复杂板梁结构条件下盘扣式钢管支架的设计与应用

张 丹 萍，曾 强，姜 港

(中国水利水电第七工程局有限公司,四川 成都 610213)

1 概 述

扣件式钢管脚手架是水利水电工程施工中常见的基础材料之一，主要应用于施工作业平台搭设以及混凝土浇筑支撑作业。伴随着水利水电工程施工技术的改革和发展，盘扣式钢管支架作为一种新型脚手架技术被引入白鹤滩水电站左岸地下厂房中使用。盘扣式钢管支架是我国目前推广应用最为广泛、效果最好的新型脚手架技术，能够适应多种间距形式的施工排架、承重支撑架需求，具有搭拆简单、稳定性好、承载力高、安全可靠，全部杆件均系列化、标准化、易管理、适应性强、形象美观等特点。笔者介绍了用于白鹤滩水电站左岸主变洞混凝土浇筑施工盘扣式钢管支架的设计与应用情况，分析了复杂板梁结构下盘扣式钢管支架支撑中存在的若干问题，总结了盘扣式钢管支架支撑复杂板梁结构的注意事项。

白鹤滩水电站左岸主变洞平行于主副厂房洞布置，位于主副厂房洞下游侧。主变洞从南到北依次布置南侧副厂房，1#～8#主变段，北侧副厂房。主变洞主变压器段分3层，上层为GIS层，底部高程为605.75 m，主要布置GIS开关设备；下层为主变层，与主副厂房洞发电机层同高(高程为590.35 m)，上游侧布置变压器运输道，净宽7 m，与进厂交通洞连通；下游侧布置主变压器室，每台机组对应布置3台单相变压器，每台变压器之间采用防爆墙隔开。中间层为电缆廊道层，布置在主变层变压器运输道正上方，层高3.8 m，贯穿整个主变洞。左岸主变洞作为白鹤滩水电站地下厂房的重要组成部位，文明施工要求高，工期紧。为确保施工工期，加快施工进度，提高文明施工形象，采用盘扣式钢管支架作为主变洞浇筑期间的模板支撑体系。同时，主变洞采用复杂板梁结构设计，主梁与次梁纵横向交错布置，梁大小、跨度、高度等各不相同，具有支撑体系设计复杂、承载力要求高等特点。

2 支撑架的设计

2.1 设计原则

在设计主变洞复杂板梁模板支撑体系时，应根据主变洞结构特点并充分考虑工程进度、质量和安全要求，同时，在安全允许的范围内最大程度地降低投资成本[1]。

(1)要求主变洞板梁模板支撑架架体结构具有足够的刚度、强度及稳定性，能可靠地承受混凝土浇筑时的重量及其它施工荷载。

(2)支撑架结构力求做到构造简单，装拆方便，便于施工且与该工程结构各部形状尺寸、标高等相互位置匹配，符合设计要求。

(3)支撑架应满足现场施工条件及施工使用时限要求，在其使用期间应具有足够的耐久性与安全性。

(4)选用盘扣式钢管支架材料时，应满足《建筑施工承插型盘扣式钢管支架安全技术规程》(JGJ 231-2010)的要求。

2.2 设计参数

针对主变洞现场实际情况并考虑常见盘扣式钢管支架的规格尺寸，其满堂支撑架设计参数为：

(1)考虑满堂支撑架承重要求，立杆采用Φ60×3.2 mm钢管(Q345A)，长度L=0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m，根据支撑架的搭设高度选取不同长度的外套管组合搭配，该工程满堂支撑架的最大搭设高度为15.1 m(高程590.35～605.75 m，混凝土板厚30 cm)。

(2)立杆步距h=1.5 m。

(3)立杆间排距与常见盘扣架水平杆长度匹配，主要为0.9 m、1.2 m、1.5 m。可根据主变洞梁位置选用不同长度的水平杆进行组合搭配，确保立杆位于梁两侧；为给立杆顶部可调托座预留10～40 cm的调节空间，立杆顶部应低于板底0.35～0.6 m，梁底0.45～0.7 m(可调托座伸出顶层水平杆长度≤0.4 m，模板围楞采用10#槽钢与5 cm×10 cm方木，围楞高度为0.2 m，调节螺母高度为0.05 m，板10#槽钢围楞直接置于可调托座上，梁10#槽钢围楞放置在可调托座上的双10#槽钢上，双10#槽钢高度为0.1 m)，水平杆采用Φ48×2.5 mm钢管(Q235B)。

(4)最外侧立杆距主变洞隔墙30～40 cm，为模板施工预留了足够的空间。最下层水平杆距地面50 cm。

(5)连墙件采用直角扣件将Φ48架管的一端与水平杆扣接，连接点距盘扣节点≤20 cm，另一端与边墙系统锚杆(插筋)焊接或紧抵已浇筑混凝土面，连墙件按照两步三跨布置。

(6)爬梯布置在靠近运输通道侧，爬梯采用厂家配套生产的钢踏板，与地面角度为30°～45°，步距不超过30 cm，一直延伸至作业层。

(7)剪刀撑：盘扣式钢管支架竖向斜杆满布设置，沿高度方向每隔5个标准步距设置Φ48钢管大面剪刀撑。

(8)盘扣式钢管支架位于左岸主变洞。因其为洞内施工，故不考虑风压力。

(9)盘扣架可调底托位于已浇筑且达到设计强度的混凝土面上，故不考虑排架基础承载力。

2.3 设计要点

(1)可调底座高度设计。盘扣式钢管支架立杆采用外套管接长，外套杆为长度固定标件。为保证立杆顶部低于框架梁底0.35～0.65 m、其余梁底0.45～0.75 m，以便于搭拆模板围楞且有足够的调节空间，故可调底座高度的设计对上部模板支撑系统的搭设尤为关键。

主变洞高程605.75 m，层楼板框架梁高1.2 m，其余梁高1 m和0.8 m，按照框架梁位置进行满堂支撑架设计。考虑到立杆顶部低于框架梁底0.5 m(距离其余梁底高0.7 m和0.9 m)，故立杆顶部距离地面的高度为13.7 m，立杆外套管可调节模数为0.5 m，此时模板支架可调底座调节丝杆外露长度约为0.2 m，最底层水平杆离地高度为0.45 m，满足《建筑施工承插型盘扣式钢管支架安全技术规程》(JGJ 231-2010)中作为扫地杆的最底层水平杆离地高度不应大于0.55 m和可调托座丝杆外露长度严禁超过0.4 m的要求。

(2)起始杆设计。根据《建筑施工承插型盘扣式钢管支架安全技术规程》(JGJ 231-2010)的规定：立杆应通过立杆连接套管连接，在同一水平高度内相邻立杆连接套管接头的位置宜错开[2，3]。模板支架高度大于8 m时，错开高度不宜小于0.5 m。左岸主变洞板梁柱混凝土浇筑采用2 m和2.5 m起始杆、梅花型交错布置。

(3)立杆设计。起始杆上部连续采用2.5 m立杆外套管进行接长，当搭设至最后一根立杆时，框架梁部位采用长度为1 m和1.5 m的立杆外套管，此时加上可调底座丝杆外露长度0.2 m，则总搭设高度为13.7 m，立杆顶部距离框架梁底0.5 m；1 m高梁位置采用1 m和1.5 m立杆外套管，此时，加上可调底座丝杆外露长度0.2 m，则总搭设高度为13.7 m，立杆顶部距梁底0.7 m；0.8 m高梁位置采用1 m和1.5 m立杆外套管，加上可调底座丝杆外露长度0.2 m，总搭设高度为13.7 m，此时距梁底0.9 m(>0.7 m)，若增加一根0.5 m立杆外套管，则距离梁底0.4 m(0<0.45 m)。为满足立杆顶部低于梁底0.45～0.7 m的要求，采用定制长度为0.2 m的外套管对最后一根立杆进行加长，此时立杆顶部距梁底0.7 m；板部位采用2 m和2.5 m立杆外套管，加上可调底座丝杆外露长度0.2 m，其总搭设高度为14.7 m，立杆顶部距离板底0.4 m。

(4)可调托座设计。主变洞混凝土浇筑模板采用1.5 cm厚普通胶合板，胶合板下铺设5 cm×10 cm方木作为次楞，梁位置方木与梁同方向，方木下部间隔75 cm铺设单根10#槽钢与其垂直作为主楞，最后置于可调托座上部背靠背铺设的双10#槽钢上作为支撑，板位置10#槽钢围楞直接置于可调托座上，故梁模板及其围楞共计31.5 cm，板模板及围楞共计21.5 cm，除去可调托座托盘厚度为0.5 cm，可知框架梁部位可调托座外露丝杆长度为18 cm；1 m和0.8 m高梁部位可调托座外露丝杆长度为38 cm，板位置可调托座外露丝杆长度为18 cm，满足《建筑施工承插型盘扣式钢管支架安全技术规程》(JGJ 231-2010)中模板支架可调托座丝杆外露长度严禁超过0.4 m的要求。

(5)反向托座设计。盘扣式钢管支架的现有工艺一般采取立杆和可调托座支撑板结构，而对于荷载较大的梁支撑则采用双槽钢搁置在连接盘上作为支撑模板面板及围楞的托梁。该方法对于搁置在连接盘上的双槽钢和连接盘稳定性有很高的要求且容易失稳而造成坍塌破坏。对于主变洞混凝土浇筑，技术人员创新设计出一种“反向托座”进行梁结构两侧板结构的支撑，从而避免了梁支撑采用双槽钢搁置在连接盘上作为支撑托梁的方法，不但施工便捷，同时所使用的双槽钢只需背对背放置在可调托座上而不需进行特别的加固处理，从而避免了连接盘承受荷载，其安全性明显提升。梁结构部位支撑情况见图1。

图1 梁结构支撑详图

主变洞高程605.75 m处层板厚0.3 m，框架梁高度为1.2 m，其余梁高1 m和0.8 m，梁结构与板结构支撑系统高度差分别为0.9 m、0.7 m和0.5 m。首先在位于梁两侧的立杆顶部可调托座上沿梁方向铺设背靠背双10#槽钢作为梁围楞的支撑基础，梁结构两侧的板结构采用反向托座进行支撑，反向托座采用双10#槽钢作为基础，与立杆在同一铅直线上。根据反向托座支撑高度设计了H550 mm和H300 mm两种反向托座，0.7 m和0.9 m高支撑位置采用H550 mm反向托座，0.5 m高支撑位置采用H300 m反向托座。反向托座由Φ60立杆(带连接盘)和2个可调托座组成，具体情况见图2。将一端可调托座反向扣在双10#槽钢基础上，调节反向放置可调托座外露丝杆的长度，使反向托座的连接盘与直接支撑板结构的立杆外套管最顶部连接盘位于同一高度，采用水平杆连接形成统一的整体，以提升架体的整体稳定性；最后调节顶部可调托座的外露丝杆外露长度满足模板及围楞的支撑要求。

图2 H550 mm和H300 mm反向托座详图

由于受反向托座调节高度限制，可能会出现反向托座连接盘与直接支撑板结构的立杆外套管最顶部连接盘不能调整至同一高度的现象，此时可采用Φ48架管和扣件将反向托座水平杆和立杆水平杆连接形成整体。

3 盘扣式钢管支架的计算要点

3.1 主要计算荷载的选择

基本荷载的主要取值[4]为：

(1)模板及楞自重，取1 kN/m2。

(2)新浇混凝土自重，取24 kN/m3。

(3)钢筋自重量，楼板取1.1 kN/m3、梁取1.5 kN/m3。

(4)施工均布荷载，取1 kN/m2。

(5)振捣混凝土产生的荷载，取2 kN/m2。

(6)鉴于新浇混凝土侧压力与混凝土振捣、浇筑速度、凝固速度等因素有关，梁柱结构采用对拉方式加固，故计算排架稳定性时可不考虑混凝土侧压力。

(7)特殊荷载：风荷载按照《建筑结构荷载规范》GB20009-2012取值，洞内可不考虑风荷载的影响。

(8)计算模板的荷载设计值时应采用荷载标准值乘以相应荷载分项系数。可变作用的分项系数取1.5，永久作用的分项系数取1.3[5]。

模板荷载设计值组合为：1.3(1)+1.3(2)+1.3(3)+1.5(4)+1.5(5)+立杆自重设计值。

3.2 支撑架立杆需要验算的部位

按照规范规定要求搭设的盘扣式模板支架需要计算以下几项内容内容：

(1)立杆的稳定性。

(2)盘扣节点连接盘的抗剪承载力。

(3)整体抗倾覆稳定性。该工程模板支架的高宽比<3，且四周按两步三跨设置有连墙件，故可以认为模板支架整体抗倾覆稳定，不需要单独进行计算。

(4)地基承载力。该工程模板支架支撑在已浇筑且达到设计强度的底板混凝土上，故可以认为模板支架地基承载力满足要求，不需要进行单独计算。

3.3 盘扣式钢管支撑架立杆稳定性计算

盘扣式钢管支撑架位于主变洞内，不考虑风荷载，立杆稳定性的计算公式为：

N/(φ×A)≤f

λ=lo/i

lo=ηh(用于非顶部立杆段)

lo=h’+2ka(用于顶部立杆段)

式中 φ为轴心受压构件的整体稳定系数，根据立杆长细比λo查表确定；i为Φ60立杆回转半径，可取2.01 cm；η为支架立杆计算长度修正系数，水平杆步距为0.5 m或1 m时，可取1.6；水平杆步距为1.5 m时，可取1.2；k为悬臂端计算长度折减系数，可取0.7；h为立杆支架中间层水平杆最大竖向步距，取1.5；h’为支架立杆顶层水平杆步距，宜比最大步距减少一个盘扣的距离，本次计算时取0.5 m；N为立杆轴向力设计值；A为立杆横截面面积；f为钢材的抗压强度设计值。

按照以上步骤计算所得lo取较大值，可以验算所计算部位立杆的稳定性满足要求。

3.4 盘扣节点连接盘抗剪承载力计算

梁板结构采用反托方式支持从而避免了双槽钢搁置在连接盘上，故连接盘只承受自身重量及作业层施工荷载，其承载力计算公式：

FR≤Qb

式中FR为作用在盘扣节点处连接盘上的竖向力设计值，按照最大间排距1.5 m×1.5 m进行计算；Qb为连接盘抗剪承载力设计值，可取40 kN。

按照以上步骤可以验算出所计算部位盘扣节点连接盘的抗剪承载力满足要求。

4 取得的成效

盘扣式钢管支架的现有工艺一般采取立杆和可调托座支撑板结构，而对于荷载较大的梁支撑则采用双槽钢搁置在连接盘上作为支撑模板面板及围楞的托梁。该方法对于搁置在连接盘上的双槽钢和连接盘的稳定性有很高的要求，且容易失稳而造成坍塌破坏。

白鹤滩水电站左岸主变洞工程率先创新使用反向托座进行梁结构两侧板结构的支撑，避免了双槽钢搁置在连接盘上导致连接盘受力超过其抗剪承载力造成架体失稳坍塌的可能性；同时，使用反向托座施工便捷，不需要进行加固处理，施工进度和安全性能够得到有效保证。

5 结论与展望

5.1 结 论

(1)盘扣式钢管支架具有搭拆简单、稳定性好、承载力高、安全可靠、形象美观等特点，工程进度和施工安全能够得到有效的保证。

(2)盘扣式钢管支架设计的关键在于准确计算出第一个连接盘距离搭设面的高度，以保证顶层作业平台具有足够的施工作业空间，同时保证可调顶托座丝杆外露长度不超过规范要求。

(3)复杂板梁结构下采用反向托座进行梁结构两侧板结构的支撑，确保反向托座与立杆在同一铅直线上，可以保证盘扣式钢管支架的稳定和工程施工进度。

(4)反向托座的连接盘与直接支撑板结构的立杆外套管最顶部连接盘需调整至同一高度，使用水平杆将其连接形成整体，从而提高架体的整体稳定性。由于受反向托座调节高度限制，可能会出现反向托座连接盘与直接支撑板结构的立杆外套管最顶部连接盘不能调整至同一高度的现象，此时，采用Φ48架管和扣件将反向托座水平杆和立杆水平杆连接形成整体。

(5)模板支撑架连墙件应尽量采用刚性连接。对于不方便设置刚性连墙件的部位(如混凝土墙面)，可使用Φ48架管一端与支架水平杆扣接，另一端采用调节丝杆与边墙混凝土抵死，通过调节丝杆与边墙之间的摩擦力抵消排架侧向、竖向的微小位移，保证支架的整体稳定。

5.2 展 望

该工程使用的盘扣式钢管支架各项参数均经过合理的设计及验算，同时，施工过程中加强了安全巡查，创造了良好的经济效益，特别是该工程率先创新使用的反向托座对于复杂板梁结构混凝土支撑架具有很好的借鉴和推广作用。但盘扣式钢管支架作为一项新型脚手架技术引入到白鹤滩水电站左岸地下厂房中使用，在水利水电工程中实践经验欠缺，不确定因素较多，在设计时加强架体结构理论研究就显得非常重要。施工过程的实时监控是确保施工安全的重要手段。随着盘扣式钢管支架和计算机软件的进一步发展，将促使盘扣式钢管支架逐步实现标准化、规范化。