結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析、施工期安全控制和人為因素對結(jié)構(gòu)安全的影響等問題進(jìn)行了系列研究。對模板支撐體系的設(shè)計(jì)而言，直接借鑒英國標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定。而我國對模板支架的構(gòu)造要求沒英國標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格，斜桿設(shè)置相對較少，因此不能直接借鑒英國標(biāo)準(zhǔn)，否則計(jì)算結(jié)果不能全確保模板支撐體系的安全。

(二)目前建筑施工模板支撐體系研究中存在的問題

1.扣件式鋼管模板支撐體系穩(wěn)定承載力的理論研究不夠透徹，系統(tǒng)性不強(qiáng)。

2.未對模板支撐架進(jìn)行系統(tǒng)可靠度分析。

3.未考慮灰色系統(tǒng)不確定性，對扣件式鋼管模板支撐體系進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)分析。

4.沒有考慮人為錯(cuò)誤對模板支撐體系可靠性的影響。

(三)建筑施工模板體系問題的研究、分析

建筑施工模板支撐體系的現(xiàn)場調(diào)查和扣件試驗(yàn)，針對模板支撐研究中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)嚴(yán)重不足的問題，通過施工現(xiàn)場問卷調(diào)查和數(shù)據(jù)實(shí)測，對影響模板支撐體系安全的因素作不確定性分析，確定各基本變量的概率模型，并對施工中的人為錯(cuò)誤進(jìn)行探討。

1.模板支撐體系的穩(wěn)定承載力研究在直角扣件抗扭剛度試驗(yàn)基礎(chǔ)上，考慮扣件連接的半剛性，建立扣件式鋼管支模架穩(wěn)定承載能力分析的三維有限元模型；采用非線性屈曲方法，計(jì)算不同搭設(shè)變量下的穩(wěn)定承載力，并表示為工程上常用的計(jì)算長度系數(shù)，分析初始缺陷、扣件半剛性、扣件螺栓擰緊扭力矩和搭設(shè)高度對穩(wěn)定承載力的影響。

2.施工期結(jié)構(gòu)體系可靠度研究考慮混凝土結(jié)構(gòu)和模板支撐體系的主要失效模式，分析施工期結(jié)構(gòu)體系時(shí)的可靠度，研究不同模板支撐方案、施工活荷載等因素對結(jié)構(gòu)體系可靠度的影響。

3.人為錯(cuò)誤對施工期結(jié)構(gòu)體系可靠度影響的研究根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研、試驗(yàn)研究和前人的文獻(xiàn)，確定混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件和模板支撐體系施工中人為錯(cuò)誤，并研究人為錯(cuò)誤對各結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響程度，建立施工過程中人為錯(cuò)誤發(fā)生及其影響的模擬模型，對人為錯(cuò)誤及其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，進(jìn)而求出可靠指標(biāo)。

(四)模板支撐體系安全綜合評估

為了與現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范的計(jì)算理論和方法在結(jié)構(gòu)可靠性理論得以實(shí)現(xiàn)，各種影響結(jié)構(gòu)安全的不確定因素可采取隨機(jī)變量或隨機(jī)過程來描述。包含在這些隨機(jī)變量中的不確定性可以分為兩類：

1.客觀不確定性?？陀^不確定性是指與基本變量有關(guān)的不確定性。包括材料力學(xué)性能的不確定性、構(gòu)件尺寸的不確定性以及制造誤差、建造不完善及焊接殘余應(yīng)力等引起的不確定性。這種不確定性可以通過實(shí)物或試樣的測定結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，找到它們的分布特性。

2.主觀不確定性。主觀不確定性是指對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析所作的假定環(huán)境條件及轉(zhuǎn)化為荷載的近似性、結(jié)構(gòu)分析方法、結(jié)構(gòu)模型化精確程度等引起的不確定性。在充分考慮這些不確定性因素的基礎(chǔ)上，一個(gè)結(jié)構(gòu)安全與否，用該結(jié)構(gòu)在規(guī)定服役期內(nèi)不發(fā)生破壞的概率來度量，這一概率就稱為結(jié)構(gòu)的可靠度。應(yīng)用結(jié)構(gòu)可靠性理論處理模板支撐體系的不確定性，克服了傳統(tǒng)的確定性方法的缺點(diǎn)，因而更符合客觀實(shí)際。而在模板支撐體系中應(yīng)用可靠度理論的前提是分析各基本變量的不確定性。主要方法有：(1)通過施工現(xiàn)場直接調(diào)查和問卷統(tǒng)計(jì)分析，確定了模板支撐體系施工過程中出現(xiàn)的人為錯(cuò)誤規(guī)律，為施工期結(jié)構(gòu)人為錯(cuò)誤的研究提供了必要的基礎(chǔ)；(2)通過施工現(xiàn)場的數(shù)據(jù)實(shí)測，分析了模板支撐體系不確定性，提出了結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)、搭設(shè)參數(shù)和不同部位扣件螺栓擰緊力矩概率模型，為模板支撐體系可靠性研究提供了必要的數(shù)據(jù)；(3)通過直角扣件抗扭剛度試驗(yàn)，建立了在不同螺栓擰緊扭力矩條件下直角扣件的抗扭剛度模型，驗(yàn)證了直角扣件抗扭剛度具有非線性特性；(4)通過直角扣件抗滑試驗(yàn)，分析了不同螺栓擰緊扭力矩對扣件抗滑承載力的影響，結(jié)果表明對于直角扣件的抗滑承載力而言，螺栓擰緊扭力矩取40N·m是經(jīng)濟(jì)合理的。采用線性屈曲和非線性屈曲分析方法計(jì)算支模架的穩(wěn)定承載力，結(jié)果表明線性屁曲所得的穩(wěn)定承載力要大于非線性穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果。

二、建筑支撐體系模板的分析結(jié)果

1.根據(jù)施工現(xiàn)場的調(diào)查研究，較系統(tǒng)地分析和總結(jié)了模板支撐體系施工過程中人為錯(cuò)誤規(guī)律。通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)實(shí)測、試驗(yàn)研究和統(tǒng)計(jì)分析，建立了鋼管外徑和壁厚、不同位扣件螺栓擰緊扭力矩、搭設(shè)步距和立桿間距等參數(shù)的概率模型，減少了各種人為錯(cuò)誤的發(fā)生率，確定了對不同扣件螺栓擰緊扭力矩情況下，扣件的抗滑承載力的統(tǒng)計(jì)模型和抗扭剛度模型。

2.基于扣件抗扭性能的試驗(yàn)研究成果，考慮扣件半剛性的三維有限元模型。利用該模型進(jìn)行線性屈曲和非線性屈曲分析，計(jì)算結(jié)果表明非線性屈曲的分析方法能考慮諸多不利因素應(yīng)優(yōu)先采用，具有一定的安全度。因而采非線性屈曲分析方法，

計(jì)算不同搭設(shè)參數(shù)下模板支撐體系的穩(wěn)定承載力。為于施工人員查詢，將模板支撐體系的穩(wěn)定承載力轉(zhuǎn)換為單桿的計(jì)算長度系數(shù)。分析了同初始缺陷、扣件半剛性、扣件擰緊力矩和搭設(shè)高度對支模架穩(wěn)定承載力的影響。

3.以高層現(xiàn)澆鋼筋混凝土無梁樓蓋結(jié)構(gòu)為對象，進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和模板支撐體系相結(jié)合施工期結(jié)構(gòu)的時(shí)變可靠性分析。結(jié)果表明施工期結(jié)構(gòu)的失效概率遠(yuǎn)大于使用期間；模板支撐體系的失效主要受模板底部水平桿與立桿連接處的扣件抗滑承載力控制。

4.大量建筑工程事故表明人為錯(cuò)誤是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效的主要原因之一。在實(shí)際數(shù)據(jù)較少的條件下，通過現(xiàn)場調(diào)查、試驗(yàn)研究和相關(guān)文獻(xiàn)，本文采用了HRA法模擬了混凝土結(jié)構(gòu)和模板支撐體系在施工過程中人為錯(cuò)誤發(fā)生及其對結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。

5.采用蒙特卡羅數(shù)值模擬方法進(jìn)行系統(tǒng)可靠性的計(jì)算和人為錯(cuò)誤發(fā)生及其對結(jié)構(gòu)參數(shù)影響的模擬。為確定人為錯(cuò)誤的影響程度，比較分析了無人為錯(cuò)誤和有人為錯(cuò)誤影響下施工期結(jié)構(gòu)體系的可靠性，并且確定了多層建筑結(jié)構(gòu)模板支撐體系施工過程中的檢查重點(diǎn)和控制內(nèi)容。

6.基于LS-SvM的結(jié)構(gòu)可靠度響應(yīng)面分析方法，可以用來求解功能函數(shù)不能明確表達(dá)的可靠性問題。逼近結(jié)構(gòu)響應(yīng)量與隨機(jī)變量的關(guān)系，可以大量減少傳統(tǒng)響應(yīng)面可靠性分析方法的計(jì)算次數(shù)和計(jì)算時(shí)間，可直接使用現(xiàn)有的確定性結(jié)構(gòu)分析程序而無需任何改動；數(shù)值結(jié)果表明所提出的方法具有較好的效率和精度，且具有一定的廣泛性和實(shí)用性。

三、建筑施工模板支撐體系的完善措施

建筑施工模板支撐體系可靠性研究還有許多不完善不成熟的方面，還得從以下幾個(gè)問題中進(jìn)一步完善：

1.開展施工期荷載的調(diào)查和統(tǒng)計(jì)工作。施工期荷載的調(diào)查與統(tǒng)計(jì)是模板支撐體系可靠性分析與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)與前提。而目前模板支撐體系可靠性分析中都采用了依賴于工程經(jīng)驗(yàn)和判斷施工期荷載的統(tǒng)計(jì)分布，其合理性需要在施工期荷載調(diào)查和統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上加以驗(yàn)證。

2.模板支撐體系風(fēng)險(xiǎn)評估研究，考慮各種失效模式發(fā)生的概率，分析評估中的不確定性問題，收集模板支撐體系失效損失數(shù)據(jù)，依據(jù)各種安全目標(biāo)的需要，確定安全經(jīng)濟(jì)的模板支撐方案。

3.收集模板支撐施工過程中人為錯(cuò)誤檢查數(shù)據(jù)，考慮檢查過程對施工期結(jié)構(gòu)可靠性的影響，控制和消除人為錯(cuò)誤的影響，確定合理的施工檢查方案提供科學(xué)依據(jù)。

4.建立以極限狀態(tài)設(shè)計(jì)理論為依據(jù)的施工期模板支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。為了與現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范的計(jì)算理論和方法銜接，以便可以利用相應(yīng)的計(jì)算方法和有關(guān)適合的數(shù)據(jù)，所以現(xiàn)行腳手架標(biāo)準(zhǔn)中計(jì)算方法穿上概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的“外衣”。但是實(shí)際上仍是半理論和半經(jīng)驗(yàn)的，有待于繼續(xù)積累數(shù)據(jù)、向真正的概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法過渡。

總之，利用施工現(xiàn)場調(diào)研統(tǒng)計(jì)資料，研究和討論了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和模板支撐體系在施工過程中的抗力和荷載的概率模型。針對施工期鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的主要失效模式，計(jì)算了施工期鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的體系可靠度。為建筑業(yè)模板的安全性提供了可靠的切實(shí)可行的保障。