中央歌剧院SRC梁浇筑过程中高大模板支架承担荷载比例研究
0 引言
浇筑期是高大模板支架最危险时期, 绝大部分坍塌事故均发生在这一时期
中央歌剧院剧场工程 (见图1) 在主舞台上方共设置4道台口梁, 为SRC梁, 跨度19.5m, 截面尺寸900mm×2 950mm, 型钢骨架截面尺寸为H2 550mm×400mm×40mm×40mm, 模板支架高度为13.2～14.2m;在主舞台顶部设有2道屋面梁, 同样为SRC梁, 跨度22.8m, 截面尺寸800mm×1 800mm, 型钢骨架截面尺寸为H1 400mm×400mm×20mm×35mm, 模板支架高度达33.43m。上述模板支架采用盘扣式模板支架搭设, 不但荷载大, 而且模板支架的高度远远>8.0m, 属于危险性较大的高大模板支架
图1 中央歌剧院剧场效果Fig.1 Architectural effect of Central Opera Theater
笔者曾对支撑中央歌剧院北侧台口SRC梁的模板支架和支撑南侧台口SRC梁的模板支架进行浇筑期的施工监测, 均出现“在浇筑过程中, 支撑SRC梁的高大模板支架立杆受力明显小于理论计算值”的现象
王安君等
本文以中央歌剧院北侧屋面SRC梁 (以下简称屋面梁) 和其模板支架 (见图2) 为研究对象
1 测试方法
1.1 测点布置
布置5个应变测点和2个位移测点。其中, 3个应变测点布置在中部3个支架立杆的上部, 每个测点对称布置1对传感器;另外2个应变测点对称布置在中部型钢的上翼缘, 各由1个传感器组成;由于现场条件所限, 无法沿垂直梁轴线方向和竖直方向布置位移测点, 2个位移测点均为水平位移测点, 沿梁轴线方向布置。所有测点的位置如图3所示。
图2 屋面SRC梁模板支架立面布置Fig.2 Elevation layout of the roof SRC beam falsework
图3 屋面梁测点布置Fig.3 Layout of measuring points on the roof beam
使用振弦式传感器进行应变测量, 通过焊接的方式与被测物体连接, 使用位移计进行支架水平位移测量。
1.2 测试方法
屋面梁浇筑期应变测点的采样频率设定为30s1次, 采样“0”时刻定为浇筑开始前5s左右。分别采用扬州晶明振弦式传感器和静力采集仪采集和读取应变数据, 采用协力2101B2静态应变仪读取位移数据。采样结束时刻为混凝土浇筑完毕、施工人员撤离后的时刻。
2 测试结果
由于场地条件限制, 屋面梁采用料斗由西向东进行浇筑。浇筑开始时间为2018年1月28日2:00, 结束时间为28日15:30, 持续13.5h, 共采集型钢及支架应变约1 600次。在此期间, 除测点4处的传感器出现异常、无法工作外, 其余测点均能正常工作。
2.1 数据处理方法
立杆的应变εv按下式计算:
式中:εv1, εv2为通过1对传感器测得的2个应变值。
立杆的应力Sv按下式计算:
式中:Es为钢材的弹性模量。
立杆的轴力Pv按下式计算:
式中:Av为立杆的截面面积。
型钢的应力Ss按下式计算:
2.2 应变测试结果
有效测点的应变时程如图4所示。
图4 测点的应变时程Fig.4 Strain histories of measuring points
2.3 位移测试结果
模板支架位移由位移计进行测量, 位移时程如图5所示, 由西向东为正方向。
2.4 测试数据分析
通过分析测量结果可知: (1) 浇筑过程中模板支架立杆的水平位移不大, 最大值约为1.1mm, 模板支架变形正常; (2) 在浇筑屋面梁时, 立杆顶部所受荷载随着混凝土的浇筑逐步加大, 呈阶梯状, 浇筑结束时测点的立杆轴向压应变在24～45με, 各有效测点的应变、应力及轴力如表1所示; (3) 测试结果与按承载面积法计算结果的对比分析如表2所示, 由表2可知, 各测点所在支架立杆承担的混凝土荷载比例在28%～39%; (4) 型钢上翼缘测点5处的压应变达到64με, 相应的压应力为13.2MPa, 说明型钢在浇筑过程中参与受力, 承担了部分混凝土荷载。
图5 立杆的水平位移时程Fig.5 Horizontal displacement histories of upright stanchion
表1 浇筑结束时各测点应变、应力及轴力Table 1 Strain, stress and axial force of measuring points at the end of concrete pouring
表2 立杆承载比例Table 2 Load bearing ratio of upright stanchion
3 有限元仿真计算
入模后SRC梁有限元仿真计算涉及2个关键问题: (1) 如何确定初凝状态混凝土的力学参数; (2) 如何考虑33.43m高大模板支架的竖向刚度对SRC梁受力的影响。
3.1 初凝状态混凝土力学参数的估值方法
初凝状态混凝土的力学参数主要有密度、泊松比和弹性模量。密度取2 500kg/m3, 泊松比和弹性模量按以下方法估算。
3.1.1 泊松比
对于已初凝的混凝土, 几乎查不到有关泊松比取值的文献, 但关于侧压力取值的文献却很多, 根据广义胡克定律可知泊松比ν和侧压力间F存在如下关系:
式中:γc为混凝土重度 (k N/m3) ;F为新浇筑混凝土的侧向压力 (kN/m2) ;H为混凝土侧压力计算位置处至新浇筑混凝土顶面的总高度 (m) 。
在侧压力已知的情况下, 根据式 (5) 可估算初凝混凝土的泊松比。
GB50666—2011《混凝土结构工程施工规范》
式中:t0为新浇混凝土的初凝时间 (h) ;β为混凝土坍落度影响修正系数, 当坍落度在50～90mm时取0.85, 坍落度在100～130mm时取0.9, 坍落度在140～180mm时取1.0;V为混凝土浇筑高度 (厚度) 与浇筑时间的比值, 即浇筑速度 (m/h) 。
歌剧院混凝土的坍落度为160～180mm, 故β取1.0。
根据式 (5) ～式 (7) 可得入模后混凝土的泊松比。
3.1.2 弹性模量
关于初凝混凝土弹性模量的文献特别少, 仅查到北京交通大学进行过浇筑48h后混凝土弹性模量的测试
式中:E为混凝土弹性模量 (Pa) ;T为初凝后混凝土在模板中的时长 (h) 。
3.2 模板支撑体系的化简方法
屋面梁模板支架的搭设高度达到33.43m, 如果直接建立模板支撑体系的模型, 则大幅度增加建模工作量和难度。本文采用一种简化方法, 用弹性垫板来模拟模板支撑体系对SRC梁的竖向约束作用, 垫板厚度取为0.2m, 换算得等效弹性模量为2.2×106Pa;由于支架水平位移仅有1.1mm, 本文忽略支架位移对SRC梁受力的影响, 同时也忽略SRC梁侧模的变形, 假设梁的4个立面无水平位移。
3.3 有限元仿真计算模型
JGJ/T10—2011《混凝土泵送施工技术规程》
屋面梁浇筑用时约13h, 1, 2层混凝土浇筑时间各为4.5h, 第3层混凝土浇筑时间4h。由于浇筑时间为严冬, 混凝土初凝速度较慢, 结合现场观察, 取入模后混凝土初凝时间为3h。
本文关注第3层混凝土刚浇筑完毕时的计算结果。此时1, 2层混凝土已初凝, 力学参数可按式 (5) 和式 (8) 计算。在最上层混凝土中, 后入模的一部分混凝土尚未初凝, 为宾汉姆流体, 理论泊松比为0.5, 理论弹性模量为“0”, 而最先入模的混凝土已初凝, 已有一定硬度, 为了简化计算, 本文取最上层混凝土的泊松比为0.49, 弹性模量取下一层混凝土弹性模量的1/10。3层混凝土的力学参数如表3所示。
表3 入模后混凝土的力学参数Table 3 Mechanical parameters of concrete after pouring
采用美国大型有限元仿真软件ANSYS进行仿真计算, 型钢梁、混凝土和等效垫板均采用四面体单元solid45模拟
图6 屋面SRC梁单元划分Fig.6 Element division of the roof SRC beam
3.4 仿真计算结果
计算得浇筑完毕后屋面SRC梁的受力和变形情况, 其中型钢位移如图7所示, 型钢轴向应力如图8所示。
图7 型钢竖向位移 (单位:m) Fig.7 Vertical displacement of section steel (unit:m)
由图7可知, 型钢梁最大竖向位移为3.04mm, 出现在跨中;由图8可知, 型钢梁最大拉应力和压应力均出现在梁端, 其中最大压应力达54.5MPa, 最大拉应力达50.7 MPa。
图8 型钢轴向应力 (单位:Pa) Fig.8 Axial stress of section steel (unit:Pa)
根据计算结果可知, 测点5处的应变为-53.4με, 和试验测试结果-64με比较接近, 相差16%。
通过查看型钢和弹性垫板的支反力发现, 型钢承担55%的混凝土自重, 模板支架承担45%的混凝土自重。
3.5 模板支架搭设高度对计算结果的影响
为了研究模板支架搭设高度对计算结果的影响, 通过改变模型中垫板的等效刚度模拟模板支架搭设高度的变化, 得到的计算结果如图9所示。
图9 模架的荷载承担比例与搭设高度的关系Fig.9 Relationship between load bearing ratio of falsework and its height
由图9可看出, 模板支架搭设高度对其承担荷载的比例有较大影响, 随着搭设高度的降低, 承担比例将会增加, 其中8.0m高的模板支架承担65%的混凝土自重, 比33.43m高的模板支架多承担20%的混凝土自重。
4 结语
本文对屋面SRC梁的型钢及其搭设高度达到33.43m的模板支架进行了现场测试, 提出入模后SRC梁及其支撑体系的有限元建模方法, 进行了仿真计算, 通过对比, 发现仿真计算结果和实测值较接近。根据实测值可知型钢参与受力, 测点1～3所在立杆承担的混凝土荷载是按承载面积计算值的28%～39%;根据仿真计算可知, 浇筑过程中型钢承担多达55%的混凝土自重, 而模板支架仅承担45%的混凝土自重。
通过仿真计算还发现, 搭设高度对模板支架承担混凝土荷载的比例有显著影响, 随着搭设高度的增加, 模板支架承担荷载的比例将会降低。
总之, 设计时不必将所有混凝土荷载交由模板支架承担, 对于高大模板支架更是如此, 本文结论可为搭设类似的模板支架提供借鉴。但荷载承担比例是一个重要的SRC梁模板支架设计参数, 影响因素除了搭设高度外, 还有其他参数, 需更为系统和全面的研究, 方能给出取值方法, 从而更为经济合理地进行设计。
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