碗扣式鋼管支架及模板的設(shè)計(jì)和計(jì)算

李　芳

(北京市交通委員會(huì)路政局門頭溝公路分局, 北京 102300)

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碗扣式鋼管支架及模板的設(shè)計(jì)和計(jì)算

李芳

(北京市交通委員會(huì)路政局門頭溝公路分局, 北京 102300)

【摘要】文章通過(guò)在建工程模板支架的坍塌事故引出應(yīng)正確運(yùn)用規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)碗扣式鋼管支架的議題。通過(guò)對(duì)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的分析，指出了如何選擇荷載及其組合和如何選擇計(jì)算公式及其相應(yīng)的系數(shù)，又通過(guò)工程實(shí)例詳細(xì)介紹了支架的設(shè)計(jì)計(jì)算，以合理的設(shè)計(jì)確保模板支架的安全使用。

【關(guān)鍵詞】模板支架；碗扣式腳手架；工程實(shí)例；設(shè)計(jì)；安全

建筑施工中每年都發(fā)生多起因模板支架不安全引起在建工程坍塌的事故，可見模板支架是建筑工程領(lǐng)域發(fā)生安全事故的重大危險(xiǎn)源，必須嚴(yán)格控制。如何確保模板支架體系的安全，成為建筑施工安全管理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。現(xiàn)結(jié)合工程實(shí)例，詳細(xì)介紹如何依據(jù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和計(jì)算碗扣式鋼管支架和模板，確保在建工程不因鋼管支架和模板的承載力不足而坍塌。

1工程實(shí)例概況

某橋梁全長(zhǎng)107 m，橋梁全寬9.5 m，上部結(jié)構(gòu)為4孔(22+28×2+22) m連續(xù)現(xiàn)澆C50預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，下部結(jié)構(gòu)為柱式橋墩、肋板式橋臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋墩上無(wú)蓋梁，橋臺(tái)肋板上為蓋梁。現(xiàn)澆箱梁長(zhǎng)100 m，梁高1.6 m，橫斷面為單箱單室，頂板寬9.5 m，底板寬4.5 m，腹板寬0.68 m；每跨跨中設(shè)一橫隔板，厚度均為0.5 m，端橫梁梁寬1.2 m，中支點(diǎn)橫梁寬2 m。

2荷載的選取與組合

在JGJ 162-2008《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》、JGJ 166-2008《建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》和JTG/T F50-2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》中都分別有相關(guān)規(guī)定，但荷載的名稱和組合稍有差異，不利于直接引用，現(xiàn)結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)綜合規(guī)范做一匯集。

2.1荷載的種類和取值

模板、支架的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的各項(xiàng)荷載如下：

(1)模板、支架自重G1k；“應(yīng)根據(jù)模板及支撐架施工設(shè)計(jì)方案確定。10 m以下的支撐架可不計(jì)算架體自重”[1]；碗扣式鋼管腳手架主要構(gòu)配件質(zhì)量可由規(guī)范JGJ 166-2008中“表3.2.5主要構(gòu)配件種類、規(guī)格及質(zhì)量”查得；

(2)新澆鋼筋混凝土自重G2k；“對(duì)普通鋼筋混凝土可采用25 kN/m3，對(duì)特殊混凝土應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定”[1]；

(3)施工人員及設(shè)備、材料等荷載Q1k；規(guī)范JGJ 166-2008中模板支撐架的“按均布活荷載1.0 kN/m2”[2]；規(guī)范JGJ 162-2008中“當(dāng)計(jì)算模板和直接支撐模板的小梁時(shí)，均布活荷載可取2.5 kN/m2，再用集中荷載2.5 kN進(jìn)行驗(yàn)算，比較兩者所得的彎矩取其大值；當(dāng)計(jì)算直接支撐小梁的主梁時(shí)，均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值可取1.5 kN/m2；當(dāng)計(jì)算支架立柱及其它支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)，均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值可取1.0 kN/m2(與JGJ 166-2008中的一致)”[2]；

(4)澆筑和振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載Q2k；規(guī)范JGJ 166-2008中模板支撐架的“可采用1.0 kN/m2”[1]；規(guī)范JGJ 162-2008中“對(duì)水平面模板可采用2 kN/m2，對(duì)垂直面模板可采用4 kN/m2，且作用范圍在新澆筑混凝土側(cè)壓力的有效壓頭高度之內(nèi)”[2]；

(6)設(shè)于水中的支架所承受的水流壓力、波浪力、流冰壓力、船只及其它漂流物的撞擊力Q6；

(7)其它可能產(chǎn)生的荷載，如風(fēng)荷載(wk)、雪荷載、冬季保溫設(shè)施荷載等Q7；風(fēng)荷載可由規(guī)范JGJ 166-2008中“4.3 風(fēng)荷載”里公式“wk=0.7μzμsw0”確定，而規(guī)范JGJ 162-2008中的風(fēng)振系數(shù)βz=1而不是0.7，為安全起見可采用βz=1。

2.2荷載的組合

2.2.1極限狀態(tài)

(1)對(duì)于承載能力極限狀態(tài)，應(yīng)按荷載效應(yīng)的基本組合采用，并應(yīng)采用“γ0S≤R”設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行模板設(shè)計(jì)，式中γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，其值按0.9采用(符合臨時(shí)結(jié)構(gòu)要求)。

(2)對(duì)于正常使用極限狀態(tài)應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)組合，并應(yīng)按“S≤C”設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2.2荷載效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值S

在不同的規(guī)范里有不同的公式，詳見表1。

規(guī)范JGJ 162-2008中的公式由來(lái)應(yīng)是國(guó)標(biāo)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，因此準(zhǔn)確的公式應(yīng)是GB 50009-2012的公式。

2.2.3荷載組合

在不同的規(guī)范里有不同的公式，詳見表2。

表1　 荷載效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值S

表2　不同的規(guī)范里的荷載組合公式

由國(guó)標(biāo)GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》可知，JTG/T F50-2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》中的荷載組合是較全面和正確的。

3實(shí)例計(jì)算

根據(jù)工程實(shí)例，選取中支點(diǎn)h×b=1 600 mm×2 000 mm橫梁為例，設(shè)定一些條件進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)時(shí)先設(shè)定支架間距進(jìn)行驗(yàn)算，根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果相應(yīng)調(diào)整間距滿足極限狀態(tài)和構(gòu)造要求，這樣計(jì)算較為簡(jiǎn)便。

梁底主梁擬采用橫向擺放的150 mm×150 mm方木，間距是900 mm；小梁擬用縱向的100 mm×100 mm方木，間距是200 mm；木材抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fm=11 MPa，抗壓和承壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=10 MPa，順紋抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fv=1.4 MPa，木材彈性模量E=1.0×104MPa，木材自重6 kN/m3。 模板擬用15 mm厚混凝土用膠合板。

滿堂碗扣式鋼管支架采用標(biāo)準(zhǔn)φ48 mm×3.5 mm鋼管，支架立桿橫向間距0.6 m、縱向間距0.9 m。

以架體高度是否超過(guò)10 m和有無(wú)水平荷載(主要是風(fēng)荷載)分為4個(gè)計(jì)算模型：架體高度不超過(guò)10 m和無(wú)水平荷載、架體高度不超過(guò)10 m和有水平荷載、架體高度超過(guò)10 m和無(wú)水平荷載以及架體高度超過(guò)10 m和有水平荷載?，F(xiàn)以架體高度不超過(guò)10 m和無(wú)水平荷載以及架體高度超過(guò)10 m和有水平風(fēng)荷載為例設(shè)計(jì)計(jì)算。

3.1架體高度不超過(guò)10 m和無(wú)水平荷載

設(shè)支架高度8 m，立桿采用LG-120,則步距為h=1.2 m，可調(diào)托撐采用KTC-60則立桿伸出頂層水平桿長(zhǎng)度a=0.4 m，可調(diào)底座KTZ-60高0.4 m；架體剪刀撐等構(gòu)造措施均滿足規(guī)范要求。

3.1.1荷載計(jì)算

G1k=0.04+6×(3×0.1×0.1×0.9+0.15×0.15×0.6)÷(0.6×0.9)=0.49 kN/m2；

梁的鋼筋含量一般都不小于2 %，自重取26 kN/m3，G2k=1.6×26=41.6 kN/m2；

Q1k取1.0 kN/m2，Q2k采用1.0 kN/m2，其余荷載均為0。

由永久荷載控制：N=1.35×(0.49+41.6)+1.4×0.7×(1.0+1.0)=56.821+1.96=58.781 kN/m2；

中間每根立桿的荷載范圍為0.6 m寬和0.9 m長(zhǎng)，則S=N×0.6×0.9=58.781×0.6×0.9=31.742 kN。

3.1.2立桿承載力計(jì)算

以立桿最上一節(jié)為計(jì)算桿件。

由γ0S≤R和N≤φAf得0.9S≤φAf：

若支架采用舊鋼管，則28.6 kN≤57.9×0.85=49.3 kN，仍滿足要求。

3.1.3底托下鋪木板承載力計(jì)算

單桿最大壓力為28.6 kN，底托底面積：15×15=225 cm2。

底托下傳壓強(qiáng)：σ1=28.6×1000÷22500=1.27 MPa<0.95fc=0.95×10=9.5 MPa滿足使用要求。

3.1.4地基承載力計(jì)算

支架立柱下鋪4 m×0.25 m×0.05 m木板，每塊木板上(4 m長(zhǎng))支撐7根柱腿。

單柱荷載：P=28.6 kN木板下傳壓強(qiáng)：

fg=7×28.6×1000÷(4×0.25)+6×1000×0.05≈0.20×106Pa=0.20 MPa

基礎(chǔ)使用壓路機(jī)碾壓密實(shí)后澆筑10 cm厚C20混凝土，抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于木板下傳壓強(qiáng)0.20 MPa，故能滿足使用要求。

3.2架體高度超過(guò)10 m和有水平荷載

設(shè)支架高度11 m，立桿采用LG-120,則步距為h=1.2 m，可調(diào)托撐采用KTC-45則立桿伸出頂層水平桿長(zhǎng)度a=0.1 m，可調(diào)底座KTZ-45高0.1 m；架體剪刀撐等構(gòu)造措施均滿足規(guī)范要求。

3.2.1荷載計(jì)算

3.2.1.1模板體系

G1k=0.04+6×(3×0.1×0.1×0.9+0.15×0.15×0.6)÷(0.6×0.9)=0.49 kN/m2；G2k=41.6 kN/m2；

Q1k取1.0 kN/m2，Q2k采用1.0 kN/m2，其余荷載均為0。

由永久荷載控制：N=1.35×(0.49+41.6)+1.4×0.7×(1.0+1.0)=56.754+1.96=58.781 kN/m2；

中間每根立桿的荷載范圍為0.6 m寬和0.9 m長(zhǎng)，則

S=N×0.6×0.9=58.781×0.6×0.9=31.742 kN·m。

3.2.1.2支架

碗扣式鋼管支架構(gòu)配件的質(zhì)量由JGJ 166-2008表3.2.5可得：立桿LG-120(φ48×1200)7.05 kg，橫桿HG-60(φ48×600)2.47 kg、HG-90(φ48×900)3.63 kg，可調(diào)托撐KTC-45(T38×6)7.01 kg、可調(diào)底座KTZ-45(T38×6)5.82 kg。

3.2.1.3風(fēng)荷載

基本風(fēng)壓取北京市R=10的0.3 kN/m2，地面粗糙度按B類考慮則取風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz=1.00，風(fēng)荷載體形系數(shù)取μs=1.3φ0=1.3×0.8=1.04(依據(jù)JGJ 166-2008第4.3.2條1取值)，則

wk=βzμsμzw0=1.0×1.04×1.00×0.3=0.312 kN/m2

梁高1.6 m，梁底模板、方木梁高和托撐高0.015+0.1+0.15+0.1=0.365 m，設(shè)梁上安全護(hù)欄高1.2 m，則：

w=1.2×0.9w0=1.2×0.9×0.312=0.337 kN

w1=(1.6+0.365+1.2)×0.9w0=3.165×0.9×0.312=0.889 kN

wv1=2w1=2×0.889=1.778 kN

ws1=2.236w=2.236×0.889=1.988 kN

3.2.2立桿承載力計(jì)算

最下一節(jié)下端面受力最大。

N2為支架自重；Qw為風(fēng)荷載。

Nmax=S+N2+Qw

=31.742+1.566+7.027=40.335 kN

由γ0S≤R和N≤φAf得0.9S≤φAf：

若支架采用舊鋼管，則36.30 kN≤74.68×0.85=63.48 kN，仍滿足要求。

3.2.3底托下鋪木板承載力計(jì)算

單桿最大壓力為36.30+0.9×1.35×5.82×9.8÷1000=36.37 kN，底托底面積：15×15=225 cm2。

底托下傳壓強(qiáng)：σ1=36.37×1000÷(225×100)=1.62 MPa<0.95fc=0.95×10=9.5 MPa滿足要求。

3.2.4地基承載力計(jì)算

支架立柱下鋪400 cm×25 cm×5 cm木板，每塊木板上(4 m長(zhǎng))支撐7根柱腿。

單柱荷載：P=36.37 kN

木板下傳壓強(qiáng)：

fg=7×36.37×1000÷(4×0.25)+6×1000×0.05=0.25×106Pa=0.25 MPa。

基礎(chǔ)使用壓路機(jī)碾壓密實(shí)后澆筑10 cm厚C20混凝土，抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于木板下傳壓強(qiáng)0.25 MPa，故能滿足使用要求。

3.2.5斜桿扣件連接強(qiáng)度驗(yàn)算

4預(yù)壓

4.1支架預(yù)壓

依據(jù)JGJ/T 194—2009《鋼管滿堂支架預(yù)壓技術(shù)規(guī)程》第5.2.1條“支架預(yù)壓荷載不應(yīng)小于支架承受的混凝土結(jié)構(gòu)恒載與模板重量之和的1.1倍”[3]和第5.2.2條“支架預(yù)壓區(qū)域應(yīng)劃分成若干預(yù)壓?jiǎn)卧總€(gè)預(yù)壓?jiǎn)卧獌?nèi)實(shí)際預(yù)壓荷載強(qiáng)度的最大值不應(yīng)超過(guò)該預(yù)壓?jiǎn)卧獌?nèi)預(yù)壓荷載強(qiáng)度平均值的110%。每個(gè)預(yù)壓?jiǎn)卧獌?nèi)的預(yù)壓荷載可采用均布形式”[3]，可知預(yù)壓荷載不小于支架承受的混凝土結(jié)構(gòu)恒載與模板重量之和的1.1×110%=1.21倍。

4.1.1架體高度不超過(guò)10 m和無(wú)水平荷載

N=0.9×56.781×0.6×0.9=27.60 kN，取預(yù)壓荷載是1.3N=35.87 kN，是承載力的35.87÷49.3×100%=73%，大于施工時(shí)的受力28.6 kN，達(dá)到超載預(yù)壓檢驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

4.1.2架體高度超過(guò)10 m和有水平荷載

N=27.60+0.9×1.35×9×(2.47+3.63+7.05)×9.8÷1000=29.01 kN，取預(yù)壓荷載是1.3 N=1.3×29.01=37.71 kN，是承載力的37.71÷63.48×100%=59%，是施工受力36.30 kN的104%，超載預(yù)壓檢驗(yàn)不明顯，宜適當(dāng)增大預(yù)壓荷載。

若預(yù)壓荷載取支架承受的混凝土結(jié)構(gòu)恒載與模板重量之和的1.3倍，不會(huì)超出支架承載力，支架是安全的。

4.2支架基礎(chǔ)預(yù)壓

依據(jù)JGJ/T 194—2009《鋼管滿堂支架預(yù)壓技術(shù)規(guī)程》第4.2.1條“支架預(yù)壓荷載不應(yīng)小于支架基礎(chǔ)承受的混凝土結(jié)構(gòu)恒載與鋼管支架、模板重量之和的1.2倍”[3]，當(dāng)預(yù)壓荷載是支架基礎(chǔ)承受的混凝土結(jié)構(gòu)恒載與鋼管支架、模板重量之和的1.3倍時(shí)：

4.2.1架體高度不超過(guò)10 m和無(wú)水平荷載

fg=7×35.87×1000÷(4×0.25)+6×1000×0.05≈0.25×106Pa=0.25 MPa，超過(guò)施工時(shí)0.20 MPa的125%，達(dá)到超載預(yù)壓檢驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

4.2.2架體高度超過(guò)10 m和有水平荷載

fg=7×37.71×1000÷(4×0.25)+6×1000×0.05≈0.26×106Pa=0.26 MPa，是施工時(shí)0.25 MPa的104%，超載預(yù)壓檢驗(yàn)不明顯，宜適當(dāng)增大預(yù)壓荷載。

預(yù)壓不會(huì)超出基礎(chǔ)承載力，基礎(chǔ)是安全的。

5結(jié)束語(yǔ)

模板和碗扣式鋼管支架在不同的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)里有不同的設(shè)計(jì)計(jì)算荷載、系數(shù)和公式，應(yīng)依據(jù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的等級(jí)和效力確定；荷載效應(yīng)以荷載最不利組合比較確定最大值，選取適當(dāng)大的預(yù)壓荷載達(dá)到預(yù)壓效果。

參考文獻(xiàn)

[1]JGJ 166-2008 建筑施工碗扣式腳手架安全技術(shù)規(guī)范[S].

[2]JGJ 162-2008建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范[S].

[3]JGJ/T 194-2009鋼管滿堂支架預(yù)壓技術(shù)規(guī)程[S].

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

【中圖分類號(hào)】TU731.2

[作者簡(jiǎn)介]李芳(1984～)，女，碩士研究生，工程師，主要從事路橋施工、路橋檢測(cè)造價(jià)等方面工作。

[定稿日期]2015-10-26