扣件式模板高支撑体系设计与整体稳定性分析

王 绪 旺

(商洛学院 城乡规划与建筑工程学院， 陕西 商洛 726000)

扣件式模板高支撑体系设计与整体稳定性分析

王 绪 旺

(商洛学院 城乡规划与建筑工程学院， 陕西 商洛 726000)

采用规范法对商洛某工程拟应用的扣件式钢管模板高支撑体系进行施工设计和验算，并运用脚手架半刚性节点计算方法分析其整体稳定性，提出安全储备因数。结果表明：该扣件式钢管模板高支撑体系的木模板、主次龙骨、顶托梁和梁模板的抗弯强度、挠度满足规定设计要求，立杆稳定性、立杆强度、穿梁螺栓、连墙件稳定性、立杆基础满足规定设计要求，经过对比分析表明采用规范法计算整体稳定性偏于保守，安全储备因数比半刚性节点法计算结果增大1.06倍，在一般性的脚手架支撑体系中，完全可以采用半刚性节点法计算，满足施工要求。

扣件式钢管；模板高支撑体系；设计；整体稳定性

扣件式钢管模板支撑体系在建筑工程中广泛应用，但在实现结构的大跨度、高空间应用中存在诸多难点。如何实现新型建筑混凝土结构的大跨度、高空间的设计理念，展现建筑师原本的设计风格，是工程施工技术人员所面对的新的难题。施工阶段、正常使用阶段和疲劳阶段是混凝土结构工作的三个阶段，建筑结构的安全，既要保证建筑结构在使用阶段的安全，还要保证施工阶段的安全。然而，近些年的工程坍塌事故时有发生，主要发生在施工阶段[1]。仅2014年，因模板支撑体系坍塌造成死亡超过3人的事故多达16起，2015年2月9日，云南文山某学生活动中心工程高支模的施工现场出现了8人死亡7人受伤的较大生产安全事故[2]。因此，当采用高大模板支撑体系时要进行科学合理的施工布局设计，对支撑体系的整体稳定性要进行验算分析，既要满足规范设计要求，还要保证施工阶段的安全。

1 工程概况

陕西省商洛某工程主楼是框架-剪力墙结构，框架三级，剪力墙二级，采用筏板基础，主楼地上12层，地下1层，建筑高度43.5 m，在A段第4层结构⑥-⑨轴/?-?轴处为中空，高支模面积94.5 m2,高度8.7 m，⑥-⑨处跨度7.5 m，梁宽350 mm，梁高600 mm，楼板厚度120 mm，如图1所示。

图1 高支模体系

2 支模体系施工设计与验算

2.1 支模体系施工设计

本工程支撑体系拟定采用满堂扣件式钢管脚手架，模板、主龙骨、次龙骨依次采用：规格尺寸为1 830 mm×910 mm的15 mm厚木胶合板、Φ48×3.0@800 mm的双钢管、40 mm×80 mm@200 mm的方木，材料应符合施工用料标准。梁模板中设置对拉螺栓2道，对拉螺杆竖向间距400 mm，M14穿梁螺栓固定；承重架采用无承重立杆,木方垂直梁截面支设方式；梁底采用托梁支撑形式；木方间距150 mm；脚手架搭设高度8.58 m；纵横间距0.9 m，步距1.5 m。为了保证结构安全，高架支模下1层所有架体在高架支模体系拆除后方可拆除,高架支模施工时，下层楼板强度必须达到95%以上[3]。

2.2 支模体系施工验算

2.2.1 搭设参数

① 模板支架高8.58 m；② 立杆纵距b、横距l、步距h分别是0.90 m、0.90 m、1.50 m；③ 木方间距0.20 m；④ 梁顶托采用Φ48×3.0 mm的双钢管；⑤ 立杆伸出顶层水平杆中心的长度不超过0.2 m。楼板支撑架立面及荷载计算单元见图2、图3。

2.2.2 确定荷载组合分项系数

按承载能力极限状态设计，按照《建筑施工模板安全技术规范》[4](JGJ 162—2008)确定荷载组合分项系数如下：

当可变荷载效应起控制作用时，组合按照公式(1)计算如下：

(1)

当永久荷载效应起控制作用时，组合按照公式(2)计算如下：

(2)

经过计算分析可知：当可变荷载效应起控制时，荷载效应组合的设计值S最大，按照规范，取γG=1.2，γQ=1.4。

钢管惯性矩计算采用I=π(D4-d4)/64

(3)

钢管抵抗距计算采用W=π(D4-d4)/32D

(4)

图2 楼板支撑架立面

图3 楼板支撑架荷载计算单元

2.2.3 构件强度计算

根据图1所示的高支模体系，模板面板按照三跨连续梁计算；木方按照均布荷载,两跨连续梁计算；托梁按照集中与均布荷载下多跨连续梁计算，如表1所示。构件的强度计算采用以下公式：

抗弯强度f=M/W

(5)

抗剪强度T=3Q/2bh

(6)

挠度v=0.677ql4/100EI

(7)

式中：M为面板的最大弯距,N·mm；W为面板的净截面抵抗矩,N/mm3；Q为面板的最大剪力,N;q为面板的荷载设计值,kN/m。

经验算如表1所示，各构件强度计算值与挠度，均满足《建筑施工模板安全技术规范》[4](JGJ 162—2008)要求。

表1 规范方法计算的各构件强度计算值与挠度

2.2.4 扣件式钢管支架立杆的稳定性计算

在风荷载作用下, 计算立杆的稳定性按照公式(8)进行计算：

(8)

顶部立杆NW==8.629 kN

非顶部立杆NW=9.678 kN

顶部立杆段：

①a=0.2 m时，ul=1.540，l0=3.467 m；λ=3467/16.0=217.386

允许长细比[λ]=183.448<210,长细比验算满足要求。

φ=0.155，σ=147.033 N/mm2

②a=0.5 m时，ul=1.215，l0=3.599 m；λ=3599/16.0=225.670

允许长细比λ=190.439<210,长细比验算满足要求。

φ=0.144，σ=156.891 N/mm2

依据规范做承载力插值计算a=0.200时，σ=147.033 N/mm2,立杆的稳定性计算σ<[f]，满足要求。

2.2.5 梁模板支架验算

(1) 在验算强度时，各个方向所产生的荷载效应值均应考虑，既要考虑新浇筑混凝土时产生的侧压力，还要考虑在混凝土泵送倾倒施工时产生的荷载设计值；而在进行挠度验算时，只需考虑新浇筑混凝土时产生的侧压力，计算新浇混凝土侧压力产生的荷载标准值。新浇筑混凝土时产生的侧压力取公式(9)中的较小值：

(9)

F=γcH

(10)

式中：γc=24.0 kN/m3，为混凝土的重度；V=2.5 m/h，为浇筑混凝土的速度；t=3.0 h，为新浇混凝土的初凝时间；T=20.0 ℃，为混凝土的入模温度；H=1.2 m，为混凝土侧压力计算位置处至新浇混凝土顶面总高度；β=0.85，为混凝土坍落度影响修正系数。

按照公式(9)～式(10)进行计算新浇筑混凝土时产生的侧压力标准值，比较取其较小值为F1=27.090 kN/m2。

图4 梁模板

(2) 梁模板侧模。楼板模板将荷载传递至梁侧模面板上，梁侧模面板在方木、紧固件等的约束下稳定，如图4所示。此时梁侧模面板受力机理可视为承受均布荷载的连续梁，梁侧模板所承受的均布荷载为Q=(1.2×27.09+1.40×6.00)×0.60=24.545 N/mm。

表2 规范方法计算梁侧模强度计算值

经验算，各构件强度计算值与挠度[4-5]，均满足规范要求。

2.2.6 穿梁螺栓计算

N=9.82 kN<[N]=fA=17.850 kN，满足要求。

式中：N为穿梁螺栓所受的拉力；A为穿梁螺栓有效面积,mm2；f=170 N/mm2，为穿梁螺栓的抗拉强度设计值。

2.2.7 连墙件稳定性计算

连墙件是脚手架结构体与建筑结构主体连接的传递荷载装置，应满足承载能力极限状态下的稳定性。根据《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》[5](JGJ130—2011)构造要求，选用Φ48×3.5 mm的钢管，此时可不计算其稳定[6]。

2.2.8 立杆基础计算

在A段第4层结构⑥-⑨轴/?-?轴处为中空，第3层结构⑥-⑨轴/?-?轴处楼板为高支模立杆的基础，应验算第3层结构⑥-⑨轴/?-?轴处楼板强度能否满足承载能力极限状态下的稳定性。

立柱底部楼板强度计算按照《建筑施工模板安全技术规范》[4](JGJ 162—2008)中对立柱底地基承载力的计算方法进行。经过层层结构板强度验算，在混凝土浇筑第70 d以后，第1层到第8层的楼板强度和不足以承受以上楼层传递下来的荷载，所以第8层以下的模板支撑必须保存，以保证高支模的稳定性。

经过以上对构件强度、钢管支架立杆的稳定性、梁模板支架、穿梁螺栓、连墙件稳定性、立杆基础的计算，高支模体系施工设计的各项指标满足规范要求。

3 扣件高支撑整体稳定性分析

模板高支撑架中，水平杆与剪刀撑对立杆有侧向支撑的约束力，因此，研究支撑架的稳定性时，必须考虑立杆与水平杆和剪刀撑的共同作用[7]。根据工程现场情况进行科学合理地设置连墙件，连墙件的设置可为整体扣件式脚手架提供较好的抗弯和抗扭能力，从而提高架体的稳定性[8]。连墙件的设置常用有后锚固法、预埋铁板法、预埋钢管法、预埋钢筋连接法等，采用预埋铁板法优于后锚固法，是一种比较好的连接方式[9]。为了提高连墙件的整体稳定性作用，在⑥轴⑨轴与?轴交汇处采用预埋铁板法设置连墙件。

脚手架的计算模型主要有：铰接点模型、排架模型、刚(框)架模型[10-14]。文献[14]分析研究并论证了这三种计算模型的合理性，认为扣件节点具有半刚性连接方式的特征，应该值得应用。

《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》[5](JGJ130—2011)中明确脚手架承载力的控制是通过限制其在一定构造条件下的立杆计算长度系数实现的，脚手架立杆计算长度

l0=kμh

(11)

式中k=1.155，含义为计算长度附加系数；μ按表3取值，表示脚手架整体稳定因素的单杆计算长度系数；h含义为立杆步距；按照脚手架半刚性节点计算方法[15]分别计算不同连墙件布置、不同立杆横距条件下的整架稳定承载力，再按照规范换算成脚手架立杆计算长度系数μ，计算结果见表3。

表3 脚手架立杆计算长度系数

由表3可知，规范法与半刚性节点法计算结果显示，规范法更多地进行了强度储备和实际情形差异性分析。实际结构与设计计算时采用的简化计算模型有差异，这些差异一般很难全面考虑到，为防止意外事故和构件可能在负荷重产生超出工作范围的不利因素，又进行了安全扩大，而采用的扣件节点半刚性计算法更能接近实际杆件受力，规范法比半刚性节点法计算结果又将安全储备因数[16]n增大的倍数n=μ规范法/μ半刚性节点法=1.80/1.70=1.06。在一般性的脚手架支撑体系中，完全可以采用半刚性节点法计算，满足施工要求。

4 结 论

采用规范法对对陕西省商洛某工程主楼综合教学楼工程拟采用的扣件式钢管模板高支撑体系进行施工设计和验算，并运用脚手架半刚性节点计算方法分析其整体稳定性，提出安全储备因数。结果表明：

(1) 该扣件式钢管模板高支撑体系的构件强度、钢管支架立杆的稳定性、梁模板支架、穿梁螺栓、连墙件稳定性、立杆基础均满足规定设计要求，当选用Φ48×3.5 mm的钢管作为连墙件时可不计算其稳定；

(2) 采用脚手架半刚性节点计算方法分析该扣件式钢管模板高支撑体系值小于按照《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ130—2011)和《建筑施工模板安全技术规范》(JGJ 162—2008)规范法计算值；

(3) 经过对比分析表明采用规范法计算整体稳定性偏于保守，安全足以保证，安全储备因数比半刚性节点法计算结果增大1.06倍，在一般性的脚手架支撑体系中，完全可以采用半刚性节点法计算，满足施工要求。

[1] 魏新荷.扣件式钢管脚手架施工安全控制措施研究[D].西安：西安建筑科技大学,2012.

[2] 宋云珍.高大模板事故原因与预防对策的研究[D].南昌：南昌大学,2016.

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[4] 中国建筑科学研究院.建筑施工模板安全技术规范：JGJ 162—2008[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

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

[6] 住房和城乡建设部工程质量安全监管司.建设工程安全生产技术[M]．2版.北京：中国建筑工业出版社,2008．[7] 兰培培.扣件式钢管高大模板支撑架整体力学性能分析[D].合肥：合肥工业大学,2010.

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Design and Overall Stability Analysis of Fastener Type Formwork High Support System

WANG Xuwang

(CollegeofUrban,RuralPlanningandArchitecturalEngineering,ShangluoUniversity,Shangluo,Shaanxi726000,China)

The design and verification of the high support system of the fastener type steel pipe template which has been applied to the project of Shangluo are carried out by the standard method. The stability of the overall stability of the scaffold semi-rigid joint is analyzed and the safe reserve factor is proposed. The results show that the flexural strength and deflection of the wood template, main keel, roof beam and beam formwork of the high-support system of the fastener-type steel tube template could meet the design requirements, the stability and the strength of the pole, the stability and the foundation of the wall are in accordance with the specified design requirements. After comparison and analysis, it is shown that the overall stability is conservative and the safety reserve factor is 1.06 times higher than that of the semi-rigid nodal method.

fastener type steel pipe; template high support system; design; overall stability

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.030

2017-02-01

2017-03-07

王绪旺(1982—)，男，陕西商南人，硕士，讲师，主要从事工程结构健康监测和建筑材料方面的工作。 E-mail: qqwangxuwang@126.com

TU731.2

A

1672—1144(2017)03—0148—05