扣件式钢管模板高支撑架的安全性分析及施工

程锡明

摘要：本文对扣件式钢管脚手架的构造和技术要求、技术参数，不安全因素进行分析，高支模排架的结构计算，各种构件的强度和稳定性，满足安全要求是重中之重。施工过程能顺利安全无事故，很重要的一点就是在技术上充分地考虑到满足安全条件重视技术手段去消除安全隐患，确保施工全过程的安全。由此说明在建筑工程施工过程中重视技术措施为安全生产起到了重要的作用。

关键词：扣件式钢管架；整体稳定；安全性分析；施工措施

中图分类号： TU74 文献标识码： A

引言

模板高支撑架长时间以来，时常发生坍塌事故，且此类事故大多都会造成的后果相当严重，尤其是在混凝土浇筑中混凝土楼屋盖模板支架发生的坍塌事故，往往都会造成巨大的经济损失、惨重的人员伤亡和严重的社会负面影响。

一、实例概况

浙江某大型工程C区5层楼面轴～轴/轴～轴线区域为中心剧场观众席上空，其中有2根梁(截面尺寸600mm×2200mm)跨度达32.4m，离地高度达30m，该大梁在混凝土施工中采用扣件式钢管模板高支撑体系，支撑立杆搭设高度为30m，支撑立杆步距为1500mm，支撐立杆在梁宽方向设2根立杆，间距为400mm，在梁长方向也为400mm，水平剪刀撑沿高度方向每隔二排水平支撑杆设置一道，剪刀撑在水平面连续设置，同时支撑架四周外侧立面连续设置垂直剪刀撑。

二、有限元模型的建立

为了探索水平荷载对支撑体系的影响作用, 本文运用ANSYS有限元软件建立模板支撑体系整体三维模型进行有限元分析。

PIPE16是一种单轴弹性直管单元，具有拉压、扭转、和弯曲性能。该单元在两个结点有6个自由度:沿节点x，Y，z方向的平移和绕结点x，Y，z轴的旋转。该单元基于三维梁单元(BEAM4)，包含了根据对称性和标准管几何尺寸进行的简化。它可用于计算应力硬化及大变形的问题，通过一个相容切线刚度矩阵的选项用来考虑大变形的分析。这个单元是建立在三维梁单元基础之上，建模时可以直接输入钢管的内外径以及其他的实常数。支撑架的立杆是承受压、弯的构件，因此可以用PIPE16单元来模拟支撑架立杆，水平杆也是受压或受弯构件，所以也用PIPE16单元来模拟。

三、水平荷载的模拟

现浇混凝土结构模板高支撑体系有限元模型中,先不考虑大梁竖向荷载的作用, 支撑体系只在自身自重作用下, 然后在大梁一端截面上施加水平面力f, 来研究水平荷载对支撑体系的影响, f分别取值0, 5 kN/m2, 10 kN/m2, 20 kN/m2, 50 kN/m2, 示意图如图1所示, 图中, X1剖面距大梁左端距离为1.2m, X2剖面距大梁左端距离为8.4m; X3剖面距大梁左端距离为16.4m, X4剖面距大梁左端距离为25.2 m; X5剖面距大梁左端距离为32.4m。大梁支撑体系中, 梁侧布置的两排垂直剪刀撑, 剪刀撑底部杆件编号如图2所示, 梁宽方向两根立杆编号为立杆1和立杆2。

图1 模板支撑体系在水平荷载作用下示意图

图2 模板支撑体系中垂直剪刀撑布置示意

四、水平荷载的影响

扣件式钢管模板支撑体系是偏心受压构件，搭设的偏差会对立杆诱发水平作用力。风荷载会产生较大水平荷载，输送混凝土时的泵管的水平冲力，浇筑混凝土时振捣器的水平振动力，这些因素都会直接产生水平荷载。施工期发生的扣件式钢管模板支撑体系倒塌事故一个重要的原因是高支撑体系在水平荷载作用下抗侧向变形能力不足，然而现行计算方法对扣件式钢管模板高支撑体系设计仅仅提出构造上的要求，未列入设计计算要求。本文采用有限元分析方法模拟水平荷载作用对模板支撑体系承载能力的影响。

由计算结果可知，当PY<-1kN时，水平荷载沿着x轴负向作用，支撑体系的承载能力随着水平荷载值的增大而增大，出现这种情况的原因在于，沿x轴负向作用的水平荷载可以约束支撑体系的侧向变形，从而使承载能力增强;然而增大的幅度很小，最大增幅也仅仅只有6.7070k。此种情况下的失稳模态图为典型的整体破坏形式，整个支撑体系在长向的中部向y轴正向发生鼓曲变形。

当PY>0kN时，水平荷载沿着x轴正向作用，支撑体系的承载能力随着水平荷载值的增大而减小，起初降低的幅度较慢，随着水平荷载值的增大承载能力的降低幅度也在增大，当PY=1kN时，承载力值为29.494kN，仅比无水平荷载作用时的承载力下降2.169%，当PY=5kN时，则下降到17.116%，而当PY=10kN时，承载能力则降到最低值巧.536kN，比无水平荷载作用时的承载力降低48.468%。从失稳模态图3来看，PY=0~4kN时的破坏形式与PY<-1kN时的情况类似，区别在于前者是在长向的中部向y轴负向发生鼓曲变形;当PY>5kN时的破坏形式，与PX>4kN时的破坏形式类似，区别在于:PY=5~6kN时，顶层水平杆沿着y边向下发生鼓曲变形，当PY=7~10kN时，顶层水平杆沿着y向上发生鼓曲变形。

图3支撑体系典型失稳模态图

图4～图7反映了在水平荷载作用下模板支撑体系中, 垂直剪刀撑和竖向立杆各剖面处水平方向内力和竖向内力的变化规律。

图4外排垂直剪刀撑水平向轴力值

图5 外排垂直剪刀撑竖向轴力值

图6 内排垂直剪刀撑竖向轴力值

图7 各剖面处立杆1轴力值

五、综合分析水平荷载的影响

综合上述水平荷载的影响，可以发现:在顶层水平杆的X边(即长边)施加水平荷载情况下，当水平荷载值PX=-6~3kN时，水平荷载的变化对承载能力的影响甚微，与没有水平荷载作用时的承载力30.148kN相差在1%以内，当水平荷载值超过这一范围时，承载能力值的下降非常明显，因此，针对本文中的支撑架，施工过程中产生的水平荷载应该尽量控制在-6~3kN以内;在顶层水平杆的y边(即短边)施加水平荷载时，当水平荷载沿着x轴负向作用时，对支撑体系的承载能力具有提高作用，有利于体系的受力，因此在施工中产生的水平荷载应该尽量使其沿着x轴作用。

对于一般的模板支撑体系而言，水平荷载并不总是产生不利影响，当水平荷载作用的方向与支撑体系屈曲方向相反时，水平荷载会削弱支撑体系的破坏趋势，限制支撑体系的屈曲，从而对整体的承载能力具有提升作用;相反当水平荷载的作用方向与支撑体系屈曲方向相一致时，则会加速支撑体系的破坏，以致于使整体的承载能力大大降低;因此在实际施工中，应尽量使水平荷载的沿着有利于支撑体系承载能力的方向作用，最好是能采取相应措施使水平荷载的作用相互抵消或是处于对称加载的状态，以减小对支撑体系整体受力性能的影响。

六、施工过程中主要风险的预防措施

（一）、合理设置剪刀撑和加强层

1)模板支撑体系的四周边应由底至顶连续设置竖向剪刀撑，并且要保证支撑架的四个拐角与周围建筑物有很好的拉结，这样即使在没有其他构造措施的条件下，也可以有效的保证支撑体系的整体性。2)水平加强层对支撑体系的承载能力具有十分突出的提高能力，随着搭设密度的提高，承载能力不断增强;因此在实际工程中，水平加强层的数量设置的越多越好;然而从安全性和经济性综合考虑的角度出发，本文建议实际施工中采用中间竖向剪刀撑和上中下三层水平加强层相结合的方式，可以有效的保证支撑体系的稳定性。

（二）、加强对模板支撑体系的监督和管理

坚决杜绝仅凭经验搭设，要保证模板支撑体系先设计后施工。模板设计包括支撑体系稳定计算、构造措施和材料种类等，并应考虑现场各种不利条件，重视斜向支撑，增加模板支撑系统的整体稳定性。模板设计不仅要有计算书，而且要对细部构造画出大样，包括材料选用规格尺寸、接头方法、水平横杆布置间距和剪刀撑设置要求等。模板施工技术方案，须包括模板制作、安装拆卸的安全措施，以及安全交底。

结束语

总而言之，通过验算可知，对影响扣件试钢管模板高支撑架结构体系安全性的各种施工因素的分析，进而提出了搭设扣件试钢管高支撑模架时，在架体安全构造上施实施的施工措施。

参考文献

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