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1、 西安建筑科技大学硕士学位论文施工期多层模板支撑体系荷载传递规律分析与性能测试专业：土木工程建造与管理硕 士 生：付燎原指导教师：胡长明 教授摘要由于城市建设快速发展，工程施工速度不断加快，在施工过程中，主体结构经常在没有达到设计强度要求时就开始进行上层结构的施工，因此多层模板支撑体系在施工中被广泛应用。但是由于对该体系认识的不全面，尤其对这种体系的受力性能等缺乏足够的了解，造成了在实际施工中对多层模板支撑体系配置的不合理、拆除时间和方式的不当等问题，由此引发了很多工程事故。在施工过程中，多层模板支撑体系把新浇筑的混凝土荷载以及施工荷载传递到已浇筑好的楼板上。混凝土结构和支撑构成了一个临时承载
2、体系，它们共同承担施工时产生的荷载，混凝土结构和支撑的内力随时间和支撑形式的变化而改变。因此，多层模板支撑体系的研究对保证工程安全性具有十分重要的意义。本文以多层模板支撑体系为研究对象，在对多层模板支撑体系进行理论分析的基础之上，通过对西安市某实际工程的现场实测，得到了多层模板支撑体系立杆和楼板在整个施工过程中的内力时程曲线，证明了多层模板支撑体系是一个随时间和空间变化而变化的体系。同时，研究了该支撑体系的荷载传递规律以及模板支撑与混凝土楼板共同工作、相互作用的关系。通过有限元软件进行数值分析，计算结果和实测结果基本吻合，在规律上具有一致性，同时指出了数值计算结果与实测数据存在差异的原因。最后
3、，介绍了一种多层模板支撑体系的简化分析模型，通过与实测数据和数值计算结果的比较，可知运用该简化模型对多层模板支撑体系进行分析是可行的。本文研究成果对多层模板支撑体系的设计研究和施工具有一定的实际意义。关 键 词：多层模板支撑体系；现场实测分析；支撑内力；楼板内力；荷载传递；有限元分析论文类型：应用基础型基金项目：国家自然科学基金项目（50978219） 西安建筑科技大学硕士学位论文 西安建筑科技大学硕士学位论文Analysis of load transfer rules and Performance test of themulti-storey formwork supports sys
4、tem during theperiod of constructionSpecialty：Construction and Management of Civil EngineeringName：FU LiaoyuanInstructor：Prof. HU ChangmingABSTRACTWith the development of city construction and the improvement of engineeringconstruction speed, concrete structures have be made before the following con
5、cretestructures reach the design strength during construction.So, in that case,multi-storeyformwork supports system has been applied to make construction. However,due to thelack of knowledge of the system and comprehensive understanding of the forceperformance, engineering accident happen during the
6、 period of construction due tounsuitable configuration of multi-storey formwork supports system, removal offormwork supports at the wrong time or using wrong way. During construction, the deadload of new concrete and the construction load transmit to complete floor by themulti-storey formwork suppor
7、ts system.Concrete structure and support form atemporary bearing system.They bear the load of construction.The internal force ofconcrete structure and the internal force of support changes according to time andsupporting forms.Thus it can be seen that it is very important to research multi-storeyfor
8、mwork supports system in the practical engineering.This paper study on multi-storey formwork supports system. In the theoreticalanalysis of the multi-storey formwork supports system based on, according to a test ofengineering of Xian,the paper get the internal force curves of each floor of rod and t
9、heinternal force curves of the floor of multi-storey formwork supports system during theconstruction.It is proved that multi-storey formwork supports system is a system that isalong with the time and the spatial change and develops unceasingly.At the same time,this paper research the load transmissi
10、on and the support-structure interaction 西安建筑科技大学硕士学位论文relationship.It is shown that the result agrees basically with the test result.The results ofthem have good consistency,and the cause of difference between finite element analysisand the test results is pointed out.At last,this paper describes a
11、 simplified method ofmulti-storey formwork supports system.By contrasting the test results and numericalsimulation results,the simplified method of multi-storey formwork supports system isfeasible in practical computation.The research achievement of the paper plays an important role in conducting th
12、edesign and construction management of the multi-storey formwork supports system.Keywords: the multi-storey formwork supports system,analysis of on-site measurement,internal force of the supports,internal force of the floor,the loadtransmission, finite element analysis 西安建筑科技大学硕士学位论文目 录1 绪论 . 11.1多层
13、模板支撑体系的研究背景及意义 . 11.1.1多层模板支撑体系的出现 . 11.1.2多层模板支撑体系现存问题及原因 . 11.2 国内外研究现状 . 41.2.1施工荷载 . 51.2.2模板支撑体系计算模型 . 61.2.3模板支撑计算方法 . 71.2.4模板支撑体系实测研究 . 71.2.5 存在的局限性 . 81.3 本文研究的主要内容 . 91.3.1 研究方法 . 91.3.2 研究内容 . 92 多层模板支撑体系的理论分析 . 112.1 多层模板支撑体系分析原理和承载机理 . 112.1.1 多层模板支撑体系分析原理 . 112.1.2 多层模板支撑体系承载机理 . 122.
14、2 弹性支撑连续梁模型（CBSS） . 132.2.1 建立模型 . 132.2.2 基于弹性支撑连续梁模型的施工期钢筋混凝土结构内力分析 . 162.3多层模板支撑体系的弹性板理论求解 . 192.3.1 弹性板的基本概念 . 202.3.2 支撑集中力体系下楼板挠度w 的近似解. 242.3.3 楼板自重以及施工活荷载作用下弹性板挠度w的解 . 262.3.4 多层模板支撑体系楼板内力的近似解 . 283 多层模板支撑体系的实测分析 . 293.1 测试的目的和主要内容 . 293.1.1测试的目的 . 29I 西安建筑科技大学硕士学位论文3.1.2测试内容.293.2 工程概况.293.
15、3 现场实测方案.303.3.1测试方法的选择.303.3.2测点的布置.323.3.3数据的采集.333.4测试结果分析.333.4.1 支撑立杆的受力分析.343.4.2 楼板钢筋的受力分析.393.4.3 楼板相对位移的测量.403.4.4 多层模板支撑的传力分析.413.5 本章小结.424 多层模板支撑体系的数值分析.454.1 有限元分析方法及软件简介.454.2 建立多层模板支撑体系数值模型.464.2.1简化数值模型.474.2.2 数值模型的建立.484.3 多层模板支撑体系的受力分析.504.3.1地下二层支撑的受力分析.504.3.2 地下一层支撑的受力分析.514.3.
16、3 地上一层支撑的受力分析.524.3.4 楼板的受力分析.524.4 支撑内力实测值与有限元值的对比.534.5 本章小结.545 多层模板支撑体系简化分析模型.555.1简化分析模型的计算原则.555.2简化分析模型.555.2.1简化模型的计算原理.555.2.2简化分析模型的建立.565.2.3 算例分析.585.3 简化分析与实测数据、数值分析数据结果的比较.59II 西安建筑科技大学硕士学位论文5.4 本章小结 . 60结论与展望 . 616.1 结论 . 616.2展望 . 626致谢 . 65参考文献 . 67附 录一：攻读硕士学位期间发表论文、参与科研项目及获奖情况 . 71
17、附 录二：现场测试照片 . 73III 西安建筑科技大学硕士学位论文IV 西安建筑科技大学硕士学位论文1 绪论1.1多层模板支撑体系的研究背景及意义 1.1.1多层模板支撑体系的出现自从我国改革开放以来，随着经济的不断发展，城市规模的不断壮大，城市中的多、高层结构逐渐增多1。同时，由于建筑工程领域技术的不断进步，施工速度不断加快，很多建筑结构在施工时，都是在一层的混凝土没有达到 28天养护要求时就开始浇筑上一层的混凝土。由此可见，在现浇层以下的楼板没有达到要求设计强度就开始浇筑上层混凝土已经逐渐成为一种发展的趋势，因此多层模板支撑体系作为一种解决的方法已经被越来越广泛的应用。一层的施工周期一般
18、为 15天、10天或 7天，由于这样的进度要求，就必须要配备更多的模板和支撑。在整个钢筋混凝土结构施工过程中，结构的施工工序有搭设模板脚手架支撑、绑扎梁板柱钢筋、浇筑梁板柱混凝土、对混凝土进行养护、拆除底层的模板支撑等。以上工序按顺序反复进行施工，建筑结构逐渐完成。在整个施工过程中，结构的性能、受力状态等均随着时间的变化而变化，把这种结构称之为时变结构2。在施工过程中，多层模板支撑体系把荷载传递给下面已浇筑好的混凝土楼板，在施工的每个过程中，由时变结构和支撑共同来承担荷载，时变结构混凝土的材料性能与施工周期、模板支设层数相关，这种时变结构承担的荷载值也随时间的变化而改变。因此，把施工过程中混凝
19、土时变结构和模板支撑组成的临时支撑体系称之为时变结构体系3。这种时变结构体系的受力状态和结构形式不仅随着时间的变化而变化，也随空间位置的变化而有所不同。1.1.2多层模板支撑体系现存问题及原因钢筋混凝土结构的生命周期分为三个阶段：施工阶段、正常使用阶段和老化维修阶段，由于施工期间结构的不完整性，结构抗力也是不成熟的而且作用于结构上的荷载是复杂多变的，这些特点使得施工期间钢筋混凝土结构的特点与使用阶段的结构是不同的，很多工程的事故和工程质量问题都是发生在施工阶段，导致有可能出现结构整个“生命周期”中最不利的状况，因此施工阶段相比正常使用阶段和老化维修阶段，是结构失效概率最大的阶段4-5。1 西安
20、建筑科技大学硕士学位论文在施工过程中，由于工期的要求，工程节奏的不断加快，在浇筑上层楼板的混凝土时，多层模板支撑体系把荷载传递给已浇筑好的楼层，然后，这些已浇筑好的楼层由于混凝土龄期较短，还没有达到设计强度，另外，施工期间荷载存在着不确定性，结构所受荷载有可能大于其设计荷载值，这就很容易发生工程事故，由相关资料可知，结构在施工阶段发生的事故明显高于使用阶段。美国和俄罗斯在施工阶段发生事故的比例分别 57%和 70%左右6。而我国则更加严重，通过了解 1958年1987年间我国 285起工程倒塌事故，发生在施工期间的占 83%左右7，在 19912001年的 357起倒塌事故中，发生在施工期间的
21、占 78%左右8。进一步了解可知，这些工程事故发生的主要原因是模板支撑体系的倒塌。而且近年来，这种工程事故随着建筑规模的增大日益增多。本文通过搜集资料，整理了一些 2011年至今模板支撑倒塌事故，具体事故统计如下：事故 1：2011年 3月 27日下午 4点左右，位于郑州市秦岭路与中原路交叉口“郑州中原万达广场”2号楼发生脚手架坍塌事故，死伤 10余人。事故 2：2011年 8月 19日，上海浦东轨道交通 11号线工地发生一起施工排架倒塌事故，导致 6名工人随架坠落，其中 2人死亡、4人受伤。事故 3：2011年 9月 24日上午 10时许，位于佛山三水白坭镇进港大道的鲸鲨化工有限公司一栋 3
22、层在建的食堂发生脚手架坍塌事故，造成 1人死亡，4人受伤。事故 4：2011年 10月 5日 14时 40分左右，重庆市长寿经开区润江水泥厂江南粉站一熟料进料口在屋面浇筑过程中，由于模板支撑脚手架搭设不规范，导致支撑脚手架失衡坍塌，造成 3人死亡，2人受伤的较大安全事故。事故 5：2011年 10月 27日下午 3点左右，位于扬州市广陵产业园董庄路上的翰昇汽车配件公司的一在建厂房突然发生坍塌事故，事故共造成 30多人被压。事故 6：2011年 11月 22日，汕尾市汕尾大道的中国工商银行汕尾市分行培训综合楼在建工程部分坍塌事故共造成 6人死亡 7人。事故 7：2012 年 9 日 16 时 1
23、0 分左右，位于西安西郊昆明路一建筑工地发生脚手架坍塌，造成 5人死亡。事故 8：2012年 11月 29日 22时 15分，徐州市鼓楼区大马路小学危旧教学楼拆除重建工程中，工人浇筑混凝土时突发脚手架坍塌事故，造成 2 名人员受伤，其中 3死亡。事故 9：2012年 12月 31日 21时，上海地铁 12号线浦东金桥停车场检修库在混凝土浇筑过程中发生坍塌，事故造成 5人死亡，18人受伤。2 西安建筑科技大学硕士学位论文事故 10：2012年 7月 2日下午 4时 50分左右，郑州市鹏翱冶金有限公司青石炉施工浇注水泥过程中脚手架坍塌发生事故，此次事故造成 6人死亡，5人轻伤。事故 11：2012
24、年 9月 27日 19时河南省沁阳市第一高级中学在建的图书办公楼中间的连接通道，在混凝土浇筑时坍塌，现场施工的 11名工人受伤。事故 12：2012年 7月 3日下午 2时许，深圳福田区中电综合楼工地发生脚手架坍塌，现场 4名工人受伤，1人死亡。事故 13：2012年 9月 5日 7时 50分左右，武汉市汉口宗关南国大武汉家装旁一工地脚手架垮塌，造成 4名施工人员死亡。事故 14：2013年 1月 30日 2时 15分许，在建的绍兴市诸暨技师学院图书馆工地正在进行混凝土施工作业，突然脚手架坍塌下来，造成 2人死亡、2人受伤。事故 15：2013年 3月 24日早上 7点半，长沙市车站北路捞刀河
25、大桥南引桥的桥墩在施工过程中，脚手架倒塌，导致 5人不同程度的受伤。事故 16：2013年 3月 26日下午 3点多，黄浦区济南路湖滨路一待拆工棚发生坍塌事故，一名工人不幸当场死亡，另一工人腿部受轻伤。从上述事故中可见，近些年的模板支撑倒塌事故不减反增，已经严重的影响建筑工程和施工人员的安全，所以施工企业必须引起足够的重视。经过总结分析发现，模板支撑倒塌的主要原因有以下几个方面 9-12：（1）材料原因：目前市场上的钢管生产厂家为了追求利益的最大化，不顾工程的安全，生产出来的钢管与实际不相符，通过一些调查发现，在施工工地实际使用的钢管中，大部分的壁厚要小于规定的 3.5mm，绝大部分为 3mm
26、以下，而且一些施工单位为了经济利益的考虑，不及时更换钢管，导致一些钢管在经过反复使用以后，弯曲增大，壁厚更薄等。另外，搭设支撑使用的扣件合格的也不多，根据对一些施工工地扣件的的调查，发现绝大多数工地扣件都满足不了文献 13中要求抗滑移承载力，这些都严重影响了支撑架体的安全性和稳定性。（2）设计原因：因为单层模板支撑体系发展已经很成熟，在以往的混凝土浇筑施工中应用颇多，因此施工过程中的安全能够得以保障。但是多层模板支撑体系相对于单层模板支撑体系而言，其受力性能要复杂的多，在目前的设计上和施工中对该体系的了解还不全面。不少施工单位在进行多层模板支撑工程施工时，工程技术人员仅仅凭着多年经验进行搭设，
27、而没有对其进行相关设计验算，由此进行施工则无法保证多层模板支撑体系的稳定性和安全性。（3）施工原因：在施工时，很多工程技术人员没有给具体的操作人员进行技3 西安建筑科技大学硕士学位论文术交底，另外，不少工人的技术水平有限，造成在实际的操作时会产生问题。例如很多施工人员没有按要求搭设支撑的间距和步距；一些工人私自拆卸支撑钢管；有的是没有按照构造要求搭设剪刀撑；还有的是把大量的建筑材料和设备堆放在模板支撑上面。以上因素都是造成模板支撑倒塌的不安全因素14。（4）工程管理原因：目前很多地区建筑业管理不规范，监管不严厉。由于近些年建筑业的不断发展，建筑队伍的不断扩展，存在的挂靠和层层转包现象日益增加，
28、而对于施工人员管理的不到位，会给工程造成一定的不安全因素15。近年来，随着人们生活质量的提升，人们对房屋建筑的要求也越来越高，尽管随着施工技术和管理水平的不断提高，房屋工程质量有了较大的进步，但是现浇混凝土楼板出现裂缝的现象仍然不少，而且楼板非荷载作用引起的裂缝问题越来越被人们所关注。有些裂缝对建筑结构的安全性造成影响，会使结构的承载力降低；有些裂缝虽然对结构的影响不大，但是由于裂缝的存在，使钢筋失去了保护层，会使钢筋发生锈蚀，从而影响建筑物的使用寿命。有些裂缝虽然结构基本上没有什么影响，但是会影响建筑物的美观，对于使用者来说，会产生不良的心理影响，因此，从混凝土的耐久性考虑，要十分重视对结构
29、裂缝的控制。造成现浇混凝土结构开裂的原因有很多16，如设计原因、混凝土原材料本身问题产主的裂缝、楼板拆模过早或拆模后再次支撑、楼板底模和支架的整体强度和刚度不够、泵送混凝土布料杆安放处未设附加支撑等。由以上可知，由于对多层模板支架体系缺乏了解，对多层模板支撑体系与主体结构间相互作用的原理研究的不多。而且，由于对这种体系的实测较少，使得研究难以更深一步进行。工程实际对这种问题的迫切需要以及对该体系理论认识的不足，说明了对多层模板支撑体系研究的重要性。1.2 国内外研究现状 Ayyub17提出模板支架体系的倒塌是最主要的施工倒塌事故，其倒塌的主要原因有：脚手架支撑设置不满足要求，浇筑后混凝土的养护不够，过早的拆除模板等。美国学者 D.V.Rosowskyetal .18提出如果在浇筑完混凝土养护时间达不到 28天的时候就拆除模板支撑，那么楼板的刚度和强度
