『力平衡』在工程上的應用

劉澤山  技師

以前在學校學習力學時，都從靜力學開始。而靜力學一開始，就教授一個最基本的觀念—力的分解與平衡。換句話說，也是水平合力與垂直合力必須為零的基本觀念。如果力不平衡的話，就會造成物體往不平衡的方向移動。雖然之後我們還學了很多更高深的力學知識，如動力學、結構動力學等等，但是力的平衡，仍然是我們設計或施工中，最基本且重要的基礎。

在工地的施工中，說穿了也只是力平衡觀念的運用。例如，在擋土設施中應用很多的大斜支撐，如果是對稱的，當斜支撐的力量分解成兩向力量後，一向力量與土壓力平衡，另一向可以經由周邊之圍令，與另一邊之分力對頂而獲致平衡。但，如果只有單側的非對稱的狀況(照片1)，圍令端部若未設防止滑移的阻擋，或在擋土牆上施作剪力錨栓與圍令連接，就有違反力平衡的顧慮。同樣的，當兩向支撐與連續壁斜交時，上下兩排圍令間，將有很大的水平滑移的分力(照片2)，如果不加以適當的固定，就容易因圍令滑移導致潰敗虞慮。

模板支撐也是同樣的原理，也是模板兩側的力量平衡；但也有無法平衡的情形，例如以照片3來說，就是大家熟知的單面模板。因為地下室外牆側是擋土牆的原因，導致無法組模時，通常就必須組立單面模板，但是單面模板靠後背斜向支撐的方式，會產生垂直向之不平衡分力，因而導致模板上舉。灌漿時，混凝土側壓力越大，混凝土造成之水平力越大，同時垂直向分力也越大，因此單面模常在澆置接近結束時，因垂直向應力上舉而失敗。解決方式，不外乎兩種：一是如照片3所示，將其頂住，利用型鋼內支撐的圍令作支撐向下壓，以抵消上舉之垂直分力；另一種則如照片4，工人將鐵線偷偷綁在鋼筋上，然後綁繫於模板上(照片5)，雖然不合規定，但可以把模板拉住。

另一種與單面模板類似的則是斜屋頂，如圖1。根據分力圖可以知道，斜屋頂澆置後容易在中央區域產生上舉的問題。所以營造安全衛生設施標準第131條第7款規定：「對曲面模板，應以繫桿控制模板之上移」。所以使用垂直支撐方式，支撐斜屋頂時，需有橫桿作對頂之補強，否則就可能和單面模一樣，在接近澆置完成時，因上舉而失敗。

斜屋頂另一種常見的支撐方式，是斜向支撐的方法，如圖2。這時由力的分解可知：模板產生的橫力由於角度的改變，由對頂改變為對拉，因此兩向模板須以拉桿或拉索加以平衡。但此法，有另一個問題存在：由於支撐在底部位置的桿件仍然是斜的，對於水平橫力的處理，也要特別加以注意，由於底部棚架一般都用木頭連結，但木頭的長度有限，所以連結時，需注意要有防止對向滑移的措施。

此外，當我們把照片3之模板，旋轉至水平狀況時，則是我們一般常見的懸挑模板的支撐方式。所以不平衡的水平力，會使模板向外拉出。雖然大多數的模板工，會偷偷的將模板以鐵線與大梁鋼筋綁住，但鋼筋能提供的力量相當有限，正確解決方式，可以參考范弘芳技師，技師報1160期文章，所建議『採用多搭一組鷹架的方式』辦理。照片6則是筆者之前為避免水平力問題之施作方式，提供大家參考。

總之，雖然力的分解與平衡，感覺像是很簡單的觀念，因此很多人往往忽略它在實務的應用上，其實這概念可以幫助分析與解決很多問題，常常能夠簡單地給自己判斷安全與否的依據。

參考資料

1.劉澤山(2020)。「擋土支撐作業主管上課講義」，中華民國工業安全衛生協會。

2.劉澤山（2020）。「模板支撐作業主管上課講義」，中華民國工業安全衛生協會。

3.劉澤山（2020）。「土木及建築工程施工技術(土木)」，工地主任回訓班講義，中華民國全國營造業工地主任公會。

圖1 屋頂支撐示意圖(垂直支撐方式)		圖2 屋頂支撐示意圖(斜向支撐方式)
照片1  非對稱之大斜支撐[1]		照片2  與擋土牆斜交的支撐[1]
照片3  單面模板支撐情形[2]		照片4  利用鋼筋預留鐵線拉住模板[3]
照片5  鐵絲與模板固定情形[3]		照片6  以架設鷹架方式做懸臂之支撐[3]