扣件式鋼管模板高支撐架的設(shè)計和安全使用方法

王志揚

（中國南水北調(diào)集團中線公司天津分公司霸州管理處，河北 廊坊 065700）

0 引言

扣件式鋼管模板高支撐架屬于一種輔助施工設(shè)施，在工程中起到了固定模板與臨時支撐作用，對穩(wěn)定性與牢固性要求較高。李燕[1]進行了其地區(qū)可調(diào)式支撐體系施工技術(shù)的研究與應(yīng)用分析，通過建立高支撐架體系模型，獲取了其使用過程中需要注意的安全要點，實現(xiàn)對扣件式鋼管模板高支撐架的安全使用。邢國榮[2]通過研究復(fù)雜環(huán)形結(jié)構(gòu)支撐架的使用特點，實現(xiàn)對高支撐架施工技術(shù)的設(shè)計。萬霆[3]進行了其地區(qū)扣件式鋼管模板高支撐架的使用安全研究，通過建立支撐架結(jié)構(gòu)模型，獲取支撐架在不同工況下的使用情況，得出支撐架使用安全要點與現(xiàn)場檢查驗收要點。

當(dāng)前傳統(tǒng)的高支撐架在工程實際應(yīng)用中，無法有效地避免扣件式鋼管模板高支撐架出現(xiàn)偏心受壓問題，降低了其立桿穩(wěn)定性，不能保證模板高支撐架使用的穩(wěn)固性與安全性?；诖?，本文引入高支撐架結(jié)構(gòu)分析模型，提出了一種全新的扣件式鋼管模板高支撐架設(shè)計方法，并針對其使用安全作出了深入研究。

1 建立扣件式鋼管模板高支撐架結(jié)構(gòu)分析模型

本文在設(shè)計扣件式鋼管模板高支撐架前，首先，建立其結(jié)構(gòu)分析模型，對其外部結(jié)構(gòu)與受力特點作出全方位的分析，為后續(xù)的設(shè)計提供基礎(chǔ)保障。

首先，對扣件式鋼管模板高支撐架的多層多跨空間框架體系結(jié)構(gòu)進行分析，明確荷載傳遞的方向與傳遞作用，提取高支撐架實際應(yīng)用過程中表現(xiàn)出的幾何非線性特征。在此基礎(chǔ)上，建立高支撐架結(jié)構(gòu)分析模型，以可視化的形式，展示模板高支撐架的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1 所示。

由圖1 可知，按照高支撐架立桿中心的實際受壓情況，對其他桿件結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。根據(jù)高支撐架結(jié)構(gòu)示意圖，明確各個旋轉(zhuǎn)扣件之間連接的嵌固能力與變形協(xié)調(diào)能力，將施工荷載有序地傳遞給其他桿件，避免扣件式鋼管模板高支撐架在后續(xù)應(yīng)用中出現(xiàn)偏心受壓的情況。

圖1 扣件式鋼管模板高支撐架結(jié)構(gòu)示意圖

2 設(shè)計扣件式鋼管模板高支撐架

扣件式鋼管模板高支撐架結(jié)構(gòu)分析模型建立完畢后，對扣件式鋼管模板高支撐架進行設(shè)計。在設(shè)計過程中，根據(jù)模板工程施工及驗收規(guī)范，明確扣件式鋼管模板高支撐架的荷載與壓縮變形要求。在此基礎(chǔ)上，對高支撐架立桿的長度進行計算，公式為：

其中，la表示高支撐架立桿計算長度；h表示高支撐架立桿步距；c表示高支撐架立桿頂層橫桿中心線到支撐點之間的距離。通過計算，得出高支撐架立桿的長度，結(jié)合高支撐架安全要求的相關(guān)規(guī)定，對其計算長度的取值范圍進行設(shè)定[4]。由于扣件式鋼管模板高支撐架立桿與橫桿之間的連接節(jié)點多數(shù)采用直角扣件進行連接，不具備旋轉(zhuǎn)特征[5]。因此，在高支撐架空間框架結(jié)構(gòu)形式設(shè)計過程中，需要全方面考慮高支撐架的荷載作用，控制直角扣件連接的松緊程度，對節(jié)點進行半剛性處理，避免對支撐架節(jié)點的性能產(chǎn)生不利影響[6]。扣件式鋼管模板高支撐架節(jié)點半剛性處理結(jié)束后，接下來，確定高支撐架施工的體系軸線，分別搭設(shè)立桿、縱橫掃地桿、縱橫向水平牽桿、水平剪刀撐與垂直剪刀撐。針對扣件式鋼管模板高支撐架橋面板支撐體系施工來說，本文認(rèn)為，應(yīng)當(dāng)采取先上后下的逆向作業(yè)方式，先完成高支撐架上橋面板的模板支撐體系施工，保證立桿的頂部標(biāo)高不超過板底標(biāo)高[7]。其次，進行高支撐架下橋面板的模板支撐體系施工，結(jié)束后，拆除上下橋面板之間的高支撐架體系，通過短管搭接的方式，連接上下橋面板，保證連接結(jié)構(gòu)滿足承載力的相關(guān)要求。在扣件式鋼管模板高支撐架設(shè)計過程中，需要特別注意各個扣件選取的質(zhì)量，嚴(yán)格控制搭接尺寸要求，搭接高支撐架體，保證施工作業(yè)的安全。在高支撐架設(shè)計完畢后，及時清理工程施工現(xiàn)場，并保管好相關(guān)的設(shè)計材料。

3 計算扣件式鋼管模板高支撐架立桿穩(wěn)定性

在扣件式鋼管模板高支撐架設(shè)計結(jié)束后，接下來，對其立桿的穩(wěn)定性進行計算，保證其穩(wěn)定性符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

綜合考慮高支撐架結(jié)構(gòu)體系的節(jié)點半剛性，分別對不組合風(fēng)荷載與組合風(fēng)荷載兩種工況下，扣件式鋼管模板高支撐架立桿穩(wěn)定性進行計算，公式分別為：

其中，f表示高支撐架的抗壓強度設(shè)計值；N表示高支撐架立桿軸向力設(shè)計值；d表示高支撐架立桿軸心受到壓力時對應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)；S表示高支撐架立桿截面面積；Ha表示水平力荷載在高支撐架立桿上產(chǎn)生的彎矩；Hac表示等效水平力荷載在高支撐架立桿頂端產(chǎn)生的彎矩；Hw表示高支撐架立桿段受到風(fēng)荷載作用產(chǎn)生的彎矩；E表示高支撐架立桿截面模量。通過扣件式鋼管模板高支撐架立桿穩(wěn)定性計算結(jié)果，判定高支撐架的設(shè)計是否符合工程建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[8]。在此基礎(chǔ)上，對扣件式鋼管模板高支撐架結(jié)構(gòu)的抗力設(shè)計值進行計算，公式為：

其中，R表示高支撐架結(jié)構(gòu)的抗力設(shè)計值；ψ表示高支撐架受壓桿件的穩(wěn)定系數(shù)；λ表示高支撐架受壓桿件抗力附加分項系數(shù)。通過計算得出高支撐架結(jié)構(gòu)的抗力設(shè)計值，作為穩(wěn)定性系數(shù)，保證了高支撐架的剛度。結(jié)合扣件架設(shè)計規(guī)范，對扣件式鋼管模板高支撐架的穩(wěn)定性與抗力性作出判定。根據(jù)模板工程的實際建設(shè)需求，適當(dāng)調(diào)整扣件式鋼管模板高支撐架的結(jié)構(gòu)參數(shù)，進而保證其能夠在模板工程施工中發(fā)揮最佳效能。

4 使用安全研究

在高支撐架立桿穩(wěn)定性與抗力性符合相關(guān)規(guī)范要求后，在此基礎(chǔ)上，對其使用安全作出研究，保證工程建設(shè)的質(zhì)量與安全。首先，在實際模板工程施工中，根據(jù)模板工程支撐體系設(shè)計荷載的相關(guān)需求，選取單立桿或雙立桿的模板高支撐架。其次，對立桿不同方向的設(shè)計剛度作出合理模擬分析，根據(jù)模擬分析結(jié)果，設(shè)定高支撐架相鄰立桿之間的步距。若高支撐架立桿在不同高度情況下，受壓時軸向力產(chǎn)生的動態(tài)變化較小時，則相鄰立桿之間采用等步距設(shè)置；若受壓時軸向力產(chǎn)生的動態(tài)變化較大時，則相鄰立桿之間采用變步距設(shè)置。在高支撐架整體構(gòu)造層設(shè)置方面，根據(jù)其架構(gòu)的剛度特征，設(shè)置所需的水平加強層，主要包括單水平加強層與雙水平加強層兩種，其構(gòu)造示意圖，如圖2、3 所示。

圖2 單水平加強層構(gòu)造示意圖

圖3 雙水平加強層構(gòu)造示意圖

如圖2、3 所示，通過設(shè)置水平加強層，形成模板工程上下連接的構(gòu)造桁架，使扣件式鋼管模板高支撐架具有較大的剛度，進而提高其變形約束能力與使用安全。

5 對比分析

綜合上述內(nèi)容，便是本文提出的扣件式鋼管模板高支撐架的整體設(shè)計流程。在該支撐架投入工程實際應(yīng)用前，需要對其穩(wěn)定性作出客觀驗證，在保證其應(yīng)用效果與使用安全后，方可投入到工程應(yīng)用中。

選取M 高架橋工程項目為本次試驗的研究目標(biāo)，該工程整體采用邊跨混凝土結(jié)構(gòu)。高架橋每個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段由2 根縱梁與橫梁加面板結(jié)構(gòu)共同組成，在施工中，各個施工階段均搭設(shè)了扣件式鋼管模板高支撐系統(tǒng)。其中，在扣件式鋼管模板高支撐系統(tǒng)中，最大搭設(shè)高度為53.2m。對M 高架橋工程項目扣件式鋼管模板高支撐體系布置情況作出分析，獲取如表1 所示的布置信息表。

如表1 所示，為M 高架橋工程模板高支撐體系布置的相關(guān)信息數(shù)據(jù)，在掌握以上信息后，按照上述本文提出的設(shè)計內(nèi)容，對工程使用的扣件式鋼管模板高支撐架進行設(shè)計。

表1 M 高架橋工程模板高支撐體系布置表

選取扣件式鋼管模板高支撐架立桿穩(wěn)定性作為本次試驗的評價指標(biāo)，通過式（2）（3）對高支撐架設(shè)計完畢后立桿的穩(wěn)定性進行驗算，保證其穩(wěn)定性符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。為了使試驗結(jié)果更加直觀清晰，且具有說服力，采用對比分析的方法原理，設(shè)置本文提出的扣件式鋼管模板高支撐架設(shè)計方法為試驗組，設(shè)置傳統(tǒng)的高支撐架設(shè)計方法為對照組，進行對比試驗。隨機設(shè)定5 種不同的水平作用力工況，包括不加水平力、水平力大小為0.5F、水平力大小為2F、水平力大小為5F、水平力大小為10F。分別標(biāo)號為工況#01、工況#02、工況#03、工況#04、工況#05，測定5 種不同水平作用力工況下，兩種方法設(shè)計后的高支撐架的最大位移，進而反映扣件式鋼管模板高支撐架立桿的穩(wěn)定性變化。試驗結(jié)果如表2 所示。

表2 扣件式鋼管模板高支撐架最大位移對比

通過表2 的高支撐架最大位移對比結(jié)果可以得知，通過本文提出的設(shè)計方法設(shè)計出的扣件式鋼管模板高支撐架，其在不同水平作用力工況下，高支撐架立桿的最大位移量均在3.12mm以下，較對照組相比，最大位移變化較小，具有明顯差距。由此可見，本文提出的設(shè)計方法具有較高的可行性，高支撐架的穩(wěn)定性較高，能夠有效地避免高支撐架立桿出現(xiàn)局部失穩(wěn)的情況，使用安全具有一定的保障。

6 結(jié)論

通過上述本文提出的論述內(nèi)容，能夠得出以下幾個方面的結(jié)論：

（1）根據(jù)式（2）、式（3）可以對不組合風(fēng)荷載與組合風(fēng)荷載兩種情況下，扣件式鋼管模板高支撐架的穩(wěn)定性作出驗算，進而判斷高支撐架設(shè)計是否符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

（2）通過表2 的最大位移對比結(jié)果能夠得知，利用本文提出的設(shè)計方法設(shè)計扣件式鋼管模板高支撐架，在不同水平作用力下，其立桿的最大位移量不超過3.12mm，穩(wěn)定性較高，使用安全具有保障。