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    模板工程防倒塌设计与管理现状.pdf

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    模板工程防倒塌设计与管理现状.pdf

    第28卷第3期 2011年9月 土木工程与管理学报 Journal of Civil Engineering and Management Vo1.28 No.3 Sep.2011 模板工程防倒塌设计与管理现状 赵挺生 , 丁丽萍 , 唐菁菁 , 方东平 1.华中科技大学土木工程与力学学院,湖北武汉430074; 2.清华大学土木水利学院,北京100084 摘要模板工程是我国工程建设坍塌事故高发的重大专项工程,是现浇混凝土工程施工过程中人员暴露强度 大。容易导致严重后果的高风险工程。探讨模板工程防倒塌的系统设计方法与管理模式,具有重要意义。为 此,本文回顾了我国模板工程管理法规和技术标准的发展历程,介绍了国内外模板工程研究现状和建筑防倒塌 设计方法,分析了我国模板工程以技术设计为基础,构造措施和安全管理监督为保障的防倒塌控制模式。 关键词模板工程;结构分析;连续倒塌;设计;管理 中图分类号TU755.2 文献标识码A 文章编号2095985201103-0107-04 模板工程是指支承所浇筑混凝土的整个系 统,包括与混凝土表面直接接触的模板面板和支 撑杆件,以及相关的连接件和剪刀撑等。它是现 浇混凝土工程施工过程的主要承载结构和施工作 业平台,因此其安全性直接关系施工过程安全。 模板工程的寿命短则几天,长不过数月,因此,人 们将之归结为临时施工设施,不单独进行设计,而 是包含于承包商的工程施工组织设计文件。近年 来,随着施工工艺的变革高流动性混凝土带来 的施工周期大幅降低,工程结构向着大跨度、高 净空方向发展,导致模板工程坍塌事故时有发生, 不仅造成重大经济损失,而且造成严重的人员伤 害。虽然模板工程自身寿命短,但它是工程建设 中重复安装拆除的分项工程。因此,强化模板工 程施工防倒塌设计就成为工程建设安全生产的一 项重要工作。 1 安全生产法规与技术标准现状 国家的相关法规给出了严格的规定,如中 华人民共和国建筑法第三十八条规定“建筑施 工企业在编制施工组织设计时,应当根据建筑工 程的特点制定相应的安全技术措施;对专业性较 强的工程项目,应当编制专项安全施工组织设计, 并采取安全技术措施。”建质[2003]82号建筑 工程预防坍塌事故若干规定第七条进一步规定 “施工单位应编制深基坑槽、高斜坡、桩基和超 高、超重、大跨度模板支撑系统等专项施工方案, 并组织专家审查。” 2004年2月1日实施的建设工程安全生产 管理条例第二十六条规定了施工单位应当在施 工组织设计中编制安全技术措施和施工现场临时 用电方案,对模板工程等具有一定规模的危险性 较大的分部分项工程编制专项施工方案,并附具 安全验算结果,经施工单位技术负责人、总监理工 程师签字后实施,由专职安全生产管理人员进行 现场监督。对前款所列工程中涉及高大模板工程 的专项施工方案,施工单位还应当组织专家进行 论证、审查。 建设部2004年12月颁布危险性较大工程 安全专项施工方案编制及专家论证审查办法 建质[2004]213号,并于2009年进一步就模板 工程等专项方案设计内容、管理程序进行更为详 尽规定建质[2009]87号危险性较大的分部分 项工程安全管理办法的通知。由此形成了系 统的有关模板工程等的安全监督管理法规。 模板工程技术标准,我国在GB 5020492混 凝土结构工程施工及验收规范给出了与新浇筑 的混凝土紧密接触的模版、木方、檩条和支柱等杆 件验算荷载与截面设计验算模式;JGJ 130.2001 建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范,吸 收继承了GB 5020492有关模板工程设计验算内 容;JGJ 1622008建筑施工模板安全技术规范, 在继承前述规范的基础上,对模板支撑体系的构 造进行了全面系统的规范,初步形成了结构构件 技术主体倾覆验算与构件截面设计相结合设 收稿日期2011-0812 作者简介赵挺生1963一,男,河南辉县人,教授,博导,研究方向为既有建筑改造与安全管理Emailtszhaomail.hust.edu.cn 108 土木工程与管理学报 2011年 计与构造保障相结合的模板工程技术规范。 然而,模板工程作为临时承载结构具有时变 特性,其所包含的科学技术特性仍未形成系统的 技术标准,特别是多层模板配置情况下,施工时变 结构分析方法,未能转化为混凝土建筑工程施工 安全生产的支撑技术。即使混凝土建筑工程处在 施工安全生产法规的严格管理环境中,也无法避 免混凝土建筑施工中由模板工程的坍塌所造成的 安全事故。如2010年1月3日昆明新机场在建 桥梁,在浇注混凝土时发生垮塌事故;同月12日 安徽芜湖和贵州省黔南州福泉相继发生混凝土施 工过程中模板脚手架倒塌事故,3起事故共造成 20余人死亡,数十人受伤。 2模板工程技术研究现状 现浇混凝土建筑施工期间,承担施工荷载的 临时承载结构是以模板钢管支架和先前浇注具有 一定强度的混凝土结构组成的结构,因其材料性 能、几何形态等都随时间变化,所以称为施工时变 结构。早在1952年,瑞典学者K.Nielsen就提出 楼板与支撑相互作用问题,通过假定楼板为弹性 板、模板支撑为弹性结构、基础刚性条件,分析获 得了不考虑混凝土的收缩徐变、忽略体系扭转的 现浇混凝土施工时变结构中楼板承担的最大内 力。此后,Grundy和Kabaila提出施工时变结构 的简化分析方法,由于该法不需要专用计算工具 就能获得施工中荷载分配系数和施工过程中楼板 及支撑承担的最大内力,美国混凝土协会ACI 34788推荐在混凝土工程中使用这个方法。从 1983年起,刘西拉和W.F.Chen 等相继提出 施工期混凝土建筑结构分析的精化方法、改进精 化方法、改进方法、修正简化方法及改进简化方法 等,对现浇混凝土施工时变结构荷载分配规律进 行了更为细致的研究。方东平 等在现场实测 的基础上,建立了考虑养护期结构荷载重分配的 结构分析模型。此外,Mannel AguinagaZapata,刘 西拉和w.F.Chen等,对混凝土材料收缩、徐变以 及温度变化等参量对施工荷载在施工时变结构中 分布的影响进行了研究。沈蒲生、林南薰等就高 层建筑结构分析中如何考虑施工过程混凝土的收 缩徐变效应进行了研究。Stephen L.,Kajewski 就预应力混凝土结构施工短暂状况进行了分析。 王光远院士提出时变结构力学学科发展问题 , 曹志远对建立支撑与混凝土结构组合的超级有限 元时变结构力学进行了研究。赵挺生等从2002 年开始,通过现场实测和理论研究,就现浇混凝土 施工时变结构的弹性基础、模板支撑薄弱层以及 梁板柱结构,提出现浇混凝土施工时变结构分析 的弹性支撑连续梁模型和梁板柱混凝土结构施工 时变结构简化分析方法 l8j。此外,人们基于上 述施工时变结构分析模型,采用建筑结构可靠度 分析理论,分析施工期混凝土建筑结构的失效概 率,研究了施工期混凝土建筑结构安全指标的计 算方法,基本形成了现浇混凝土建筑施工期间以 模板工程等为主要临时承载结构的施工时变结构 分析的系统理论和方法。 3 防倒塌设计方法 3.1建筑防倒塌设计方法 工程防倒塌,主要是防连续倒塌。所谓连续 倒塌,指从起初的事件引发局部损伤的扩展,发展 到从构件到构件,最终导致结构整体倒塌或导致 与初始事件不成比例的结构的大部分倒塌 ’m]。 简单地讲,导致与初始原因不成比例的倒塌。 防连续倒塌设计研 究起于1968年5月16 日伦敦Ronan Point公寓 楼,因18层一住户厨房 煤气泄漏引发爆炸,导致 该公寓楼自上而下整个 角区的坍塌图1。 从风险角度,连续倒 塌是造成潜在损伤的非图1 Ronan Point公寓楼 正常荷载或灾害作用的 连续坍塌 结果,如燃气爆炸,恐怖袭击,以及控制性构件的 拆除等。连续倒塌的发生概率PC与灾害事件 发生率A 灾害事件作用下造成的局部损伤P LDlH以及局部损伤造成连续倒塌的概率PC lLD成正比,即 PCA PLDfH-PCILD 从上式可以看出,控制连续倒塌的措施包括 控制灾害事件发生概率、强化局部结构抵抗损伤 的能力以及改变荷载传递路线三种情形。 在控制灾害事件发生概率方面,通用作法是 限制易燃易爆物料使用建筑内使用、采取隔离 防护措施建筑防爆隔离栏或墩。在结构局部 抗力强化方面,主要对暴露于灾害荷载的构件进 行抗力强化,使其能抵抗足够大的灾害荷载。在 改变荷载传力路线方面,主要将设计结构超静定 化,使某一构件失效后,结构具有重新调整分布荷 第3期 赵挺生等模板工程防倒塌设计与管理现状 109 载的能力,如设计多跨框架取代单跨框架,多跨连 续梁,纵横向受力结构,这样即使结构产生了局部 损伤或失效,也会因剩余结构的横跨损伤的桥作 用而防止结构连续倒塌。 针对灾害性荷载采取常规荷载设计与反向荷 载设计相结合方法,避免反向荷载下结构抗力的 大幅降低。对于重要建筑,结构局部抗力强化、改 变荷载传递路线以及反向荷载设计,均需要通过 计算分析实现。对于普通建筑可以直接采取构造 设计实现,如增加结构整体性的水平和竖向联系。 3.2模板工程防倒塌设计 模板工程垮塌事故主要表现为坍塌和倾覆两 种失效方式。坍塌由起初的局部构件失效,导致 相连构件依次失效连续倒塌。倾覆主要是风 以及施工活动诱导水平荷载作用下,导致最外侧 压杆的首先失稳,继而引发相连杆件依次失效 连续倒塌。如2007年9月26日上午,越南在 建现浇混凝土桥芹苴大桥模板支架突然发生 倒塌,首先坍塌的是第13号桥段,接着第14号、 15号桥段也随之连锁坍塌,造成60余人死亡, 150余人受伤。 现浇混凝土建筑工程施工中临时承载结构是 由多层模板支撑体系和先前浇好的楼板组成的时 变结构来承担新浇注混凝土自重荷载和施工荷载 的。其失效包括由起初的模板支撑杆件失效或混 凝土楼板失效导致连续倒塌。如1981年3月27 日美国Harbour Cay五层板柱建筑在浇注顶层混 凝土过程中发生倒塌事故,分析表明其起因为混 凝土楼板与柱界面的抗冲切失效引发的连续垮 塌。鉴于现浇混凝土工程施工过程承担荷载的结 构材料性能、结构形态及其空间位置均随时 间变化的分析方法不完善,国内外研究人员 进行了系统研究,初步建立了现浇混凝土结构施 工时变结构分析方法,并按照相应材料的结构设 计规范对施工时变结构构件进行设计。由于模板 工程施工操作为手工,目测控制施工偏差,导致模 板工程特有的参数离散性大的特性,为此,以技术 设计为基础,以构造措施为保障的模板工程安全 施工就成为当前重要的防倒塌措施。 3.2.1施工时变结构分析方法 施工时变结构分析方法,可以分为有限元分 析方法和简化分析方法。由于施工时变结构的形 态,其承受的外荷载、材料强度均呈现满速时变的 特性,故可以针对结构形态、荷载变化较大的状态 进行分析。可以采用空间杆系有限元、平面杆系 有限元进行力学分析,也可以采用简化分析方法。 Grundy和Kabaila提出的简化分析方法针对板柱 建筑,假定1模板支撑杆为刚性二力杆,上下 层问模板支撑杆平面位置相同;2以模板支撑 杆件连接的楼板刚度相等,因而当外荷载作用于 施工时变结构时,每层楼板的增量荷载相等;3 基础刚性。这样就可以手算分析现浇混凝土建筑 施工过程中楼板、模板支撑杆件承担的最大施工 荷载效应。工程实测表明,简化分析结果与实测 值基本一致,与精确分析相比小10%左右。针对 我国梁板柱建筑体系,作者进行了实测研究,结果 表明,简化分析方法适用于梁板柱体系。在对梁 板柱体系进行施工时变结构分析时,可以将楼板 和梁分别应用简化方法分析,梁模拟为与梁高相 等厚度的板分析,将梁板共用模板支撑的内力进 行叠加获得梁板交接面处支撑内力。对于混凝土 结构所具有的收缩、徐变效应,以及温度对施工时 变结构的影响,理论分析表明模板支撑系统内力 减量,即建筑立柱内力增量在10%以内。而简化 分析方法本身计算结果偏小10%,混凝土收缩、 徐变、温度影响导致模板支撑内力减小10%,这 样也使通常不考虑混凝土收缩、徐变以及温度影 响的施工时变结构分析结果具有较高的精度。 3.2.2模板工程构造措施 模板工程构造措施,以使模板工程形成空问 结构为目标进行设置。最初以立杆计算长度控制 的纵横向连系杆为主,并对扫地杆立杆下端的 纵向和横向连系杆和立杆顶部的纵横向连系杆 做出必须设置的要求。模板工程中的杆件截面尺 寸小,杆件问的连接采用机械连接方式。模板工 程事故和室内试验均表明模板支撑体系失效模 式呈现大波失效,即半波长度为两个步长或以上。 这样就使纵横向连系杆的设置效率降低,模板支 撑体系的承载内力大幅低于杆件强度。为发挥杆 件承载能力,模板工程技术标准进一步规定纵横 向连系杆应与侧向永久结构拉结,并设立模板支 撑周边的垂直剪刀撑体系。由于杆件间机械连接 的特性,在发生一个失效后,杆件依次失效导致模 板工程连续倒塌成为模板工程的主要失效模式。 之后模板工程技术标准进一步明确构造约束,要 求模板支撑内每隔3至5根立杆设置垂直支撑, 模板支撑立杆的下端、上端必须设置水平剪刀撑, 模板高支撑,中间增设水平剪刀撑。在模板工程 防倾覆控制上,除纵横向连系杆与永久结构拉结 外,在模板工程安全技术规范中进一步提出以 自重荷载的2%作为施工活动诱导水平荷载,作 用于模板支撑顶部进行倾覆稳定验算的规定。 土木工程与管理学报 2011钜 3.2.3模板工程防倒塌控制模式 尽管我国在模板工程技术设计和构造措施上 有了较为详细的规定,但模板工程施工质量的任 何偏差,都会使之成为空中楼阁,所以强化模板工 程防倒塌的管理与监督,就十分重要。为此,建设 工程安全生产管理的相关法规,规定了模板工程 技术设计、构造措施以及模板工程安全专项设计 文件的编制、审查、论证,到监理、安全生产监督站 监督管理的严格程序,形成了我国特有的以技术 设计为基础,构造措施和安全管理监督为保障的 模板工程防倒塌控制模式。 4 结 语 1归纳了现浇混凝土建筑施工期间以模板 工程等为主要临时承载结构的施工时变结构分析 的系统理论和方法。 2总结了建筑防连续倒塌的三大措施 控制灾害事件发生概率、强化局部结构抵抗损伤 的能力以及改变荷载传递路径。 3提出了模板工程防连续倒塌的控制模 式以施工时变结构分析方法为基础,以构造 措施和政府相关部门的安全管理监督为保障。 [2] 参考文献 Grundy P,Kabaila 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Because workers are intensively exposed in it,its failure usually leads the serious casualties during the con- struction,so it named as a highrisk project.Therefore it is important to investigate the design and management model of work to reduce its risk of collapse.Then the paper reviewed the technological devel opment and management regulations of work engineering.The development process of management regula tions and technical standards for work engineering were reviewed in this paper also.The present situation of work engineering and to resist progressive collapse of buildings of China and abroad is intro- duced.The control of anticollapse modes of work engineering,which base on technology design and guaranteed by structural measuresthe and safety management and supervision safeguarding are analysised. Key wordswork engineering;structure analysis;progressive collapse;design;management

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