十字盘脚手架在进口闸门井弧形过流顶壳混凝土浇筑中的应用

陈 敏，张 辉，刘 东

(中国水利水电第五工程局有限公司，成都，610066)

十字盘脚手架在进口闸门井弧形过流顶壳混凝土浇筑中的应用

陈 敏，张 辉，刘 东

(中国水利水电第五工程局有限公司，成都，610066)

十字盘脚手架是一种新型的建筑施工支撑体系，可广泛应用于建筑结构、市政桥梁隧道等工程的脚手架及模板支撑架、钢结构施工现场拼装的承重架；在进口闸门井弧形顶部混凝土结构采用特制钢桁架顶模浇筑，脚手架体系需要承担大体积混凝土自重及顶模自重、各种施工荷载，而十字盘脚手架除能够满足其荷载、强度和刚度等基本要求外，还具有良好的稳定性、组合杆件灵活及装拆迅速等特点。既能保证混凝土浇筑的安全稳定，又能保证混凝土浇筑强度，更重要的是能够缩短混凝土施工的工期，降低施工成本。

十字盘脚手架 支撑 荷载 混凝土浇筑 闸门井

1 工程概况

本工程为金沙江白鹤滩水电站左岸导流隧洞施工工程。左岸导流隧洞共布置三个，编号1#、2#、3#导流隧洞，其中1#闸门井为单孔，2#、3#闸门井均为双孔。闸门井在闸墩单独进行混凝土浇筑，达到弧形起拱线位置暂停施工，与整个弧形顶壳整体采用定制的钢桁架顶模一起进行整体浇筑。进口闸门井混凝土保质保量的完成是实现顺利截流的关键保证，闸门井弧形顶壳混凝土浇筑是该项工作的重中之重。采用十字盘脚手架能够保证作为模板的底部支撑的荷载、强度和刚度，且其装拆方便、灵活等特点，大大缩短了整个混凝土施工时段的时间消耗。因此，闸门井弧形顶部混凝土模板支撑采用十字盘脚手架体系是一种切实可行的选择。本工程3个闸门井过流顶壳选用北京卓良模板有限公司的十字盘脚手架支撑，作为特制钢桁架顶模的下部支撑。

2 支撑架简介及优点

十字盘脚手架是一种新型的建筑施工支撑体系，采用低合金结构钢为主材，综合碗扣式脚手架和塔架的特点，采用Q345材料做主承力杆，具有很高的承载能力；桁架式结构，有良好的稳定性；标准化组合，装拆迅速。为保证体系有足够的安全性，本工程十字盘脚手架竖管的圆管规格采用φ70系列。

优点：①立杆上有水平、斜向传力杆，每个单元近似格构柱，节点强度大，承载力高；②系列化、标准化设计，适应各种空间结构组合，便于储存、运输和堆放；③水平、斜向杆与立杆链接和拆卸，只用铁锤敲击即可完成，速度快，操作简单，工效高；④每个水平杆上的连接装置由铸造连接件和两个插销组成，插销可以活动但不可脱落，方便实用，不宜丢失零件；⑤设计有移动脚轮，可整体吊装，减少反复拆装造成的损坏；⑥低合金结构主材表面经热浸镀锌处理，节省材料，绿色环保，符合现代材料的发展方向。

3 十字盘脚手架计算

3.1 计算说明

(1)结合本工程特点采用标准件进行拼装，水平管尺寸用1500mmQ235钢规格进行计算；竖直管用1500mmQ345B钢规格进行计算。底座4个，支撑头4个，另外连接斜撑若干拼装而成；

(2)上部荷载为集中荷载，由4个支撑头传递到下部架体主体，上部荷载按照最不利荷载进行计算；

(3)由于脚手架设置“连墙杆”，倾覆力矩由墙体抵抗，在《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130-2001及《建筑施工门式钢管脚手架安全技术规范》JGJ128-2000中都免去了倾覆验算的内容。如果不设连墙杆，必须进行脚手架的倾覆验算。所以，对于模板支架、施工用的操作架等无连墙杆的脚手架，首先应保证脚手架不倾覆而进行倾覆验算，然后才是强度、刚度和稳定性计算。

3.2 脚手架的抗倾覆验算

(1)无连墙杆的脚手架，作为一个刚体应按如下表达式进行倾覆验算：

0.9CG1G1k-1.4×0.9(CQ1Q1k+Cwwk)≥0

(1)

式中：0.9——起有利作用的永久荷载的荷载分顶系数；

CG1、G1k——起有利作用的永久荷载的荷载效应系数、荷载标准值；

CQ1、Q1k——第一个可变荷载的荷载效应系数、荷载标准值；

Cw、wk——风荷载的效应系数、风荷载的标准值。

对于规整脚手架，其上作用的永久荷载、可变荷载是抗倾覆的，它们不参与倾覆验算，故式(1)变为以下式(2)进行倾覆验算：

0.9CG1G1k-1.4Cwwk≥0

(2)

式(2)适用于有施工活荷载的规整脚手架。在倾覆验算时，为保证安全，需引入抗倾覆安全系数k，一般取k=1.2，即抗倾覆力矩为倾覆力矩的1.2倍以上。

(2)设搭设的规整脚手架，长度L=17m、宽度B=3m、高度H=25m，即只将单孔最靠近里程0～20处两排共计5个单元进行连接，其上只有脚手架自重和风荷载以及钢框作用，进行抗倾覆验算时钢框为永久有利荷载，本次验算不计入钢框有利荷载趋向于安全。其倾覆沿受风面大的脚手架的外沿线，倾覆力矩Mov由风荷载产生：Mov=1.4wkLH2/2，沿单位长度上的倾覆力矩Mov=1.4wkH2/2。抗倾覆力矩Mr由脚手架自重产生：Mr=0.9gkLHB/2，沿单位长度上的抗倾覆力矩Mr=0.9gkLHB/2。引入抗倾覆系数k，倾覆力矩与抗倾覆力矩之间的关系应满足下式要求：

1.4kwkH2/2≤0.9gkHB/2

将其整理后可得到：

H/B≤0.6429gk/(kwk)

取k=1.2代入上式，得：

H/B≤0.5357gk/wk

在理解三种方法的意思时，部分学生出现困难：方法二和方法三，先求的是什么？后求的是什么？看着抽象的数量，学生眉头紧锁，睁着茫然的眼睛看着黑板。

wk——风荷载标准值(kN/m2)，wk=μZμsw0，取值为wk=0.0598kN/m2。μZ为风压高度变化系数，按《建筑结构荷载规范》GB50009-2001规定采用，μz=1.25；us为风荷载体型系数，可参考JGJ130-2001采用，us=1.3φ=0.1625；w0为基本风压，按GB50009-2001规定采用，基本风压取九级风，平均风速产生的w0=0.32kN/m2。

经计算得H/B=0.5357gk/wk=0.5375×0.6824/0.0598=6.113，而本脚手架的高度和宽度之比H/B=25/3=8.33，单框脚手架高宽比=25/2.4=10.42，均不符合H/B≤0.5357gk/wk的要求。因此，必须设置水平向拉结钢管满足抗倾覆要求。

倾覆力矩Mov=1.4wkLH2/2=444.77kN·m，按规范表5.1.7，直角、旋转单扣件承载力取值为8.00kN，按照扣件抗滑承载力系数0.80，该工程实际的旋转单扣件承载力取值为6.40kN。按照脚手架单元之间各水平方向连接架管时，取安全系数为2，对底部取弯矩为：

444.77/[6.4(6+12+16.5+21)/2]=2.504

即在高度方向上每6m布置3道水平连接架管即可达到防倾覆要求，即可不必设置连墙件。

由于本工程脚手架体系为配合上部钢框模板均采用单元形式设置，所以单元与单元之间在高度方向需设置2道水平连接架管，计算框架内在同一高度设置12道水平连接架管。

3.3 水平杆配件的承载

3.3.1 水平杆配件的抗弯强度计算

可得水平杆可承受的最大弯矩Mmax=W·f=8.985×103×215=1.93×106N·mm。

表1 考虑抗弯强度水平杆可承受的荷载

水平杆规格水平杆长度l(m)0.60.91.21.51.82.12.43.0水平杆线荷载q(kN/m)42.919.110.76.94.83.52.71.7

3.3.2 水平杆配件的变形计算

ωmαx≤[ω]，[ω]=l/400

表2 考虑杆件变形水平杆可承受的荷载

水平杆规格水平杆长度l(m)0.60.91.21.51.82.12.43.0水平杆线荷载q(kN/m)19.75.92.51.30.70.50.30.2

根据抗弯强度和变形计算结果，q选取两者中较小值，即取表2的值，施工中，考虑施工荷载及脚手板自重荷载不应超过0.7kN/m，取水平杆线荷载为选用最长为1.5m水平杆满足受力与变形要求。

3.4 单根立杆承载力计算

立杆为φ70×3.5，截面面积A=731.2mm2，惯性矩I=40.531×104mm4，回转半径i=23.54mm，抗弯截面模量w=11.58×103mm3。材料采用Q345，抗拉、压、弯强度设计值f=310N/mm2，抗剪强度设计值fv=180N/mm2。

3.4.1 强度计算

立杆的截面一般没有削弱，强度不是它的控制条件，因此不需验算强度。

3.4.2 稳定计算

组合风荷载时，采用下式计算：

φ——轴心受压杆件的稳定系数，由立杆的长细比查得；

风速取最大允许风速29m/s，风力等级大于9级，考虑到杆件迎风面受压和背风面受吸，取1.5的系数。

则风压标准值：

wk=1.5×V2/1600=1.5×292/1600=0.789kN/m2

风线荷载标准值：

qwk=wk·d=0.789×0.07=0.055kN/m

风荷载产生的弯矩：

μ为立杆计算长度系数，立杆按两端固接，则此值为0.65。

根据λ=41.42，焊接圆管属于b类截面，查的φ=0.88

圆管的极限承载力由压杆失稳控制时，其破坏特征属于脆性破坏特征。因此，当圆管的长细比小于100时，稳定计算中，强度设计值乘以0.9的折减系数。

得竖杆所能承受的最大轴向荷载为：

即单根立杆的承载能力为17.8t。

3.5 脚手架搭设高度计算

脚手架是由一个个的标准框组合而成，2400mm×1500mm标准框四角为φ70×3.5圆管，截面面积A=731.2mm2，惯性矩Ix1=Iy1=40.53×104mm4，回转半径i=23.54mm。整个构件截面的惯性矩和回转半径分别为：

整体稳定性：要使得整体失稳晚于单根立杆失稳，那么标准框的稳定系数要大于单根立杆的稳定系数，这里假设标准框的稳定系数为0.9，那么通过查表得长细比为λ=32，得标准框自由搭设高度H=ixλ=876.1×32×10-3=28m。

3.6SAP2000建模计算

根据白鹤滩左岸导流洞顶板支撑的搭设情况，搭设高度取24m，脚手架布置为1200mm×1500mm，以其中一个标准单元来进行建模分析。

水平管为φ48×3.0，采用1200mm、1500mm两种规格，均采用Q235钢。竖直管为φ70×3.5，采用1000mm、1500mm、2000mm规格，均采用Q345B钢。

顶板浇筑高度为3m，脚手架布置为1200mm×1500mm，则单根脚手架承受的混凝土重量F=1.2m×1.5m×3m×2.5t/m3=13.5t，顶部施工荷载和钢框架模板按0.6t考虑。合计单根承受为14.6t。SAP2000建模中按单根14.6t加载来计算十字盘脚手架的稳定性。

(1)点连接简化：竖杆之间是通过竖管连接件用竖杆连接销子连接，简化为钢接，水平杆件是通过铸造连接件与竖管连接的，简化为铰接形式；斜撑简化为铰接。

(2)支座简化：脚手架是直接支撑到地面上的，但是由于其在竖向荷载作用下与地面存在摩擦力，也就是在水平向对支座也有约束，为了计算合理，将支座简化为有两个方向约束的铰接形式。

(3)传力说明：力是作用于竖向杆件上的，在模型分析中将其作为节点荷载的形式施加于竖向杆件上，但由于杆件可能存在的初变形以及作用力的偶然偏心等因素影响，水平杆件以及斜撑会传递部分弯矩。搭设高度为24m，单根杆施加外荷载为14.6kN。

(4)分析结果：应力比限定模型中如果杆件出现红色表示未通过设计。未通过设计的原因可能是竖杆应力比超限、失稳破坏、刚度破坏等。由分析可知本工程各个杆件均满足要求。

在此工程中，根据计算，单根立杆的承载力为17.8t，针对此工程顶板浇筑高度3m，按1200mm×1500mm布置十字盘脚手架是安全的。

4 十字盘脚手架搭拆

4.1 搭设工艺流程

(1)支撑架基础验收：支撑架底托直接放置于进口闸室底板表面，清除表面上的杂物，保持支撑架基础面的清洁平整，经过项目部自检人员验收后进行后序施工。

(2)施工测量定位：测量大队根据闸门弧形顶壳混凝土浇筑方案中的十字盘脚手架布置要求，在闸室底板上对底托放置点进行放样，用红油漆进行标识并对施工作业人员进行必要的讲解。

(3)安装可调底座调至设计高度：按照设计要求和现场实际情况对底座进行调节，使之符合设计要求，保护可调底托，防止底托移位和损坏。

(4)安装杆件：按照先立杆、横杆之后扫地杆再斜杆的安装顺序，分单元进行底部第一层标准件的安装，保证杆件之间连接牢固。

(5)水平尺校正水平和垂直：派专人利用水平尺对已经安装完成的水平杆和垂直杆进行检查，针对不合格的杆件及时矫正直至满足要求。

(6)其他上部单元安装：按照以上(4)和(5)的步骤重复作业，并对各个单元之间的连接进行测量校正，直至各个部位设计的可调顶托处。

(7)安装可调顶托，调至设计高度：安装可调顶托，并按照测量的定位将可调顶托的顶托调至设计要求，妥善保护顶托，防止受到损坏和移位。

4.2 拆除措施

(1)拆除原则：遵循后装先拆，先装后拆的原则。结构顺序上先拆除顶板模板支撑，后拆除梁模板支撑，最后拆除下部标准件。

(2)拆除方法：针对顶托，拆卸之后统一放置于无盖的储存柜中，拆卸完成及时运至安全地带；针对单元与单元之间的连接钢管和脚手架立杆、横杆及斜杆，拆除之后分类放置在未拆除的下层支架上，支架上铺设相应长度的木板，以防止杆件滑落，拆除达到之前运至底部不影响施工地带。

(3)拆除保护：对于已经拆卸完成的支架零件，运至安全地带后及时进行数量清点和杆件清洁，祛除零件上的混凝土浆液、残渣等，对临时放置在露天现场的还要进行防雨、防污染等遮盖保护，尽可能将不用的零件归还项目部物资部进行入库保存。

4.3 支撑架搭、拆要求及安全管理

4.3.1 搭设要求

支撑架搭设和拆除人员持证上岗，操作人员和施工人员应经过架体技术培训和技术交底。搭设过程随时利用水平、垂直杆进行复测，检验合格后再进行上一标准层架体的搭设，每根横杆、斜杆安装后，应随时将插销紧固好。顶托伸出长度根据测量数据定位。

4.3.2 拆除要求

架体拆除前进行技术交底后才能进行拆除工作，应划分作业区，周围设绳绑围栏或竖立警戒标志，地面应设专人指挥，禁止非作业人员进入。拆架时要统一指挥，当解开与另一人有关的结扣时，应先通知对方，以防坠落。拆架时严禁碰撞附近电源线，以防触电事故。运至地面的材料应按指定地点随拆随运，分类堆放。

4.3.3 安全管理

(1)人员安全管理：进入施工区域的作业人员及管理人员必须戴好安全帽。从事脚手架搭设的人员要持证上岗，凡患高血压病、心脏病、贫血病等人员不得从事架子搭设作业，饮酒后禁止作业。将架面上的材料物品堆放整齐，严禁自架上向下抛掷材料物品。对操作人员进行三级安全教育，并实行考试成绩合格者准许上岗，对考试不合格的人员实行再教育、再培训、再考核直至合格方可上岗。

(2)物品安全管理：作业人员佩戴相应的安全防护用品，安全带遵循高挂低用，挂在牢固的地方。严禁抛扔工具、扣件等物品，必须用专用工具袋。

(3)施工安全管理：架子搭设完毕后，经验收签认合格后，才可投入使用。在作业中发现有不安全的情况和迹象时，立即停止作业进行检查，解决以后才能恢复正常作业。使用过程中，严禁拆除任何杆件或零配件，如妨碍作业需拆除个别杆件时，需经支撑架设计人同意并采取可靠措施后方可拆除，作业完成后，马上复原。在浇筑混凝土前重点检查、巡查的部位，在混凝土浇筑施工过程中，应严格按照混凝土施工方案进行，严格按照混凝土浇筑顺序、速度，对称、分层浇筑，避免产生集中荷载。支撑架下面要安装照明灯，派专人进行巡查，发现异常，立即停止浇筑混凝土，并及时组织人员进行加固处理。

5 实际效果对比

5.1 需要材料、回收材料对比

需要材料对比：一般扣件式脚手架采用钢管加扣件的形式，浇筑层高2m，单方需要架管量26kg，十字盘脚手架浇筑层高3m，单方需要钢架管量20.9kg，单方节省材料5.1kg，弧形顶壳混凝土21000m3，共计节省材料107.1t。

回收材料对比：按钢管主件同样回收率100%的情况下，由于扣件式采用扣件，螺丝、螺帽等单独的构件单元，施工过程不可避免的要丢失，而整个施工需要546t，损失量数目不小；而采用十字盘脚手架没有多余的零件，都是与主杆件连接在一起，避免材料的丢失。

5.2 搭设拆除需要时间对比

以一个闸门井为例，一般扣件式脚手架搭设时间要持续30d左右，而采用十字盘脚手架搭设时间仅仅需要7d左右，节约时间是扣件式脚手架的4倍多。

5.3 混凝土浇筑效果对比

由于70系列十字盘脚手架单根承载力20t，是扣件脚手架单根承载力4.4t的4倍多，造成顶模在混凝土浇筑时变形较小，不容易出现混凝土缺陷。按照设计，扣件式脚手架浇筑层高2m，实际采用十字盘脚手架浇筑层高3m，大大缩短了混凝土的浇筑周期，在保证工期一定的情况下，与扣件式相比，增加了养护时间，保证了混凝土强度。

5 结语

进口闸门井弧形过流顶壳混凝土模板的支撑体系，要求具有迅速、快捷、高效、稳定、安全的特点，而采用十字盘脚手架有效地解决了此类问题，保证了闸门井混凝土浇筑的顺利完成，实现了过流的节点任务，施工过程中混凝土顶壳模板安全稳定，没有出现质量安全事故；材料回收率达到了95%以上；三个闸门井混凝土浇筑由计划的377d工期到使用十字盘脚手架后缩短为238d，缩短工期135d，大大缩短了实际的混凝土浇筑施工成本；为业主带来了效益。由此可见：十字盘脚手架在闸门井弧形过流顶壳模板支撑体系中得到了成功的应用，为以后其他类似的工程提供了有效的参考。

〔1〕GB50017-2003.钢结构设计规范[S].

〔2〕GB50205-2001.钢结构工程施工质量验收规范[S].

〔3〕GB50018-2002，冷弯薄壁型钢结构技术规范[S].

〔4〕Q/SYZLM003-2010.十字盘脚手架[S].

〔5〕GB50009-2001.建筑结构荷载规范(2006版)[S].

〔6〕江正荣.建筑施工计算手册[M].北京：中国建筑社，2001.

〔7〕GB50204-2002.混凝土结构工程施工质量验收规范[S].

〔8〕JGJ130-2011.建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范[S].

〔9〕(JGJ166-2008).建筑施工碗扣式脚手架安全技术规范[S].

〔10〕JGJ231-2010.建筑施工承插型盘扣件钢管支架安全技术规程[S].

〔11〕JGJ80-91.建筑施工高处作业安全技术规范[S].

〔12〕JGJ162-2008.建筑施工模板安全技术规范[S].

陈 敏(1984.3-)，男，四川成都人，助理工程师，水电五局白鹤滩泄洪洞项目部副总工，从事水电工程技术与管理工作。

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TU731.2∶TV544

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2095-1809(2017)02-0018-06