滿堂碗扣支架間排距快速選定的方法

陳 鴻 翔， 趙 云 飛

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

支架的作用是為結(jié)構(gòu)物施工所用的模板提供支撐，一般用于橋梁工程中現(xiàn)澆混凝土梁結(jié)構(gòu)或蓋梁結(jié)構(gòu)、房建工程和水電工程中的梁或板結(jié)構(gòu)、箱涵工程頂板混凝土結(jié)構(gòu)等。在各種各樣的支撐結(jié)構(gòu)體系中，碗扣支撐架結(jié)構(gòu)是最為常見的一種結(jié)構(gòu)支撐體系，在建筑業(yè)應(yīng)用比較廣泛。

然而，在眾多不同的施工荷載中，碗扣支撐架的間排距布置是否合理直接影響到材料的數(shù)量和施工成本。在實(shí)際施工過程中，碗扣支撐架的間排距要經(jīng)過多次布置、調(diào)整和驗(yàn)算，最終達(dá)到合理的布置形式。對于沒有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員而言，這種初步布置和試算的方法比較浪費(fèi)時間和精力。筆者介紹了一種通過碗扣支撐架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、根據(jù)固定的間排距和步距計(jì)算出支撐架所能承受的施工總荷載范圍值的快速選定方法，從而初步選取合理的支撐架間排距和步距。

2 碗扣支撐架的設(shè)計(jì)規(guī)定

常用碗扣式鋼管支撐架的主要構(gòu)配件包括立桿、橫桿、剪刀撐、可調(diào)底座、可調(diào)托座等。

2.1 碗扣支撐架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)值

根據(jù)《建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》JGJ166-2016[1]要求：

(1)碗扣支撐架直徑為48.3 mm、壁厚3.5 mm；

(2)碗扣支撐架鋼管采用現(xiàn)行國家規(guī)范中規(guī)定的Q235普通鋼管；

(3)步距1.2 m，單桿最大允許承載力30 kN；步距0.6 m，單桿最大允許承載力40 kN；

(4)立桿頂端可調(diào)頂托伸出頂層水平桿的懸臂長度不超過650 mm；

(5)模板支撐架搭設(shè)高度不宜超過30 m。

2.2 碗扣支撐架截面特性參數(shù)

根據(jù)碗扣支撐架的截面數(shù)據(jù)和材質(zhì)計(jì)算得出其截面特性參數(shù)值見表1。

表1 截面特性參數(shù)值表

3 碗扣支撐架間排距的計(jì)算

橋梁工程中常用的碗扣式鋼管支撐架體系間排距受水平桿件長度約束，其間排距只能按照300 mm、600 mm、900 mm和1 200 mm幾種方式組合，故按照逆向反推方式根據(jù)每種組合情況計(jì)算施工總荷載。

3.1 碗扣式鋼管支撐架施工總荷載的計(jì)算

根據(jù)碗扣支撐架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)值和立桿間排距組合，其單位米長度施工總荷載值見表2。

=166.7 kN/m

表2 橋梁工程碗扣式鋼管支架架體構(gòu)造參數(shù)選用表 /m

式中N為單根立桿承載力值(kN)；步距1 200 mm，單桿最大允許承載力為30 kN；步距600 mm，單桿最大允許承載力為40 kN；A為支撐架間排距所圍成幾何體的面積(m2)。

3.2 橋梁工程碗扣式鋼管支架架體構(gòu)造參數(shù)的選用

根據(jù)3.1中的計(jì)算得出橋梁工程碗扣式鋼管支架架體構(gòu)造參數(shù)選用表(表3)。

表3 橋梁工程碗扣式鋼管支架架體構(gòu)造參數(shù)選用表

(1)表3中荷載值為單位長度構(gòu)件橫截面荷載，為施工總荷載，包含恒載和可變荷載以及相關(guān)荷載組合。荷載取值范圍中，最大值為上限，不可超限；最小值不限。

(2)支架高度5 m為危大工程支架高度范圍、8 m為超危大工程支架高度范圍、20 m為鐵路規(guī)范要求不超高界限值、30 m為碗扣支架規(guī)范要求最大搭設(shè)高度界限值。

(3)由于實(shí)際鋼管壁厚的差異，支撐架結(jié)構(gòu)選取后需重新簡算以確保支架體系的安全。

3.3 支架穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)《建筑施工腳手架安全技術(shù)統(tǒng)一規(guī)范》GB51210-2016[2]要求，需對支撐架做穩(wěn)定性計(jì)算。

(1)立桿計(jì)算長度。立桿計(jì)算長度按照下式計(jì)算：

l0=k·μ·(h+2a)

式中h為步距；a為立桿伸出頂層水平桿長度，可按650 mm取值；當(dāng)a=200 mm時，取a=650 mm，對應(yīng)承載力的1.2倍；當(dāng)200 mm

表4 附加系數(shù)選用表

(2)長細(xì)比。根據(jù)立桿計(jì)算長度和回轉(zhuǎn)半徑計(jì)算立桿長細(xì)比：

式中i為截面回轉(zhuǎn)半徑(mm)。

(3)穩(wěn)定性簡算。根據(jù)長細(xì)比，查表得出安全系數(shù)Φ值[3]，最終進(jìn)行立桿穩(wěn)定性判定：

式中N為立桿最大軸力(kN)；Φ為安全系數(shù)，詳見《建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》JGJ166—2016附錄C；A為立桿截面積(mm2)；[f] 為立桿允許抗壓、抗拉和抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(MPa)。

4 實(shí)例驗(yàn)證

某項(xiàng)目混凝土連續(xù)箱梁采用碗扣式支撐架進(jìn)行現(xiàn)澆施工[4]：支架高度為12 m，孔跨布置為42 m+76 m+42 m，梁體為單箱單室、變高度、變截面結(jié)構(gòu)。箱梁頂寬12.8 m，箱梁底寬6.8 m。其中0#塊長11 m，選取梁端截面，其斷面結(jié)構(gòu)尺寸見圖1。

4.1 荷載組合

根據(jù)0#段梁端截面尺寸計(jì)算出混凝土自重荷載(表5)。荷載組合情況見表6[5]。

4.2 支撐架間排距、步距的選取

根據(jù)表6計(jì)算出的施工總荷載值與表3進(jìn)行對比后選取出的合理間排距見表7。

圖1 某項(xiàng)目箱梁截面圖

表5 某項(xiàng)目箱梁截面自重荷載值計(jì)算表

表6 某項(xiàng)目箱梁施工總荷載值計(jì)算表

表7 某項(xiàng)目箱梁支撐架間排距選取表

由于腹板位置荷載最大，翼緣板、底板位置立桿縱向間距以腹板位置縱向間距為主。

按照表7中間排距和步距的布置，通過實(shí)例模型，采用用Midas Civil結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件計(jì)算得出單根立桿最大支反力為：19.9 kN<[N]=30 kN，滿足要求。

4.3 立桿穩(wěn)定性驗(yàn)算

(1)立桿計(jì)算長度。支架高度為12 m，立桿頂端懸出300 mm，根據(jù)3.3節(jié)選取相關(guān)參數(shù)值，則立桿計(jì)算長度：

l0=k·μ·(h+2a)=1.217×1.1×(1 200+2×300)=2 410(mm)

(2)長細(xì)比。計(jì)算立桿長細(xì)比：

(3)穩(wěn)定性簡算。查表(1，3)得出安全系數(shù)Φ=0.301，根據(jù)3.3節(jié)a的取值要求，經(jīng)線性內(nèi)插得承載力系數(shù)為1.16。

(4)支架高度與立桿穩(wěn)定性關(guān)系對比。取立桿伸出頂層水平桿長度最為特殊的三種長度：200 mm、300 mm和650 mm，驗(yàn)算立桿穩(wěn)定性：

①當(dāng)立桿頂端懸出200 mm、立桿計(jì)算長度系數(shù)μ為1.1、立桿步距h為1 200 mm、承載力系數(shù)為1.2、則支架高度H變化引起附件系數(shù)k值變化，立桿穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果見表8。

表8 支架高度與立桿穩(wěn)定性關(guān)系對比表

②當(dāng)立桿頂端懸出300 mm、立桿計(jì)算長度系數(shù)μ為1.1、立桿步距h為1 200 mm、線性內(nèi)插得承載力系數(shù)為1.16，則支架高度H變化引起附件系數(shù)k值變化，立桿穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果見表9。

③當(dāng)立桿頂端懸出650 mm、立桿計(jì)算長度系數(shù)μ為1.1、立桿步距h為1 200 mm、承載力系數(shù)為1、則支架高度H變化引起附件系數(shù)k值變化，立桿穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果見表10。

表9 支架高度與立桿穩(wěn)定性關(guān)系對比表

表10 支架高度與立桿穩(wěn)定性關(guān)系對比表

綜上對比，當(dāng)立桿步距確定后，施工總荷載在一定范圍之內(nèi)，不論支架搭設(shè)的高與低，立桿的穩(wěn)定性將直接受到立桿頂懸臂長度的影響且起決定性的影響作用。

5 結(jié)論及建議

(1)通過上述實(shí)例的簡單計(jì)算和驗(yàn)證，在表3中的施工總荷載區(qū)域內(nèi)，所選取的支架間排距和步距、結(jié)構(gòu)承載力和穩(wěn)定性能夠滿足設(shè)計(jì)要求，能夠準(zhǔn)確、快速選定支架的布置形式。

(2)通過多個支撐結(jié)構(gòu)體系實(shí)例對比，支架間排距和步距選取表(表3)亦適用于房建及水電工程中的梁和板、箱涵頂板等工程構(gòu)筑物的臨時支撐結(jié)構(gòu)，類似工程項(xiàng)目可借鑒。

(3)表3中，支架布置形式?jīng)]有隨支架高度遞增而變化，通過實(shí)際施工驗(yàn)證，5 m高支架與20 m高支架的布置形式基本一致，其主要原因是支架的寬高比和剪刀撐嚴(yán)格按照規(guī)范規(guī)定進(jìn)行搭設(shè)。另外，在3.3節(jié)中，將支架立桿穩(wěn)定性驗(yàn)算與表8～10中的不同情況進(jìn)行對比得知，立桿頂端的懸臂長度a值對立桿穩(wěn)定性起決定性作用，而支架高度的k系數(shù)對支架立桿穩(wěn)定性的影響不是太大。

(4)在支撐架搭設(shè)過程中，筆者建議：支架與墩柱之間應(yīng)抱箍以增強(qiáng)其整體穩(wěn)定性；同時，根據(jù)不同的搭設(shè)高度，剪刀撐的搭設(shè)步距需滿足規(guī)范中的相關(guān)要求。

(5)初步選定支架間排距和步距后，應(yīng)根據(jù)實(shí)際材料和截面特性重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算復(fù)核。