談模板支撐結構之設計與施工

前言

最近某橋梁工程因於澆置混凝土施工中發生模板支撐系統倒塌意外事件而受主管機關開立停工處分,嗣後該工程辦理復工審查會時,審查意見提有『模板支撐結構設計除考量「構件強度」外,設計者宜考慮整體構架之結構系統強度」。模板支撐結構可依據我國「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」進行設計。該規範 § 4.7節(P-Δ效應)規定:「構架設計時須考慮P-Δ效應之影響,P-Δ效應可直接作二次應力分析求得,……」。以上意見導致廠商找不到會以「二次應力分析」進行模板支撐結構設計之技師幫他設計,因而求助無門。而產生「模板支撐結構之設計是否有必要進行「P-Δ效應影響作二次應力分析」之疑義?此問題不但困擾開業技師,更困擾受聘技師。

模板支撐結構設計是否有必要進行二次應力分析

模板支撐結構係為了提供結構物將混凝土搗築在定位,因此模板支撐結構必須用盡各種方法來限制總側向位移量(Δ)在結構物設計位置施工容許誤差值範圍內,例如採斜撐或拉鋼索等系統,否則結構物之完成位置會偏離設計位置太多。故工程實務上,模板支撐結構系統不應該有太大之側向位移量(Δ),亦即P-Δ效應的問題並不顯著。

構架同時承受垂直及水平力時,水平力所造成之水平位移對垂直力而言乃一偏心距,而此偏心距加上垂直力的作用即對構架產生二次彎矩,一般稱此為P-Δ效應。P-Δ效應會導致每一層樓之梁、柱構材承受額外之彎矩及額外之樓層水平位移,且其效應隨外力(垂直及水平力)之增大而增大。無斜撐系統構架之水平勁度通常比含斜撐系統構架低,水平位移較大,因而其P-Δ效應也就比較顯著。惟不論構架是否含斜撐或斜拉鋼索系統,構架之設計皆須將P-Δ效應納入考慮範圍。

另依現行「結構混凝土設計規範」第3.12.4.2節規定:「樓層若依下式計得之穩定指數Q不得超過0.05,則該樓層應亦可判定為無側移……」。亦即,可忽略P-Δ效應的影響。

式中:

ΣPu=樓層之設計總垂直力。

Vu=樓層之設計總剪力。

Δo=樓層承受Vu時之一階分析頂部與底部之相對變位。

lc=受壓構材之全長,為樓層二節點之中心距。

若側向位移量值達須考慮P-Δ效應的影響時,依現行「鋼結構設計規範」第4.7節(P-Δ效應)之規定:「構架設計時須考慮P-Δ效應之影響,P-Δ效應可直接作二次應力分析求得,或以第八章之簡化公式計算」。

由4.7節之解說亦規定:「……設計者可以線性分析結果(ETABS程式可選擇是否計入P-Δ效應),在設計構材時採用本規範第八章之公式來修正構材之設計強度」。第八章之公式如下。

由以上規範之規定顯示,模板支撐結構設計時,對整體構架之P-Δ效應影響,可以已考慮P-Δ效應之線性分析結果(ETABS程式有此功能),在設計構材時採用本規範第八章之公式來修正構材之設計強度即可。

模板支撐結構失敗之癥結所在

模板支撐結構之失敗案例非常之多,探究其原因主要問題出在模板支撐結構被視為「假設工程」,設計圖中沒有提供模板支撐結構之詳圖,在工程預算中亦僅以「假設工程」一式含蓋該工程全部需使用之所有模板支撐結構。營造廠在工程投標時希望能標到工程,心想反正「假設工程」為施工後即須拆除的設施,做得再好也是要拆除,因此,就在內容不明的一式「假設工程」項中去刪減工程費,先拿到工程再說。營造廠標到工程後再設法節省「模板支撐結構」之工程費用。營造廠標到工程後為節省「模板支撐結構」之工程費用就須以租賃的方式花最少的費用,來完成用完即拆且可不希望留有庫存的「模板支撐結構」,因而「模板支撐結構」出租業應運而生。「模板支撐結構」出租業之營業內容,一般兼含負責「模板支撐結構」之設計、出租及拆裝。「模板支撐結構」出租業者為降低出租價格,爭取更多的用戶,會設計一些價格便宜、拆裝快速及方便儲存的「模板支撐結構」型式,才能具有「價格」的競爭力。至於結構安全方面,則為次要的考量,抱著能冒險闖一關算一關的心態,製造出一些似是而非的「模板支撐結構」型式。另一方面營造廠本身少有設計單位可設計「模板支撐結構」,且以各種設計規範越修訂越複雜的趨勢,營造業更沒有能力負擔培植設計人員所需的經常開支,而所聘用之專任工程人員又大多為公、教或顧問公司之退休人員,或對設計工作早已疏離,況且手邊早已無合法使用之應用軟體及繪圖設備,又設計規範越訂越複雜情況下,營造業技師已大多無能力設計「模板支撐結構」,因此,營造廠受限於成本考量,只能將「模板支撐結構」的安全問題,交付給似懂非懂的模板出租業者,營造業者剩下能做的只有燒香拜佛祈求庇佑。

模板出租業者所提供「模板支撐結構」最大的結構安全疑慮,在於其構架型式既非「桁架」,亦非「抗彎構架」,尤其是其節點接頭無法滿足「接入桿件交於一點」的平衡條件。筆者曾對一箱型橋梁圓盤系統模板支撐架結構施工圖及計算書,提出下列結構安全疑義,但所得之模板出租業者的回覆卻是「無法做到」,此時工程如何能繼續進行下去?

1斜撐、水平桿與垂直桿,未交於同一點,無法構成桁架行為。

2結點圓盤接頭造成偏心接合,亦無法構成桁架行為。(失敗案例見圖1及2)。

3桁架頂部及底部無斜撐,容易造成側向失穩。

4試驗報告無單位章,僅蓋私章,應提正本。

5試驗報告3層,實際上頂部多出一層小支柱,容易造成側向失穩,載重能力大幅降低。

6試驗報告t=3.5 mm,實際使用t=3.2 mm。

7水平力未加入計算來設計斜撐、水平桿與垂直桿等桿件。

8垂直支柱載重計算不足。

9垂直支柱載重置放於開口向上平放於地面之鋼板樁上,地耐力未考慮鋼板樁厚度之分散能力。

10各接頭承載能力未檢核。


圖1 圓盤系統模板支撐架倒塌前 圖2 圓盤系統模板支撐架倒塌後
結語

一般工程所使用之「模板支撐結構」最大的結構安全疑慮,在於其構架型式既非「桁架」,亦非「抗彎構架」,其結構安全無法以分析計算,僅能以載重試驗方式估計其垂直載重之承載能力,但實際使用時其結構系統及工地環境又無法與載重試驗時之型式及試驗環境完全相符,另外其構架型式亦無法承受水平力載重。因此模「模板支撐結構」的結構安全不在於是否需進行「構架設計時須考慮P-Δ效應之影響,P-Δ效應可直接作二次應力分析求得,……」,而是要確保「模板支撐結構」之安全性,不能再採用鋼管支撐架,必須改用「鋼結構斜撐桁架系統」。

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