扣件式模板高支撐體系設計與整體穩(wěn)定性分析

王 緒 旺

(商洛學院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學院， 陜西 商洛 726000)

扣件式模板高支撐體系設計與整體穩(wěn)定性分析

王 緒 旺

(商洛學院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學院， 陜西 商洛 726000)

采用規(guī)范法對商洛某工程擬應用的扣件式鋼管模板高支撐體系進行施工設計和驗算，并運用腳手架半剛性節(jié)點計算方法分析其整體穩(wěn)定性，提出安全儲備因數(shù)。結(jié)果表明：該扣件式鋼管模板高支撐體系的木模板、主次龍骨、頂托梁和梁模板的抗彎強度、撓度滿足規(guī)定設計要求，立桿穩(wěn)定性、立桿強度、穿梁螺栓、連墻件穩(wěn)定性、立桿基礎滿足規(guī)定設計要求，經(jīng)過對比分析表明采用規(guī)范法計算整體穩(wěn)定性偏于保守，安全儲備因數(shù)比半剛性節(jié)點法計算結(jié)果增大1.06倍，在一般性的腳手架支撐體系中，完全可以采用半剛性節(jié)點法計算，滿足施工要求。

扣件式鋼管；模板高支撐體系；設計；整體穩(wěn)定性

扣件式鋼管模板支撐體系在建筑工程中廣泛應用，但在實現(xiàn)結(jié)構的大跨度、高空間應用中存在諸多難點。如何實現(xiàn)新型建筑混凝土結(jié)構的大跨度、高空間的設計理念，展現(xiàn)建筑師原本的設計風格，是工程施工技術人員所面對的新的難題。施工階段、正常使用階段和疲勞階段是混凝土結(jié)構工作的三個階段，建筑結(jié)構的安全，既要保證建筑結(jié)構在使用階段的安全，還要保證施工階段的安全。然而，近些年的工程坍塌事故時有發(fā)生，主要發(fā)生在施工階段[1]。僅2014年，因模板支撐體系坍塌造成死亡超過3人的事故多達16起，2015年2月9日，云南文山某學生活動中心工程高支模的施工現(xiàn)場出現(xiàn)了8人死亡7人受傷的較大生產(chǎn)安全事故[2]。因此，當采用高大模板支撐體系時要進行科學合理的施工布局設計，對支撐體系的整體穩(wěn)定性要進行驗算分析，既要滿足規(guī)范設計要求，還要保證施工階段的安全。

1 工程概況

陜西省商洛某工程主樓是框架-剪力墻結(jié)構，框架三級，剪力墻二級，采用筏板基礎，主樓地上12層，地下1層，建筑高度43.5 m，在A段第4層結(jié)構⑥-⑨軸/?-?軸處為中空，高支模面積94.5 m2,高度8.7 m，⑥-⑨處跨度7.5 m，梁寬350 mm，梁高600 mm，樓板厚度120 mm，如圖1所示。

圖1 高支模體系

2 支模體系施工設計與驗算

2.1 支模體系施工設計

本工程支撐體系擬定采用滿堂扣件式鋼管腳手架，模板、主龍骨、次龍骨依次采用：規(guī)格尺寸為1 830 mm×910 mm的15 mm厚木膠合板、Φ48×3.0@800 mm的雙鋼管、40 mm×80 mm@200 mm的方木，材料應符合施工用料標準。梁模板中設置對拉螺栓2道，對拉螺桿豎向間距400 mm，M14穿梁螺栓固定；承重架采用無承重立桿,木方垂直梁截面支設方式；梁底采用托梁支撐形式；木方間距150 mm；腳手架搭設高度8.58 m；縱橫間距0.9 m，步距1.5 m。為了保證結(jié)構安全，高架支模下1層所有架體在高架支模體系拆除后方可拆除,高架支模施工時，下層樓板強度必須達到95%以上[3]。

2.2 支模體系施工驗算

2.2.1 搭設參數(shù)

① 模板支架高8.58 m；② 立桿縱距b、橫距l(xiāng)、步距h分別是0.90 m、0.90 m、1.50 m；③ 木方間距0.20 m；④ 梁頂托采用Φ48×3.0 mm的雙鋼管；⑤ 立桿伸出頂層水平桿中心的長度不超過0.2 m。樓板支撐架立面及荷載計算單元見圖2、圖3。

2.2.2 確定荷載組合分項系數(shù)

按承載能力極限狀態(tài)設計，按照《建筑施工模板安全技術規(guī)范》[4](JGJ 162—2008)確定荷載組合分項系數(shù)如下：

當可變荷載效應起控制作用時，組合按照公式(1)計算如下：

(1)

當永久荷載效應起控制作用時，組合按照公式(2)計算如下：

(2)

經(jīng)過計算分析可知：當可變荷載效應起控制時，荷載效應組合的設計值S最大，按照規(guī)范，取γG=1.2，γQ=1.4。

鋼管慣性矩計算采用I=π(D4-d4)/64

(3)

鋼管抵抗距計算采用W=π(D4-d4)/32D

(4)

圖2 樓板支撐架立面

圖3 樓板支撐架荷載計算單元

2.2.3 構件強度計算

根據(jù)圖1所示的高支模體系，模板面板按照三跨連續(xù)梁計算；木方按照均布荷載,兩跨連續(xù)梁計算；托梁按照集中與均布荷載下多跨連續(xù)梁計算，如表1所示。構件的強度計算采用以下公式：

抗彎強度f=M/W

(5)

抗剪強度T=3Q/2bh

(6)

撓度v=0.677ql4/100EI

(7)

式中：M為面板的最大彎距,N·mm；W為面板的凈截面抵抗矩,N/mm3；Q為面板的最大剪力,N;q為面板的荷載設計值,kN/m。

經(jīng)驗算如表1所示，各構件強度計算值與撓度，均滿足《建筑施工模板安全技術規(guī)范》[4](JGJ 162—2008)要求。

表1 規(guī)范方法計算的各構件強度計算值與撓度

2.2.4 扣件式鋼管支架立桿的穩(wěn)定性計算

在風荷載作用下, 計算立桿的穩(wěn)定性按照公式(8)進行計算：

(8)

頂部立桿NW==8.629 kN

非頂部立桿NW=9.678 kN

頂部立桿段：

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

允許長細比[λ]=183.448<210,長細比驗算滿足要求。

φ=0.155，σ=147.033 N/mm2

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

允許長細比λ=190.439<210,長細比驗算滿足要求。

φ=0.144，σ=156.891 N/mm2

依據(jù)規(guī)范做承載力插值計算a=0.200時，σ=147.033 N/mm2,立桿的穩(wěn)定性計算σ<[f]，滿足要求。

2.2.5 梁模板支架驗算

(1) 在驗算強度時，各個方向所產(chǎn)生的荷載效應值均應考慮，既要考慮新澆筑混凝土時產(chǎn)生的側(cè)壓力，還要考慮在混凝土泵送傾倒施工時產(chǎn)生的荷載設計值；而在進行撓度驗算時，只需考慮新澆筑混凝土時產(chǎn)生的側(cè)壓力，計算新澆混凝土側(cè)壓力產(chǎn)生的荷載標準值。新澆筑混凝土時產(chǎn)生的側(cè)壓力取公式(9)中的較小值：

(9)

F=γcH

(10)

式中：γc=24.0 kN/m3，為混凝土的重度；V=2.5 m/h，為澆筑混凝土的速度；t=3.0 h，為新澆混凝土的初凝時間；T=20.0 ℃，為混凝土的入模溫度；H=1.2 m，為混凝土側(cè)壓力計算位置處至新澆混凝土頂面總高度；β=0.85，為混凝土坍落度影響修正系數(shù)。

按照公式(9)～式(10)進行計算新澆筑混凝土時產(chǎn)生的側(cè)壓力標準值，比較取其較小值為F1=27.090 kN/m2。

圖4 梁模板

(2) 梁模板側(cè)模。樓板模板將荷載傳遞至梁側(cè)模面板上，梁側(cè)模面板在方木、緊固件等的約束下穩(wěn)定，如圖4所示。此時梁側(cè)模面板受力機理可視為承受均布荷載的連續(xù)梁，梁側(cè)模板所承受的均布荷載為Q=(1.2×27.09+1.40×6.00)×0.60=24.545 N/mm。

表2 規(guī)范方法計算梁側(cè)模強度計算值

經(jīng)驗算，各構件強度計算值與撓度[4-5]，均滿足規(guī)范要求。

2.2.6 穿梁螺栓計算

N=9.82 kN<[N]=fA=17.850 kN，滿足要求。

式中：N為穿梁螺栓所受的拉力；A為穿梁螺栓有效面積,mm2；f=170 N/mm2，為穿梁螺栓的抗拉強度設計值。

2.2.7 連墻件穩(wěn)定性計算

連墻件是腳手架結(jié)構體與建筑結(jié)構主體連接的傳遞荷載裝置，應滿足承載能力極限狀態(tài)下的穩(wěn)定性。根據(jù)《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規(guī)范》[5](JGJ130—2011)構造要求，選用Φ48×3.5 mm的鋼管，此時可不計算其穩(wěn)定[6]。

2.2.8 立桿基礎計算

在A段第4層結(jié)構⑥-⑨軸/?-?軸處為中空，第3層結(jié)構⑥-⑨軸/?-?軸處樓板為高支模立桿的基礎，應驗算第3層結(jié)構⑥-⑨軸/?-?軸處樓板強度能否滿足承載能力極限狀態(tài)下的穩(wěn)定性。

立柱底部樓板強度計算按照《建筑施工模板安全技術規(guī)范》[4](JGJ 162—2008)中對立柱底地基承載力的計算方法進行。經(jīng)過層層結(jié)構板強度驗算，在混凝土澆筑第70 d以后，第1層到第8層的樓板強度和不足以承受以上樓層傳遞下來的荷載，所以第8層以下的模板支撐必須保存，以保證高支模的穩(wěn)定性。

經(jīng)過以上對構件強度、鋼管支架立桿的穩(wěn)定性、梁模板支架、穿梁螺栓、連墻件穩(wěn)定性、立桿基礎的計算，高支模體系施工設計的各項指標滿足規(guī)范要求。

3 扣件高支撐整體穩(wěn)定性分析

模板高支撐架中，水平桿與剪刀撐對立桿有側(cè)向支撐的約束力，因此，研究支撐架的穩(wěn)定性時，必須考慮立桿與水平桿和剪刀撐的共同作用[7]。根據(jù)工程現(xiàn)場情況進行科學合理地設置連墻件，連墻件的設置可為整體扣件式腳手架提供較好的抗彎和抗扭能力，從而提高架體的穩(wěn)定性[8]。連墻件的設置常用有后錨固法、預埋鐵板法、預埋鋼管法、預埋鋼筋連接法等，采用預埋鐵板法優(yōu)于后錨固法，是一種比較好的連接方式[9]。為了提高連墻件的整體穩(wěn)定性作用，在⑥軸⑨軸與?軸交匯處采用預埋鐵板法設置連墻件。

腳手架的計算模型主要有：鉸接點模型、排架模型、剛(框)架模型[10-14]。文獻[14]分析研究并論證了這三種計算模型的合理性，認為扣件節(jié)點具有半剛性連接方式的特征，應該值得應用。

《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規(guī)范》[5](JGJ130—2011)中明確腳手架承載力的控制是通過限制其在一定構造條件下的立桿計算長度系數(shù)實現(xiàn)的，腳手架立桿計算長度

l0=kμh

(11)

式中k=1.155，含義為計算長度附加系數(shù)；μ按表3取值，表示腳手架整體穩(wěn)定因素的單桿計算長度系數(shù)；h含義為立桿步距；按照腳手架半剛性節(jié)點計算方法[15]分別計算不同連墻件布置、不同立桿橫距條件下的整架穩(wěn)定承載力，再按照規(guī)范換算成腳手架立桿計算長度系數(shù)μ，計算結(jié)果見表3。

表3 腳手架立桿計算長度系數(shù)

由表3可知，規(guī)范法與半剛性節(jié)點法計算結(jié)果顯示，規(guī)范法更多地進行了強度儲備和實際情形差異性分析。實際結(jié)構與設計計算時采用的簡化計算模型有差異，這些差異一般很難全面考慮到，為防止意外事故和構件可能在負荷重產(chǎn)生超出工作范圍的不利因素，又進行了安全擴大，而采用的扣件節(jié)點半剛性計算法更能接近實際桿件受力，規(guī)范法比半剛性節(jié)點法計算結(jié)果又將安全儲備因數(shù)[16]n增大的倍數(shù)n=μ規(guī)范法/μ半剛性節(jié)點法=1.80/1.70=1.06。在一般性的腳手架支撐體系中，完全可以采用半剛性節(jié)點法計算，滿足施工要求。

4 結(jié) 論

采用規(guī)范法對對陜西省商洛某工程主樓綜合教學樓工程擬采用的扣件式鋼管模板高支撐體系進行施工設計和驗算，并運用腳手架半剛性節(jié)點計算方法分析其整體穩(wěn)定性，提出安全儲備因數(shù)。結(jié)果表明：

(1) 該扣件式鋼管模板高支撐體系的構件強度、鋼管支架立桿的穩(wěn)定性、梁模板支架、穿梁螺栓、連墻件穩(wěn)定性、立桿基礎均滿足規(guī)定設計要求，當選用Φ48×3.5 mm的鋼管作為連墻件時可不計算其穩(wěn)定；

(2) 采用腳手架半剛性節(jié)點計算方法分析該扣件式鋼管模板高支撐體系值小于按照《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規(guī)范》(JGJ130—2011)和《建筑施工模板安全技術規(guī)范》(JGJ 162—2008)規(guī)范法計算值；

(3) 經(jīng)過對比分析表明采用規(guī)范法計算整體穩(wěn)定性偏于保守，安全足以保證，安全儲備因數(shù)比半剛性節(jié)點法計算結(jié)果增大1.06倍，在一般性的腳手架支撐體系中，完全可以采用半剛性節(jié)點法計算，滿足施工要求。

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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

王緒旺(1982—)，男，陜西商南人，碩士，講師，主要從事工程結(jié)構健康監(jiān)測和建筑材料方面的工作。 E-mail: qqwangxuwang@126.com

TU731.2

A

1672—1144(2017)03—0148—05