满堂式钢管模板支撑架结构计算模型综述

周雪梅，于海祥

（重庆建工第九建设有限公司，重庆400080）

满堂式钢管模板支撑架结构计算模型综述

周雪梅，于海祥

（重庆建工第九建设有限公司，重庆400080）

该文指出了确定架体结构计算模型在满堂式钢管模板支撑架设计中的重要性，讲述了架体结构计算模型的一般简化过程，在分析满堂式钢管模板支撑架结构计算模型历史演变的基础上，详细分析了现存的各种计算模型的特点，并通过各种计算模型下得到的架体稳定性的比较，指出了各种计算模型的差异。

模板支撑架；结构计算；计算模型；稳定性；施工安全

0 前言

目前在建设工程施工领域，模板支撑系统尤其是高大模板支撑系统已成为导致生产安全事故的重大危险源之一，由于模板支撑系统设计、构造不合理导致的模板支撑工程整体坍塌事故多为重大事故，模板支撑系统的设计和施工须加强管理[1]。其中，支撑架的设计中首先要解决的问题是确定合理的架体结构计算模型。

1 架体结构计算模型的重要性

模板支撑架是一种以立杆承受竖向荷载作用为主的空间杆系结构，作为临时支撑结构，在结构设计方面与永久建筑结构相比仅有服役年限的区别。架体设计的核心工作就是选定合理简化后的计算模型，施加足够的外荷载，按照极限设计状态进行结构内力和变形计算，确定架体结构是否满足强度、刚度、稳定性的基本要求。其中结构计算的合理与否最关键的因素是所采取的计算模型是否合理，而从复杂的实际几何结构中抽象出的不同的计算模型又是与各自采用的构造措施（架体节点连接强弱程度、水平杆布置、斜杆或剪刀撑布置）密切相关的。

2 架体结构计算模型的简化

图1是典型的满堂式钢管模板支撑架的空间构造图，从图中可以看出，不管哪种类型的钢管架体，都是带斜向支撑杆件的空间钢结构梁柱框架结构，所不同的是斜杆设置方式不同，钢管梁柱节点的连接强弱程度（节点转动刚度）不同而已。

图1 满堂式钢管模板支撑架的空间构造图

对实际架体而言，由于节点数目多，架体实际为空间成千上万次超静定的空间半刚性节点框架结构，如果不做适当的简化，将难以计算其在外载下的力学响应；虽然可以采用计算机程序按照矩阵位移法、有限单元法等数值方法进行模拟，但这无疑对现场工程师而言是不现实的。因此有必要抓住架体结构的主要受力特点，进行最大程度的简化，以便能够简化为材料力学的单杆受力模型或结构力学中的连续梁模型进行分析。

图2 满堂式钢管模板支撑架的计算简图

为此，工程师们经常选取承受线荷载较大的一榀平面框架代替整体空间框架进行计算，如图2（a）所示，尽管如此，还是因为超静定次数太多难以被工程师接受。既然架体为立杆受压为主的结构，该平面结构还可进一步简化为单根连续立杆结构，如图2（b）所示。这样一来空间的多次超静定结构就简化为一根两端铰接的单节间立柱，但该立柱的计算用长度与实际节间长度是不同的。

杆系结构中杆件计算长度的物理意义是将具有端部约束条件的杆件比拟为承载力相同而长度不同的两端铰支杆看待，也就是直杆开始弯曲时弯曲线上的两个转点或反弯点之间的距离，如图2（b）。对杆件计算长度的确定，采取了把杆件和对它起约束作用的构件一起做稳定性分析，因为杆件计算长度与构造设计有密切联系，节点连接的构造方式会影响杆件的稳定性能。

由于目前广泛采用的扣件式、碗扣式、承插型盘扣式钢管支撑架各自空间构造存在区别，各类架体所依据的技术规范给出的立杆计算长度系数也存在很大的区别。表1为按照相同几何参数设计的各类钢管架体依据现行的技术规范计算得到的立杆计算长度的对比。从表1的计算长度数据表来看，对于相同的架体布置，各类架体的计算长度系数相差甚大，且最大和最小值相差2倍以上。可见，在利用单立杆局部稳定性代替架体整体空间稳定性的做法上，针对不同的节点类型，根据不同的技术规范得到的结论存在较大差别，这种方法是否值得推广值得商榷。

表1 各种技术规范条件下得到的立杆计算长度比较（m）

3 结构计算模型的演变

满堂式钢管模板支撑架这种带斜撑构件的空间薄壁钢结构框架采用哪种计算模型既简单又能反映其真实受力特点一直以来是各部支撑架规范急需解决的最为核心的内容。

从上世纪90年代开始筹备编制的扣件式钢管脚手架安全技术规程，到后来的碗扣式钢管脚手架规程、承插型盘扣式钢管支架技术规程，各自都围绕其支架本身的构造特点采取了不同的单立杆计算简化模式。2014年1月1日起执行的《建筑施工临时支撑结构技术规程》（JGJ300-2013）采用了单元框架或单元桁架的概念，利用空间杆系模型来模拟架体的空间稳定性和局部稳定性，虽然最终的表达方式也是采用单立杆计算长度和格构柱等效计算长度，但更多的是利用钢结构稳定分析理论从整个架体的空间构造层面进行综合分析。纵观这些标准，架体的计算主要有三条主线的计算模型。

3.1 单立杆计算模型

以《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ130-2011）[1]为代表的典型的单立杆计算模型：充分考虑架体空间整体构造的单立杆节间计算长度系数模式。该模式下，稳定系数的取值完全建立在试验基础之上，采取了2.0以上的安全系数，并利用有限元分析模型进行校核。该计算模式下，虽然相关计算取值有试验依托，但太过保守，行业内一直有反对意见。《建筑施工承插型盘扣式钢管支架安全技术规程》（JGJ231-2011）[2]在一定程度上也采用了这种计算模式，但更多的采用了如下条所示的节间斜杆计算模式。

3.2 桁架压杆计算模式

以《建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ166-2008）[3]为代表的节间斜杆计算模式，在这种模式下，由于立杆的节间设置了斜杆，直接将架体简化为立杆节间两端为铰接的简化模式。该模型由于太过理想化，实际使用中，很少设置通高斜杆，因此稳定性计算偏不安全，一经发布便引起了争议。

表2 考虑节点转动刚度的单元框架计算模型下架体立杆计算长度比较

3.3 考虑节点转动刚度的空间计算模式

为充分考虑上述两种计算模型的缺陷，新发布的《建筑施工临时支撑结构技术规程》（JGJ300-2013）[4]采取了一种全新的计算模型：

（1）对于不设置竖向斜杆的架体，如扣件式钢管支架以及不设置专用斜杆的碗扣式和承插型盘扣式钢管支架，应作为框架式支撑结构。框架式支撑结构又分为有剪刀撑和无剪刀撑的框架式支撑结构，框架式支撑结构的稳定性计算考虑节点转动刚度对架体稳定性的影响。

①对于无剪刀撑的框架式支撑结构采用基于欧拉压杆稳定理论的单立杆稳定分析方法，按考虑风荷载时的压弯构件与不考虑风荷载时的轴心压杆两种模式进行整体稳定性计算，该计算模式类似于上述第一条主线的计算模式。

②对于有剪刀撑的框架式支撑结构，则是利用单元框架的稳定性反映架体的稳定性。所谓单元框架就是由纵向和横向的竖向剪刀撑围成的矩形结构单元，单元框架是模板支撑架的基本计算单元。

（2）对于按照特定构造要求设置斜杆的碗扣式、承插型盘扣式钢管支撑架则属于桁架式支撑结构，此种计算模式下，不考虑节点的半刚性影响。单元桁架是桁架式支撑架的基本计算单元，是由4根立杆、各层水平杆以及竖向斜杆组成的平行弦桁架结构。此时应进行两种稳定性计算：

①单元桁架的局部稳定性验算：采用基于欧拉压杆稳定理论的单立杆稳定分析方法，按考虑风荷载时的压弯构件与不考虑风荷载时的轴心压杆模式进行计算。

②单元桁架的整体稳定性验算：将整个单元桁架看做一根竖向的格构柱，并采取等效单柱的计算长度进行压杆整体稳定性验算。

（3）考虑节点转动刚度时各种类型支架稳定性比较

为比较各种不同类型的钢管支撑架的整体稳定性，本文采用现行行业标准《建筑施工临时支撑结构技术规范》（JGJ300-2013）考虑节点转动刚度的计算模型，对几何特征相同的扣件式、碗扣式、承插型盘扣式钢管模板支撑架采用单元框架模型下的节间立杆计算长度对各类架体稳定性进行对比，各类架体的立杆计算长度如表2所示。从表中可以看出，随着节点连接刚度的减弱，立杆计算长度增大，整体稳定性下降，因此提高节点的连接性能是保证架体稳定性的重要因素。

同时，对同样构造的扣件式钢管支撑架，对比表1第1项按照单立杆计算模型的计算结果和表2第1项考虑节点半刚性情况下的计算结果可以看出，两种计算模式下得到的立杆计算长度相差20%～60%左右，可见不同的计算模式对同样的架体得到的稳定性计算结果相差甚远。

4 结论

满堂式钢管模板支撑体系作为一种临时支撑结构，确定其简化计算模型并进行稳定性计算是架体设计中最关键的一环。计算模型的冲突由来已久，几十年来，不同的支架形式对应的技术规范都采取了不同的计算模型。这一方面是每种支架的空间构造不完全一致，比如有的设斜杆，而有的设剪刀撑，导致了框架式和桁架式两种截然不同的计算模型；另一方面，随着工程界在架体使用过程中对架体的受力形态和对失稳规律认识的不断深入，从而诞生了简单的由单立杆节间失稳向考虑节点刚度的单元框架的整体失稳的不断发展和进步。究竟哪一种计算模型能够在保证架体设计安全的条件下更经济、合理，不可一概而论，需要经过理论和实践的不断考验，工程界进一步完善模板支撑架安全技术的工作仍任重道远。

[1]中国建筑科学研究院.JGJ130-2011建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ231-2010建筑施工承插型盘扣式钢管支架安全技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3]河北建设集团有限公.JGJ166-2008建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ300-2013建筑施工临时支撑结构技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

责任编辑：孙 苏

建筑知识

怎样看建筑平面图

1弄清建筑设计总说明

建筑设计总说明对结构设计是非常重要的，因为建筑设计总说明中会提到很多做法及许多结构设计中要使用的数据，比如：建筑物所处位置（结构中用以确定设防裂度及风载雪载），黄海标高（用以计算基础大小及埋深桩顶标高等，没有黄海标高，施工中根本无法施工），墙体做法、地面做法、楼面做法……等等做法（用以确定各部分荷载）。总之，看建筑设计说明时不能草率，这是结构设计正确与否非常重要的一个环节。

2建筑平面图

建筑平面图就比较直观了，主要信息就是柱网布置及每层房间功能墙体布置、门窗布置、楼梯位置等。而一层平面图在进行上部结构建模中是不需要的（有架空层及地下室等除外），一层平面图是在做基础时使用，至于如何真正的做结构设计本文不详述，这里只讲如何看建筑施工图。作为结构设计师在看平面图的同时，需要考虑建筑的柱网布置是否合理，不当之处应该讲出理由，说服建筑师修改，通常不影响建筑功能及使用效果上的修改，建筑师也是会同意修改的，如果建筑师不改那就只有再看图，看建筑平面图，了解各部分建筑功能，结构上的活荷载取值，心中就大致有数了，了解柱网及墙体门窗的布置，柱截面大小梁高以及梁的布置也差不多有数了，反正有墙的下面一定有梁，除非是甲方自理的隔断，轻质墙也最好是立在梁上。值得一提的是，注意看屋面平面图，通常现代建筑为了外立面的效果，都有层面构架，通常都比较复杂，需要仔细的理解建筑师的构思，必要的时候咨询建筑师或索要效果图，力求使自己明白整个构架的三维形成是什么样子的，这样才不会出错。另外，层面是结构找坡还是建筑找坡也需要了解清楚。

（摘自：《建筑工人》。请作者速告地址，即付稿酬。）

A Review on Calculation Model of Support Structure of Full Steel Tube Formwork

This paper points out the importance of determining the analysis model of support structure in the full steel tube formwork design and demonstrates the general simplification process of the analysis model for support structure.The characteristics of the existing different analysis model for support structure are analyzed in detail based on its development.And the differences in the calculation models are presented in accordance with the comparison of the support stability with different analysis models.

formwork support;structure calculation;calculation model;stability;construction safety

TU711

A

1671-9107（2014）02-0036-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2014.02.036

2013-11-19

周雪梅（1982-），女，重庆人，大专，工程师，主要从事施工技术研究。

于海祥（1980-），男，山东昌乐人，博士，高级工程师，，主要从事结构工程、工程力学和施工技术研究。