扣件式鋼管模板高支撐架的安全性分析及施工

程錫明

摘要：本文對扣件式鋼管腳手架的構(gòu)造和技術(shù)要求、技術(shù)參數(shù)，不安全因素進(jìn)行分析，高支模排架的結(jié)構(gòu)計算，各種構(gòu)件的強度和穩(wěn)定性，滿足安全要求是重中之重。施工過程能順利安全無事故，很重要的一點就是在技術(shù)上充分地考慮到滿足安全條件重視技術(shù)手段去消除安全隱患，確保施工全過程的安全。由此說明在建筑工程施工過程中重視技術(shù)措施為安全生產(chǎn)起到了重要的作用。

關(guān)鍵詞：扣件式鋼管架；整體穩(wěn)定；安全性分析；施工措施

中圖分類號： TU74 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

引言

模板高支撐架長時間以來，時常發(fā)生坍塌事故，且此類事故大多都會造成的后果相當(dāng)嚴(yán)重，尤其是在混凝土澆筑中混凝土樓屋蓋模板支架發(fā)生的坍塌事故，往往都會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失、慘重的人員傷亡和嚴(yán)重的社會負(fù)面影響。

一、實例概況

浙江某大型工程C區(qū)5層樓面軸～軸/軸～軸線區(qū)域為中心劇場觀眾席上空，其中有2根梁(截面尺寸600mm×2200mm)跨度達(dá)32.4m，離地高度達(dá)30m，該大梁在混凝土施工中采用扣件式鋼管模板高支撐體系，支撐立桿搭設(shè)高度為30m，支撐立桿步距為1500mm，支撐立桿在梁寬方向設(shè)2根立桿，間距為400mm，在梁長方向也為400mm，水平剪刀撐沿高度方向每隔二排水平支撐桿設(shè)置一道，剪刀撐在水平面連續(xù)設(shè)置，同時支撐架四周外側(cè)立面連續(xù)設(shè)置垂直剪刀撐。

二、有限元模型的建立

為了探索水平荷載對支撐體系的影響作用, 本文運用ANSYS有限元軟件建立模板支撐體系整體三維模型進(jìn)行有限元分析。

PIPE16是一種單軸彈性直管單元，具有拉壓、扭轉(zhuǎn)、和彎曲性能。該單元在兩個結(jié)點有6個自由度:沿節(jié)點x，Y，z方向的平移和繞結(jié)點x，Y，z軸的旋轉(zhuǎn)。該單元基于三維梁單元(BEAM4)，包含了根據(jù)對稱性和標(biāo)準(zhǔn)管幾何尺寸進(jìn)行的簡化。它可用于計算應(yīng)力硬化及大變形的問題，通過一個相容切線剛度矩陣的選項用來考慮大變形的分析。這個單元是建立在三維梁單元基礎(chǔ)之上，建模時可以直接輸入鋼管的內(nèi)外徑以及其他的實常數(shù)。支撐架的立桿是承受壓、彎的構(gòu)件，因此可以用PIPE16單元來模擬支撐架立桿，水平桿也是受壓或受彎構(gòu)件，所以也用PIPE16單元來模擬。

三、水平荷載的模擬

現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)模板高支撐體系有限元模型中,先不考慮大梁豎向荷載的作用, 支撐體系只在自身自重作用下, 然后在大梁一端截面上施加水平面力f, 來研究水平荷載對支撐體系的影響, f分別取值0, 5 kN/m2, 10 kN/m2, 20 kN/m2, 50 kN/m2, 示意圖如圖1所示, 圖中, X1剖面距大梁左端距離為1.2m, X2剖面距大梁左端距離為8.4m; X3剖面距大梁左端距離為16.4m, X4剖面距大梁左端距離為25.2 m; X5剖面距大梁左端距離為32.4m。大梁支撐體系中, 梁側(cè)布置的兩排垂直剪刀撐, 剪刀撐底部桿件編號如圖2所示, 梁寬方向兩根立桿編號為立桿1和立桿2。

圖1 模板支撐體系在水平荷載作用下示意圖

圖2 模板支撐體系中垂直剪刀撐布置示意

四、水平荷載的影響

扣件式鋼管模板支撐體系是偏心受壓構(gòu)件，搭設(shè)的偏差會對立桿誘發(fā)水平作用力。風(fēng)荷載會產(chǎn)生較大水平荷載，輸送混凝土?xí)r的泵管的水平?jīng)_力，澆筑混凝土?xí)r振搗器的水平振動力，這些因素都會直接產(chǎn)生水平荷載。施工期發(fā)生的扣件式鋼管模板支撐體系倒塌事故一個重要的原因是高支撐體系在水平荷載作用下抗側(cè)向變形能力不足，然而現(xiàn)行計算方法對扣件式鋼管模板高支撐體系設(shè)計僅僅提出構(gòu)造上的要求，未列入設(shè)計計算要求。本文采用有限元分析方法模擬水平荷載作用對模板支撐體系承載能力的影響。

由計算結(jié)果可知，當(dāng)PY<-1kN時，水平荷載沿著x軸負(fù)向作用，支撐體系的承載能力隨著水平荷載值的增大而增大，出現(xiàn)這種情況的原因在于，沿x軸負(fù)向作用的水平荷載可以約束支撐體系的側(cè)向變形，從而使承載能力增強;然而增大的幅度很小，最大增幅也僅僅只有6.7070k。此種情況下的失穩(wěn)模態(tài)圖為典型的整體破壞形式，整個支撐體系在長向的中部向y軸正向發(fā)生鼓曲變形。

當(dāng)PY>0kN時，水平荷載沿著x軸正向作用，支撐體系的承載能力隨著水平荷載值的增大而減小，起初降低的幅度較慢，隨著水平荷載值的增大承載能力的降低幅度也在增大，當(dāng)PY=1kN時，承載力值為29.494kN，僅比無水平荷載作用時的承載力下降2.169%，當(dāng)PY=5kN時，則下降到17.116%，而當(dāng)PY=10kN時，承載能力則降到最低值巧.536kN，比無水平荷載作用時的承載力降低48.468%。從失穩(wěn)模態(tài)圖3來看，PY=0~4kN時的破壞形式與PY<-1kN時的情況類似，區(qū)別在于前者是在長向的中部向y軸負(fù)向發(fā)生鼓曲變形;當(dāng)PY>5kN時的破壞形式，與PX>4kN時的破壞形式類似，區(qū)別在于:PY=5~6kN時，頂層水平桿沿著y邊向下發(fā)生鼓曲變形，當(dāng)PY=7~10kN時，頂層水平桿沿著y向上發(fā)生鼓曲變形。

圖3支撐體系典型失穩(wěn)模態(tài)圖

圖4～圖7反映了在水平荷載作用下模板支撐體系中, 垂直剪刀撐和豎向立桿各剖面處水平方向內(nèi)力和豎向內(nèi)力的變化規(guī)律。

圖4外排垂直剪刀撐水平向軸力值

圖5 外排垂直剪刀撐豎向軸力值

圖6 內(nèi)排垂直剪刀撐豎向軸力值

圖7 各剖面處立桿1軸力值

五、綜合分析水平荷載的影響

綜合上述水平荷載的影響，可以發(fā)現(xiàn):在頂層水平桿的X邊(即長邊)施加水平荷載情況下，當(dāng)水平荷載值PX=-6~3kN時，水平荷載的變化對承載能力的影響甚微，與沒有水平荷載作用時的承載力30.148kN相差在1%以內(nèi)，當(dāng)水平荷載值超過這一范圍時，承載能力值的下降非常明顯，因此，針對本文中的支撐架，施工過程中產(chǎn)生的水平荷載應(yīng)該盡量控制在-6~3kN以內(nèi);在頂層水平桿的y邊(即短邊)施加水平荷載時，當(dāng)水平荷載沿著x軸負(fù)向作用時，對支撐體系的承載能力具有提高作用，有利于體系的受力，因此在施工中產(chǎn)生的水平荷載應(yīng)該盡量使其沿著x軸作用。

對于一般的模板支撐體系而言，水平荷載并不總是產(chǎn)生不利影響，當(dāng)水平荷載作用的方向與支撐體系屈曲方向相反時，水平荷載會削弱支撐體系的破壞趨勢，限制支撐體系的屈曲，從而對整體的承載能力具有提升作用;相反當(dāng)水平荷載的作用方向與支撐體系屈曲方向相一致時，則會加速支撐體系的破壞，以致于使整體的承載能力大大降低;因此在實際施工中，應(yīng)盡量使水平荷載的沿著有利于支撐體系承載能力的方向作用，最好是能采取相應(yīng)措施使水平荷載的作用相互抵消或是處于對稱加載的狀態(tài)，以減小對支撐體系整體受力性能的影響。

六、施工過程中主要風(fēng)險的預(yù)防措施

（一）、合理設(shè)置剪刀撐和加強層

1)模板支撐體系的四周邊應(yīng)由底至頂連續(xù)設(shè)置豎向剪刀撐，并且要保證支撐架的四個拐角與周圍建筑物有很好的拉結(jié)，這樣即使在沒有其他構(gòu)造措施的條件下，也可以有效的保證支撐體系的整體性。2)水平加強層對支撐體系的承載能力具有十分突出的提高能力，隨著搭設(shè)密度的提高，承載能力不斷增強;因此在實際工程中，水平加強層的數(shù)量設(shè)置的越多越好;然而從安全性和經(jīng)濟(jì)性綜合考慮的角度出發(fā)，本文建議實際施工中采用中間豎向剪刀撐和上中下三層水平加強層相結(jié)合的方式，可以有效的保證支撐體系的穩(wěn)定性。

（二）、加強對模板支撐體系的監(jiān)督和管理

堅決杜絕僅憑經(jīng)驗搭設(shè)，要保證模板支撐體系先設(shè)計后施工。模板設(shè)計包括支撐體系穩(wěn)定計算、構(gòu)造措施和材料種類等，并應(yīng)考慮現(xiàn)場各種不利條件，重視斜向支撐，增加模板支撐系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。模板設(shè)計不僅要有計算書，而且要對細(xì)部構(gòu)造畫出大樣，包括材料選用規(guī)格尺寸、接頭方法、水平橫桿布置間距和剪刀撐設(shè)置要求等。模板施工技術(shù)方案，須包括模板制作、安裝拆卸的安全措施，以及安全交底。

結(jié)束語

總而言之，通過驗算可知，對影響扣件試鋼管模板高支撐架結(jié)構(gòu)體系安全性的各種施工因素的分析，進(jìn)而提出了搭設(shè)扣件試鋼管高支撐模架時，在架體安全構(gòu)造上施實施的施工措施。

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