异形柱框架结构模板支撑体系承载力测试与安全系数校核

引言

在建筑工程领域，异形柱框架结构凭借其空间利用率高、建筑布局灵活等优势，被广泛应用于各类民用建筑和公共建筑中。模板支撑体系作为异形柱框架结构施工过程中的临时结构，承担着混凝土浇筑等施工荷载，其安全性直接关系到整个工程的施工质量和人员安全。然而，由于异形柱的截面形状不规则，使得模板支撑体系的受力状态更为复杂，传统的设计和计算方法难以准确反映其真实的力学性能。近年来，因模板支撑体系坍塌引发的工程事故时有发生，给人民生命财产造成了重大损失。这凸显了对异形柱框架结构模板支撑体系进行深入研究的紧迫性和必要性。准确测试其承载力并校核安全系数，能够及时发现支撑体系设计和施工中的潜在问题，为施工过程中的安全管理提供可靠的技术支持。因此，开展异形柱框架结构模板支撑体系承载力测试与安全系数校核的研究具有重要的现实意义。

一、异形柱框架结构模板支撑体系承载力测试

1. 测试方案设计

为了全面、准确地获取异形柱框架结构模板支撑体系的承载力信息，本研究制定了系统化、多参数耦合的测试方案。依据异形柱（如L 形、T 形、十字形）的几何特征与受力特点，选取典型节点区域及高应力区作为测试部位，确保测试工况具有代表性与可推广性。在关键支撑立杆、水平杆件及节点连接处布设高精度电阻应变片，用于监测多向应力状态；在支撑体系顶部、中部及底部设置线性可变差动位移传感器（LVDT），精确测量竖向与侧向变形；同时，在底部支座区域安装轮辐式压力传感器，实时采集竖向荷载传递数据。测试采用分级等效静力加载，荷载增量按设计施工荷载的 20% 逐级施加，每级持载不少于15 分钟，确保结构达到力学平衡状态。通过多通道同步数据采集系统，实现应变、位移、荷载等参数的实时动态监测与自动存储，采样频率设定为 10Hz ，以捕捉结构响应的瞬时变化特征。测试全过程遵循《建筑施工模板安全技术规范》（JGJ162）及《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204）相关要求，确保测试数据的科学性、可靠性与工程适用性。

2. 测试结果分析

通过对测试数据的系统分析，揭示了异形柱框架结构模板支撑体系在分级加载下的非线性力学响应特征。初始加载阶段（ ≤40% 极限荷载），各测点应变与位移呈线性增长，立杆轴向应力分布均匀，最大竖向位移不超过跨度的1/1000，结构处于弹性工作状态。当荷载增至 60%～80% 极限值时，L 形与 T 形柱节点区域的支撑立杆根部应变显著增大，局部出现应力集中，最大等效应力达 195MPa，接近 Q235 钢材屈服强度；同时，水平杆件扭转变形加剧，节点连接刚度退化，体系整体刚度下降约 23% 。接近极限荷载时，部分立杆发生局部屈曲，竖向位移速率突增，LVDT 监测显示失稳前最大侧向位移达 12.6mm ，表明结构进入弹塑性失效阶段。进一步研究表明，异形柱不规则截面导致荷载传递路径偏心，引发支撑体系空间受力不均，其中十字形柱节点区域剪力分布复杂，最大剪应力较矩形柱提高 37% 。此外，扣件式连接的半刚性特性加剧了节点区应力重分布，而扫地杆缺失或水平剪刀撑布置不足将使体系失稳模态由整体屈曲转变为局部失稳，显著降低承载力。

二、异形柱框架结构模板支撑体系安全系数校核

1. 安全系数计算方法

安全系数是衡量模板支撑体系安全性的重要指标。本研究采用理论计算与非线性有限元数值模拟相结合的方法，对异形柱框架结构模板支撑体系的安全系数进行系统计算。理论计算依据《建筑施工模板安全技术规范》（JGJ162）及《混凝土结构设计规范》（GB50010），建立基于静力平衡与稳定性控制的力学分析模型，综合考虑立杆轴压、水平杆约束、节点刚度及地基变形等因素，通过容许应力法和极限状态法双重校核，确定支撑体系的理论极限承载力。结合现场实测荷载分布与施工活载组合，计算初始安全系数。在数值模拟方面，采用ABAQUS软件构建精细化三维有限元模型，材料本构引入Q235钢材的弹塑性特性，几何非线性考虑大变形效应，连接节点采用接触单元模拟实际螺栓与扣件的滑移行为。通过分步加载模拟结构从弹性至局部屈曲的全过程，获取临界失稳荷载。基于数值模拟修正极限承载力，并重新计算修正后的安全系数，提升评估精度。理论与模拟结果对比误差控制在 8% 以内，确保计算结果的可靠性与工程适用性。

2. 安全系数校核结果

通过对安全系数的系统校核，发现部分异形柱框架结构模板支撑体系的安全系数低于《建筑施工模板安全技术规范》（JGJ162）规定的 1.8 限值，个别区域立杆稳定安全系数低至 1.43。主要原因为异形柱肢长不对称导致荷载偏心传递，引起局部杆件附加弯矩与轴力耦合效应，而设计中仍采用常规矩形柱支撑模型，未考虑其空间受力不均特性。同时，施工现场存在立杆垂直度偏差超标、水平杆件搭接不规范、可调托座伸出长度过长等安装质量问题，削弱了节点约束刚度，降低了整体稳定性能。有限元分析显示，失稳模态多表现为偏心受压区域立杆的局部屈曲并向邻域扩展。针对上述问题，优化方案采用增大关键区域立杆规格（由 Φ48.3×3.6mm 提升至 Φ48.3×3.9mm⋅ ），加密水平杆布置间距至 1.2m ，并在异形柱翼缘对应位置增设斜撑与加强层，提升空间协同工作能力。连接节点改用高强螺栓刚性连接，增强节点转动约束。优化后经非线性屈曲分析，临界失稳荷载提升约 27% ，重新校核的安全系数均达到 1.9 以上，满足规范要求，显著改善了支撑体系的稳定储备与抗偏载能力。

结论

本研究通过对异形柱框架结构模板支撑体系的承载力测试和安全系数校核，深入了解了该体系的力学性能和安全状况。研究结果表明，异形柱的形状和尺寸、支撑体系的连接方式和构造措施等因素对其承载力和安全系数有显著影响。部分异形柱框架结构模板支撑体系存在安全系数取值不合理的问题，需要进行优化和改进。为了提高异形柱框架结构模板支撑体系的安全性和可靠性，建议在设计阶段充分考虑异形柱的特殊受力情况，采用合理的计算方法和安全系数取值。在施工过程中，严格按照设计要求进行支撑体系的安装和施工，确保施工质量。加强对模板支撑体系的监测和管理，及时发现和处理潜在的安全隐患。本研究为异形柱框架结构模板支撑体系的设计、施工和安全管理提供了科学依据，有助于减少因模板支撑体系坍塌引发的工程事故，保障建筑工程的施工安全和质量。

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