建筑高处大悬挑结构模板支撑架施工技术

倪张江

温州城建集团股份有限公司 浙江 温州 325000

高处大悬挑结构的建设属于高空作业[1-2]，且结构设计复杂，存在严重的安全问题。为此，研究高处大悬挑结构的模板支撑架施工技术具有极其重要的意义。目前，国内外研究的建筑高处大悬挑结构模板支撑架，分悬挑支模架、悬挑型钢平台和钢管脚手架组合成悬挑支模架这2种模板。前一种模板支撑架的支撑模式多为钢管扣件式，对于这种模式的模板支撑架研究成果非常多，国外学者采用二维和三维模型，计算模板支撑架刚度，得出模板支撑架动力特性，国内学者采用ANSYS模拟模板支撑架承载力，确定模板支撑架整体稳定性；后一种形成结构复杂的钢平台，采用碗扣式支撑体系支撑高处大悬挑结构，这也是国内主要研究的支撑模板[3-4]。但是，上述研究的2种模板支撑模式，分别存在适用性窄、稳定性差、老旧率高、受尺寸限制、成本高、易损坏等问题。

1 研究建筑高处大悬挑结构模板支撑架施工技术

设计大悬挑结构模板支撑架施工技术，需要考虑模板支撑架可以承受的大悬挑结构的压力，避免模板支撑架在支撑大悬挑结构过程中，出现模板支撑架稳定性差、支撑架弯曲等现象[5-6]，影响施工人员的安全。所以，此次设计的大悬挑结构模板支撑架施工技术将从模板支撑架梁柱节点半刚性、支撑架荷载、稳定性等方面，确定模板支撑架施工技术参数，完成建筑高处大悬挑结构模板支撑架施工技术设计。

1.1 计算模板支撑架施工参数

1）模板支撑架梁柱节点半刚性。当前，设计能够承受巨大悬挑结构力的模板支撑架，最佳的材料框架是钢架[7-9]。但是在模板支撑架中，所使用的钢框架，其半刚性也存在一定的差异，为此，需要计算模板支撑架梁柱节点的半刚性。

支撑模板梁柱节点半刚性，采用数学方式可以将其表达为弯矩和转角之间的关系[10-12]。所以，采用弯矩-转角线性模型（图1），表示支撑模板梁柱节点半刚性计算模型。

图1中，Rk1表示初始刚度；M表示弯矩；θ表示转角；k表示标准化参数。根据图1所示的弯矩-转角线性模型，采用多项式方式，得到支撑模板梁柱节点半刚性为：

图1 弯矩-转角线性模型

式中：C1、C2、C3——曲线拟合参数。

根据式（1）可得到模板支撑架梁柱节点半刚性参数。

2）模板支撑架荷载。模板支撑架的荷载来自大悬挑结构对模板支撑架结构造成的压力、自身结构、材料、风，以及施工人员在施工过程中产生的施工质量[13]。所以将模板支撑架的荷载分为静荷载、欧拉荷载和风荷载3种。

其中，静荷载通过荷载测量仪即可得到，即模板支撑架自重产生的轴向力及大悬挑结构产生的轴向力。假设基本风压为w0，风荷载高度变化系数为U1，风荷载体型系数为U2，则风荷载标准值w为：

欧拉荷载也叫临界荷载，表示模板支撑架可以承受的最大荷载。所以，假设模板支撑架杆材料杨氏模量为E，模板支撑架压杆横截面惯性矩为I，压杆抗弯刚度为EI，则欧拉荷载P的表达式为：

式中：l——压杆的长度；

π ——模板支撑架压杆在空间内的多自由度[14]。

3）模板支撑架稳定承载力。基于式（2）和式（3）得到的风荷载值和欧拉荷载值以及测量得到的静荷载值，需要分别计算模板支撑架的组合荷载和不组合荷载这两部分。所以，设模板支撑架静荷载标准值为N1，则模板支撑架不组合荷载N轴向力计算公式为：

式中：H——模板支撑架搭设高度。

假设与墙相连接的模板支撑架的竖向间距为H1，则模板支撑架组合风荷载的轴向力计算公式为：

式中：b——承载力。

综合式（4）和式（5），即可确定模板支撑架稳定性，其计算公式为：

式中：Nd——模板支撑架稳定承载力设计值，kN[15]。

根据式（6）确定承载力设计值Nd。假设模板支撑架的稳定系数为φ，模板支撑架杆的换算截面回转半径为i，模板支撑架的高度为h，模板支撑架杆的横截面积为A1，杆的换算截面惯性矩为I，模板支撑架钢材的强度为f，杆的横截面积为A，则模板支撑架的稳定承载力计算公式为：

根据式（7）可计算出模板支撑架所能支撑的最大力。

综合式（1）～式（7），即可计算出模板支撑架施工技术参数，此时，需要根据上述公式计算出的施工技术参数，设计模板支撑架，支撑大悬挑结构。

1.2 支撑建筑高处大悬挑结构

基于上述7个公式计算的大悬挑结构模板支撑架施工技术参数，支撑建筑高处大悬挑结构。图2所示的模板支撑架施工流程，需要从水平和垂直这2个方向搭设模板支撑架。

图2 模板支撑架施工流程

模板支撑架施工流程分为垂直和水平这2个方向。

垂直方向主要包含以下事项：

1）模板支撑架的支撑杆，均应设置交叉支撑，并将所有的交叉点采用锁销锁牢。

2）交叉支撑和模板铺设这2个过程应同时进行。

3）所有连接锁销位置必须设置连接棒和锁臂，且连接棒直径需要小于支撑杆内径1～2 mm。

4）模板支撑架内，支撑杆的自由度必须小于4 m。

5）随着模板支撑架高度的增加，应逐层改变模板搭设方向。

6）校验模板支撑架的水平度和垂直度。

水平方向主要包含以下事项：

1）模板支撑架水平方向的搭设与垂直方向同步进行。

2）模板支撑架的转角处、端部及间断处，一个跨范围内，都需要一步一铺设水平架。

3）每一层都需要连续设置水平架。

4）模板需与配件U形销、搭钩处于插紧和锁住状态。

5）支撑架转角处之间的距离不足一个跨距时，需要增设连墙件，搭设过程中，需采用钢管和扣件。

综合上述内容，即完成模板支撑架施工技术设计，且设计的模板支撑架与建筑高处的大悬挑结构相符合，避免了支撑不稳定、安全裕度低等问题，可以满足建筑高处大悬挑结构对模板支撑架的需求。

2 试验论证分析

此次试验采用对比试验的方式进行案例分析，验证此次的建筑高处大悬挑结构模板支撑架施工技术。选择某城市已经竣工的建筑工程所记录的大悬挑结构施工数据，作为此次试验的研究对象。同时，将此次研究的建筑高处大悬挑结构模板支撑架施工技术记为试验A组，文献里提到的2种建筑高处大悬挑结构模板支撑架施工技术，分别记为试验B组和试验C组。确定检测点和检测时间，对比3组技术位移、应力和内力变化。

2.1 试验准备

此次试验选择某城市已经竣工的建筑工程，其建筑设计概况如下：地上建筑面积为160 268.49 m2，共建房屋15层，每层的绝对高程为4.15 m，女儿墙高度为0.6 m；地下建筑面积为29 110.775 m2，地下建筑层数1层，其室内外高度差为0.3 m。基于上述的建筑设计概况，该建筑在6楼至15楼之间需要设计镂空建筑，搭建高处大悬挑结构，其镂空高度为80 m、长度为15.6 m、进深为11.3 m。

上述所需要搭建的高处大悬挑结构要在16楼合拢，其标高为99.6 m、净长为14.9 m、净宽为9.7 m。在上述所示的16楼合拢层数据基础上，搭建高处大悬挑结构，还需要考虑楼层楼板厚度和房梁数目。

此次试验时，将每层的楼板厚度设定为0.12 m，高处大悬挑结构梁柱的横跨设计，将其分为横向1～6，6个轴，5跨，跨度分别为3 100、8 600、8 600、8 600、8 600 mm；纵向A～D，4个轴，3跨，跨度分别为9 000、9 200、9 000 mm。建筑的梁柱设计参数如表1所示。

表1 建筑的梁柱设计参数

基于上述设置的试验参数，此次试验选择的3组建筑高处大悬挑结构模板支撑架施工技术，分别在上述建筑工程中支撑高处大悬挑结构。在支撑的过程中，需要检测支撑架施工技术。在支撑架施工时，位移、应力、杆内力等会产生变化，从而验证此次研究的建筑高处大悬挑结构模板支撑架施工技术。为此需要采用静态应变扫描仪、位移计和点静态应变仪这3种仪器，分别测量这3种技术设计的模板支撑架在大悬挑结构作用下所产生的位移、应力和杆内力变化。同时，采用笔记本电脑，实时检测模板支撑架变化情况，提取试验对比结果。此次试验，选择的试验设备型号参数，如表2所示。

表2 试验设备型号参数

基于表2所示的试验设备，需要的试验材料有电阻应变片、测量导线、环氧树脂、剪刀和万用表。

基于此次试验设置的试验对象参数、试验设备，对比验证此次建筑高处大悬挑结构模板支撑架施工技术支撑大悬挑结构的效果。

2.2 模板支撑架位移变化对比

在模板支撑架搭设过程中，采用测量模板支撑架位移数据的方式测量模板支撑架位移变化，即随着大悬挑结构给予模板支撑架荷载的变化对模板支撑架位移造成的变化。本次试验，在模板支撑架上设置了5个位移保护测量点，其中4个测量点位于8层预应力主梁支承的楼板跨，1个测量点位于有支撑的下层楼板。

为此，根据搭建大悬挑结构进度，多次测量模板支撑架位移变化，测量时间分别为大悬挑结构进度的1/3、1/2和完成这3个时间段。此次对比模板支撑架位移变化，主要对比的是支撑架挠度位移，目的是保证支撑架的安全性，其对比结果，如表3所示。

从表3可以看出，试验C组的模板支撑架在大悬挑结构的压力作用下，产生了较大的挠度位移变化；试验B组的模板支撑架在大悬挑结构的压力作用下，产生的挠度位移变化虽然小于试验C组，但是位移最大，依然达到了2 mm；只有试验A组的模板支撑架在大悬挑结构的压力作用下，产生的挠度位移小于2 mm。

表3 支撑架挠度位移对比单位：mm

由此可见，此次研究的建筑高处大悬挑结构模板支撑架施工技术，在支撑大悬挑结构时，不会发生明显位移变化，安全裕度较高。

2.3 模板支撑架应力对比

采用第1组试验布置位移测量点的方法，布置7个应力测量点，其应力测量时间与第1组试验相同。

此次对比模板支撑架应力，是检测模板支撑架承受大悬挑结构压力的情况，掌握施工荷载的分布状况，确定模板支撑架的稳定性，其对比结果如表4所示。

表4 模板支撑架应力对比单位：MPa

从表4可以看出，试验B组的模板支撑架在大悬挑结构的压力作用下，产生的应力变化最大，比试验A组累计应力值高了26～305 MPa，模板支撑架承受的施工荷载不均匀，承受力不稳定；试验C组的模板支撑架在大悬挑结构的压力作用下，产生的应力变化虽然高于试验B组，但是较试验A组累计应力值高了21～151 MPa，同样存在承受施工荷载不均匀，承受力不稳定的问题；而试验A组的模板支撑架在大悬挑结构的压力作用下，却未曾产生极为明显的应力变化。由此可见，此次研究的建筑高处大悬挑结构模板支撑架施工技术支撑大悬挑结构，不会出现明显的应力变化，具有较高的稳定性。

2.4 模板支撑架杆内力变化对比

基于第1组和第2组试验，进行第3组试验。采用第1组的试验方式，在模板支撑架杆上安装检测点，检测杆内力变化情况。对比3组技术对悬挑结构荷载的承受能力。将模板支撑架杆内力变化的时间分为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5 h几个时间段，分别测量3组技术的杆内力变化，并将0～0.5 h定为第1个试验阶段、0.5～2.5 h定为第2个试验阶段、2.5～4.5 h定为第3个试验阶段。试验结果直接通过笔记本电脑提取，如图3所示。

图3 模板支撑架杆内力变化对比

从图3可看出，试验C组的模板支撑架在大悬挑结构的压力作用下，产生的杆内力变化最大，在2.5 h处存在最大杆内力，较试验A组大了7.3 kN，会导致模板支撑架杆出现弯曲现象，影响支撑架稳定性；试验B组的模板支撑架在大悬挑结构的压力作用下，产生的杆内力变化虽较试验C组大，但在最大杆内力2.5 h处比试验A组大了5.2 kN，也会出现模板支撑架杆弯曲现象，影响支撑架稳定性；而试验A组的模板支撑架在大悬挑结构的压力作用下，却并未产生明显的杆内力变化。由此可见，此次研究的建筑高处大悬挑结构模板支撑架施工技术支撑大悬挑结构，不会出现较明显的模板支撑架杆内力变化，具有较高的支撑性能。

综上可知，该支撑技术的位移、应力、杆内力等变化都不明显，具有较高的安全裕度、稳定性和支撑性能。

3 结语

此次模板支撑架施工技术充分考虑大悬挑结构对模板支撑架施加的力，根据大悬挑结构设计相适应的模板支撑架，提高了稳定性和安全性。但是，此次研究的模板支撑架施工技术未曾考虑建筑整体对模板支撑架施加的力。因此在今后的研究中，还需深入研究建筑本身对模板支撑架施加的力，进一步提高模板施工技术的稳定性和安全性。