扣件式钢管模板支撑计算要点与施工建议

扣件式钢管模板支撑计算要点分析与施工建议摘要:本文通过对常见的扣件式钢管模板支撑架计算要点进行分析，并结合行业内相关规范进行分析和整理，从而提出一些施工建议。关键词:扣件、钢管、模板支撑、计算、规范、施工建议扣件式钢管模板支撑架的特点及计算依据扣件式钢管脚手架是目前使用比较广泛的一种模板支撑形式，具有加工、拆装简便、搭设灵活等优点，适用于各类建筑物结构的施工，但随着经济社会的发展和建筑技术的进步，高层建筑、大跨度大空间建筑不断增多，对混凝土结构模板支撑体系提出了更高的要求，为防止模板支撑体系倒塌事故的发生，《建设工程安全生产管理条例》将模板工程列入危险性较大的分部分项工程，要求施工单位编制专项施工方案，并附具安全验算结果，经施工单位技术负责人、总监理工程师签字后实施，施工过程中由专职安全生产管理人员进行现场监督；对高大模板工程的专项施工方案，施工单位还应当组织专家进行论证审查。扣件钢管架应用时特别是在用于高支撑体系时，特别要考虑其立杆的承载力、长细比、支撑架整体的抗侧刚度、扣件节点的抗滑移承载能力、扣件节点的偏心受力等因素。现行可用作计算的国家规范及行业标准按照时间的发布先后顺序依次有：《建筑施工模板安全技术规范》JGJ162-2008、《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130-2011以及《混凝土结构工程施工规范》GB50666-2011，现阶段应用主要计算依据还是应以JGJ162-2008以及GB50666-2011为主。现行有效规范当中需注意的计算要点分析支撑架的计算长度：《建筑施工模板安全技术规范》JGJ162中条扣件式钢管立柱计算中说明：计算长度采用纵横向水平拉杆的最大步距，最大步距不得大于1.8m,该计算方法直接取支架最大步距，而不考虑立杆伸出顶、底层水平杆的长度、支架的整体搭设高度及与周边拉结等构造措施，如一个30m高支架与1个3m高支架步距一样，则立杆稳定性验算结果基本相同，这不符合支架立杆稳定与支架整体稳定的基本力学理论。JGJ130-2011中5.4.6条l0=k*m2*h或l0=k*m1*（h+2a）(仅用于满堂支撑架顶部立杆段),其中a为0.2到0.5的系数，k为根据支撑架高度不同而选用的长度附加系数，从公式来看，脚手架规范应更为科学一点，考虑了架高以及支撑顶部应加设可调支托的因素，在目前2本规范并存的前提下，笔者建议按照2个公式分别计算，取较大值较为妥当，当然这个结论还值得商榷，需要规范的编写者能有一个更为权威的解释。支架立杆的长细比：模板安全技术规范中条中要求其不应大于150，而在GB50666-2011《混凝土结构工程施工规范》中4.3.12条中已经调整为180，根据长细比公式，l0=k•m•h，其中：k—计算长度附加系数，m—考虑整体稳定因素的计算长度系数，其可以通过规范查得，h—立杆的步距，i为回转半径。规范对长细比进行限制的一方面是为了避免自重引起的过分弯曲，另一方面是为了消除振动影响，从而避免脚手架的整体失稳。支撑架立柱承载力的计算公式仅仅是立杆的计算公式，即支架计算未涉及水平杆的内力，未将水平杆的内力视为威胁支架安全的危险因素。该公式将限制立杆在稳定范围内工作，使用公式须满足以下2个条件。扣件在立杆失稳之前不脱落，此条件即是规定立杆在工作时的计算长度一致，不考虑因扣件脱落使水平杆缺失，进而使立杆计算长度猛增而导致失稳破坏的因素；支架整体是一个几何不变体系（如加设支撑内部剪刀撑体系等构造措施），能支持立杆在失稳前正常工作。若不能满足上述2个前提条件，则计算无意义，因为在立杆失稳之前支架已经倒塌，用支架计算公式计算，确认立杆稳定了，并不等于支架就安全了，支架的稳固，除立杆必须稳定之外，尚需要合理的构造措施，以确保支架架体的几何不变性。支架中的水平内力来自于：推车、泵送混凝土和风荷载等水平外力转化外，更主要又不可避免的因素是，立杆倾斜（初弯曲、施工中的接长偏差等）引起竖向外力转化为支架的水平内力，只要有荷载，支架中必定存在水平内力，水平内力是扣件松脱和架顶侧移的主要原因，最终可以导致塌架，而水平力的最大值出现在最顶层水平杆上。因此在实际运用当中模板支架顶层的双向水平杆的设置就显得尤为重要。新浇筑混凝土侧压力计算公式的应用：GB50666-2011修改了模板规范中的计算公式：2个公式中具体参数的取值详见规范附录，需要提醒的是目前施工现场混凝土坍落度普遍偏高（大于180mm）的情况下，直接采用后者公式即可，前者公式只适合于浇筑速度限定在10m/h以下，且坍落度≤180mm的条件。规范当中并没有提及浇筑速度的定义，从定义来看应是浇筑厚度与浇筑时间的比值，据规范编写者的一些抽样统计：施工中，当浇筑小截面柱子时，浇筑速度通常在10m/h～20m/h；混凝土墙浇筑速度在3m/h～10m/h左右。我们在实际工程参数取值的时候，可以作为参考。荷载取值及组合荷载取值及组合的规范选用建议按照GB50666-2011新规范执行，比原来的模板规范相比，该取值更趋于实际，如对作用在模板支撑及支架上的施工人员荷载与施工设备荷载Q1标准值的取值调整为：可按实际情况计算，且应≥2.5KN/m2。新增加考虑了施工中的泵送混凝土或不均匀堆载产生的附加水平荷载Q3，该荷载项的标准取值可取计算工况下竖向荷载标准值（即模板上混凝土和钢筋）质量）的2%，并以线荷载形式作用在模板支架上端水平方向上。风荷载Q4的规定：基本风压还是按照10年一遇采用，但规定了基本风压应≥0.2KN/m2，规定此项是对应于不同地区和不同施工高度安装的模板，其迎风面所受的局部风场下风力等级是不同的，必须有一定的基本风压值而设置的。另外规范对模板及支架承载力计算和荷载组合作出了新的规定，如：引入了结构重要性系数r0,承载力设计值调整系数等，荷载效应组合则按照规范中公式条执行，按照模板及支架的设计流程，荷载组合应遵循“承载力验算采用荷载设计值，挠度验算应采用荷载标准值”的原则，其他内容在这不一一叙述，详见规范条文。扣件钢管支架轴心与偏心受力的分析（图一：两种受力形式）。图一：两种受力形式在JGJ162-2008模板规范中条和6.1.9条都要求模板支架必须采用中心传力的方式，顶部应设可调支托。而在GB50666-2011中4.3.15条已经修订成宜采用中心传力（可调托座）的方式，单根立杆的轴力标准值≤12KN(高大模板为10KN)，立杆顶部承受水平杆扣件传递的竖向荷载时（即模板搁置在扣件钢管支架顶部的水平钢管上），应按照不小于50mm（高大模板为100mm）的偏心距进行承载力验算，且应考虑搭设的垂直偏差影响，还应验算水平杆与立杆的直角扣件抗滑移承载力。新的规范并没有强制支撑架顶部非设可调支托不可，此条文的出台也说明了规范编写者是考虑了当前施工现场钢管支撑架使用现状的。图一：两种受力形式相比偏心受力而言，立杆轴心受力更安全可靠，高大模板应采用轴心受力方式，一般模板工程在条件允许的情况下，优先选择顶部加设可调支托，特别是在目前市场扣件质量良莠不齐的现状前提下，因为从偏心受力的力学传递机理：荷载→模板→次楞→主楞→扣件→立杆→地基来看，支架的承载力更依赖于扣件的抗滑移承载力。规范中模板支架条文中的构造措施分析在新的GB50666-2011中和4.4.8条详细说明了具体的构造措施，如立杆步距上下两端应设置双向水平杆，水平杆与立杆的交错点应采用扣件连接；支架长度或宽度＞6m时，应设置中部纵向或横向的剪刀撑，支架高度大于3倍步距时，支架顶部宜设置1道水平剪刀撑等，另外对高大模板支架也作了具体要求，特别是强调扣件高大模板支架搭设应完整以及立杆上每步的双向水平杆均应与立杆扣接，且应与施工方案一致等要求。在JGJ162-2008中条中第1条要求：梁和板的立柱，其纵横向间距应相等或成倍数，从实际操作层面来看，很难做到此条，也不尽合理。模板支架可以按主梁—次梁—楼板的顺序按照方案设计的间距布置立杆，并尽量布置为规则的矩阵。矩形的建筑结构，支架立杆应布置为规则的矩阵，使纵横向水平杆贯通。折线形、弧形建筑结构的支架立杆也应尽量布置为规则的矩阵，边梁处按计算书确定的纵横距加密立杆。有研究发现：模板支撑架设置扫地杆与剪刀撑后，支架仍为扣件滑移破坏，其承载力提高不多，但增设扫地杆和剪刀撑后，支架立杆的有效压力明显降低了，说明支架的整体性得到提高，支架各部分参与工作的程度加深了。因此，支架设置必要的扫地杆及剪刀撑有利于提高支架的整体稳定性，防止在混凝土输送管的抖动下支架的整体失稳，增加安全储备。施工建议方案编制建议建质[2009]87号《危险性较大的分部分项工程安全管理办法》中要求施工总荷载大于15kN/m2或集中线荷载大于20kN/m的模板支撑系统方案需要专家论证，对这个荷载取值的定义在业内一直有一些争议，主要存在三种说法：其一是构件的自重取值；其二是是按照JGJ162-2008中表荷载标准值的组合；从施工实际逻辑讲，按照后者组合取值较为合理，也有一些地方直接规定如板厚超过≥500mm(总荷载大于15kN/m2),梁截面面积超过0.72m2(线荷载大于20kN/m)就需要专家论证，这个数据的推定也是跟规范条文相契合的。方案中工程概况除简要介绍项目的建设单位、工程名称、建筑面积、建筑层高、建筑高度等基本情况外，应着重说明与方案编制有关的技术参数、施工工况、材料种类规格等。如：模架高度、构件的空间位置和尺寸（特殊部位在何处）、施工条件（辅助机械等）、地质情况、周围环境，采用的混凝土种类、坍落度和布料方式、布料机械的型号、混凝土的浇筑方向、采用的模板及其支撑材料种类和规格、立杆支承条件等。与方案编制无关的内容应简略。模板支撑架方案应以图示为主、文字为辅，编制模架方案，应着重施工图的绘制，以便清晰准确地表达设计意图，具体模架施工图应能清楚反映以下几个方面内容：(1)本方案所涉及的有关结构构件的空间位置和截面尺寸；(2)模板支撑立杆、剪刀撑及各种水平杆件的平面位置和间距；(3)纵横水平杆、水平剪刀撑的竖向间距，垂直剪刀撑的设置情况；(4)直接支承模板的小楞、大楞、对拉螺栓的规格和布置等；(5)模板及其支架的详细构造；(6)立杆支承条件如：立杆基础做法、立杆底座、垫板，立杆支承在建筑物结构层的加固措施等；(7)局部高支模与周边建筑结构构件或楼层模板支撑体系的连结；(8)用于模架施工的材料种类、规格、技术指标、设计要求等。方案计算中考虑的是立杆的稳定性验算，但整体稳定性需靠构造措施来保证，必须注意如剪刀撑、抱柱、连墙杆以及规范中的支架高宽比要求等计算过程应注意事项(1)模架的设计计算工作量较大，并需要进行多方案比较和优化设计，应尽量采用计算机软件进行计算，但不能完全依赖软件，对软件中不符合工程实际的内容应进行调整，采用计算机软件计算的，应说明软件的名称及版本。(2)计算书所采用的材料品种、规格，应与施工现场实际使用的材料种类和规格相同，质量应符合相关技术标准的规定,对多次重复利用的钢管、扣件、楞木等构配件，在设计时应适当考虑技术性能降低的因素；如现场支撑架钢管厚度一般为2.8mm～3.2mm，就不能按按3.6mm计算。木方断面设计为50*100mm、100*100mm木方，而实际进场木方断面一般为40*90mm、90*90mm木方或者更小,编制方案的人员必须了解现场实际情况。施工监控中应加强的环节与事项基本要求：重视方案交底：结合平、剖、节点详图进行交底，如钢管基本排架尺寸、梁下木枋铺放方向等，重视一“顶”一“底”的搭设质量，如：顶部立杆上的水平杆步距适当缩小、双向水平杆均不能少等；底部立杆的扫地杆、立杆基础牢靠、排水良好等；重视基本的抗侧力、抗扭等剪刀撑的搭设。过程检查内容要求：基本架体尺寸、基本步高、双向水平搭设是否完整、立杆接头部位、竖向和水平剪刀撑搭设、大梁下的搭设细部等，重点抽查顶层双向水平杆与立杆的扣件拧紧力矩。混凝土施工中要求：严禁水平构件与竖向构件同时浇筑，混凝土浇筑方法、顺序、速度应符合施工方案要求，如梁板采取由中间向两边对称浇筑的施工方向等；严格控制施工中荷载的实施与混凝土的堆积高度：如模板上混凝土堆料厚度不超过200mm等。结束语：近年来，因模板支撑架坍塌造成多人死亡和重伤的事故屡见不鲜，惨痛的教训令人深思，血的代价不容我们重蹈覆辙！而