满堂碗扣支架间排距快速选定的方法

陈 鸿 翔， 赵 云 飞

(中国水利水电第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

支架的作用是为结构物施工所用的模板提供支撑，一般用于桥梁工程中现浇混凝土梁结构或盖梁结构、房建工程和水电工程中的梁或板结构、箱涵工程顶板混凝土结构等。在各种各样的支撑结构体系中，碗扣支撑架结构是最为常见的一种结构支撑体系，在建筑业应用比较广泛。

然而，在众多不同的施工荷载中，碗扣支撑架的间排距布置是否合理直接影响到材料的数量和施工成本。在实际施工过程中，碗扣支撑架的间排距要经过多次布置、调整和验算，最终达到合理的布置形式。对于没有经验的技术人员而言，这种初步布置和试算的方法比较浪费时间和精力。笔者介绍了一种通过碗扣支撑架结构特点、根据固定的间排距和步距计算出支撑架所能承受的施工总荷载范围值的快速选定方法，从而初步选取合理的支撑架间排距和步距。

2 碗扣支撑架的设计规定

常用碗扣式钢管支撑架的主要构配件包括立杆、横杆、剪刀撑、可调底座、可调托座等。

2.1 碗扣支撑架结构设计值

根据《建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范》JGJ166-2016[1]要求：

(1)碗扣支撑架直径为48.3 mm、壁厚3.5 mm；

(2)碗扣支撑架钢管采用现行国家规范中规定的Q235普通钢管；

(3)步距1.2 m，单杆最大允许承载力30 kN；步距0.6 m，单杆最大允许承载力40 kN；

(4)立杆顶端可调顶托伸出顶层水平杆的悬臂长度不超过650 mm；

(5)模板支撑架搭设高度不宜超过30 m。

2.2 碗扣支撑架截面特性参数

根据碗扣支撑架的截面数据和材质计算得出其截面特性参数值见表1。

表1 截面特性参数值表

3 碗扣支撑架间排距的计算

桥梁工程中常用的碗扣式钢管支撑架体系间排距受水平杆件长度约束，其间排距只能按照300 mm、600 mm、900 mm和1 200 mm几种方式组合，故按照逆向反推方式根据每种组合情况计算施工总荷载。

3.1 碗扣式钢管支撑架施工总荷载的计算

根据碗扣支撑架结构设计值和立杆间排距组合，其单位米长度施工总荷载值见表2。

=166.7 kN/m

表2 桥梁工程碗扣式钢管支架架体构造参数选用表 /m

式中N为单根立杆承载力值(kN)；步距1 200 mm，单杆最大允许承载力为30 kN；步距600 mm，单杆最大允许承载力为40 kN；A为支撑架间排距所围成几何体的面积(m2)。

3.2 桥梁工程碗扣式钢管支架架体构造参数的选用

根据3.1中的计算得出桥梁工程碗扣式钢管支架架体构造参数选用表(表3)。

表3 桥梁工程碗扣式钢管支架架体构造参数选用表

(1)表3中荷载值为单位长度构件横截面荷载，为施工总荷载，包含恒载和可变荷载以及相关荷载组合。荷载取值范围中，最大值为上限，不可超限；最小值不限。

(2)支架高度5 m为危大工程支架高度范围、8 m为超危大工程支架高度范围、20 m为铁路规范要求不超高界限值、30 m为碗扣支架规范要求最大搭设高度界限值。

(3)由于实际钢管壁厚的差异，支撑架结构选取后需重新简算以确保支架体系的安全。

3.3 支架稳定性计算

根据《建筑施工脚手架安全技术统一规范》GB51210-2016[2]要求，需对支撑架做稳定性计算。

(1)立杆计算长度。立杆计算长度按照下式计算：

l0=k·μ·(h+2a)

式中h为步距；a为立杆伸出顶层水平杆长度，可按650 mm取值；当a=200 mm时，取a=650 mm，对应承载力的1.2倍；当200 mm

表4 附加系数选用表

(2)长细比。根据立杆计算长度和回转半径计算立杆长细比：

式中i为截面回转半径(mm)。

(3)稳定性简算。根据长细比，查表得出安全系数Φ值[3]，最终进行立杆稳定性判定：

式中N为立杆最大轴力(kN)；Φ为安全系数，详见《建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范》JGJ166—2016附录C；A为立杆截面积(mm2)；[f] 为立杆允许抗压、抗拉和抗弯强度设计值(MPa)。

4 实例验证

某项目混凝土连续箱梁采用碗扣式支撑架进行现浇施工[4]：支架高度为12 m，孔跨布置为42 m+76 m+42 m，梁体为单箱单室、变高度、变截面结构。箱梁顶宽12.8 m，箱梁底宽6.8 m。其中0#块长11 m，选取梁端截面，其断面结构尺寸见图1。

4.1 荷载组合

根据0#段梁端截面尺寸计算出混凝土自重荷载(表5)。荷载组合情况见表6[5]。

4.2 支撑架间排距、步距的选取

根据表6计算出的施工总荷载值与表3进行对比后选取出的合理间排距见表7。

图1 某项目箱梁截面图

表5 某项目箱梁截面自重荷载值计算表

表6 某项目箱梁施工总荷载值计算表

表7 某项目箱梁支撑架间排距选取表

由于腹板位置荷载最大，翼缘板、底板位置立杆纵向间距以腹板位置纵向间距为主。

按照表7中间排距和步距的布置，通过实例模型，采用用Midas Civil结构计算软件计算得出单根立杆最大支反力为：19.9 kN<[N]=30 kN，满足要求。

4.3 立杆稳定性验算

(1)立杆计算长度。支架高度为12 m，立杆顶端悬出300 mm，根据3.3节选取相关参数值，则立杆计算长度：

l0=k·μ·(h+2a)=1.217×1.1×(1 200+2×300)=2 410(mm)

(2)长细比。计算立杆长细比：

(3)稳定性简算。查表(1，3)得出安全系数Φ=0.301，根据3.3节a的取值要求，经线性内插得承载力系数为1.16。

(4)支架高度与立杆稳定性关系对比。取立杆伸出顶层水平杆长度最为特殊的三种长度：200 mm、300 mm和650 mm，验算立杆稳定性：

①当立杆顶端悬出200 mm、立杆计算长度系数μ为1.1、立杆步距h为1 200 mm、承载力系数为1.2、则支架高度H变化引起附件系数k值变化，立杆稳定性验算结果见表8。

表8 支架高度与立杆稳定性关系对比表

②当立杆顶端悬出300 mm、立杆计算长度系数μ为1.1、立杆步距h为1 200 mm、线性内插得承载力系数为1.16，则支架高度H变化引起附件系数k值变化，立杆稳定性验算结果见表9。

③当立杆顶端悬出650 mm、立杆计算长度系数μ为1.1、立杆步距h为1 200 mm、承载力系数为1、则支架高度H变化引起附件系数k值变化，立杆稳定性验算结果见表10。

表9 支架高度与立杆稳定性关系对比表

表10 支架高度与立杆稳定性关系对比表

综上对比，当立杆步距确定后，施工总荷载在一定范围之内，不论支架搭设的高与低，立杆的稳定性将直接受到立杆顶悬臂长度的影响且起决定性的影响作用。

5 结论及建议

(1)通过上述实例的简单计算和验证，在表3中的施工总荷载区域内，所选取的支架间排距和步距、结构承载力和稳定性能够满足设计要求，能够准确、快速选定支架的布置形式。

(2)通过多个支撑结构体系实例对比，支架间排距和步距选取表(表3)亦适用于房建及水电工程中的梁和板、箱涵顶板等工程构筑物的临时支撑结构，类似工程项目可借鉴。

(3)表3中，支架布置形式没有随支架高度递增而变化，通过实际施工验证，5 m高支架与20 m高支架的布置形式基本一致，其主要原因是支架的宽高比和剪刀撑严格按照规范规定进行搭设。另外，在3.3节中，将支架立杆稳定性验算与表8～10中的不同情况进行对比得知，立杆顶端的悬臂长度a值对立杆稳定性起决定性作用，而支架高度的k系数对支架立杆稳定性的影响不是太大。

(4)在支撑架搭设过程中，笔者建议：支架与墩柱之间应抱箍以增强其整体稳定性；同时，根据不同的搭设高度，剪刀撑的搭设步距需满足规范中的相关要求。

(5)初步选定支架间排距和步距后，应根据实际材料和截面特性重新进行结构计算复核。