滿堂式鋼管模板支撐架結(jié)構(gòu)計(jì)算模型綜述

周雪梅，于海祥

（重慶建工第九建設(shè)有限公司，重慶400080）

滿堂式鋼管模板支撐架結(jié)構(gòu)計(jì)算模型綜述

周雪梅，于海祥

（重慶建工第九建設(shè)有限公司，重慶400080）

該文指出了確定架體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型在滿堂式鋼管模板支撐架設(shè)計(jì)中的重要性，講述了架體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的一般簡化過程，在分析滿堂式鋼管模板支撐架結(jié)構(gòu)計(jì)算模型歷史演變的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了現(xiàn)存的各種計(jì)算模型的特點(diǎn)，并通過各種計(jì)算模型下得到的架體穩(wěn)定性的比較，指出了各種計(jì)算模型的差異。

模板支撐架；結(jié)構(gòu)計(jì)算；計(jì)算模型；穩(wěn)定性；施工安全

0 前言

目前在建設(shè)工程施工領(lǐng)域，模板支撐系統(tǒng)尤其是高大模板支撐系統(tǒng)已成為導(dǎo)致生產(chǎn)安全事故的重大危險(xiǎn)源之一，由于模板支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)、構(gòu)造不合理導(dǎo)致的模板支撐工程整體坍塌事故多為重大事故，模板支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工須加強(qiáng)管理[1]。其中，支撐架的設(shè)計(jì)中首先要解決的問題是確定合理的架體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。

1 架體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的重要性

模板支撐架是一種以立桿承受豎向荷載作用為主的空間桿系結(jié)構(gòu)，作為臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面與永久建筑結(jié)構(gòu)相比僅有服役年限的區(qū)別。架體設(shè)計(jì)的核心工作就是選定合理簡化后的計(jì)算模型，施加足夠的外荷載，按照極限設(shè)計(jì)狀態(tài)進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形計(jì)算，確定架體結(jié)構(gòu)是否滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的基本要求。其中結(jié)構(gòu)計(jì)算的合理與否最關(guān)鍵的因素是所采取的計(jì)算模型是否合理，而從復(fù)雜的實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)中抽象出的不同的計(jì)算模型又是與各自采用的構(gòu)造措施（架體節(jié)點(diǎn)連接強(qiáng)弱程度、水平桿布置、斜桿或剪刀撐布置）密切相關(guān)的。

2 架體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的簡化

圖1是典型的滿堂式鋼管模板支撐架的空間構(gòu)造圖，從圖中可以看出，不管哪種類型的鋼管架體，都是帶斜向支撐桿件的空間鋼結(jié)構(gòu)梁柱框架結(jié)構(gòu)，所不同的是斜桿設(shè)置方式不同，鋼管梁柱節(jié)點(diǎn)的連接強(qiáng)弱程度（節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動剛度）不同而已。

圖1 滿堂式鋼管模板支撐架的空間構(gòu)造圖

對實(shí)際架體而言，由于節(jié)點(diǎn)數(shù)目多，架體實(shí)際為空間成千上萬次超靜定的空間半剛性節(jié)點(diǎn)框架結(jié)構(gòu)，如果不做適當(dāng)?shù)暮喕瑢㈦y以計(jì)算其在外載下的力學(xué)響應(yīng)；雖然可以采用計(jì)算機(jī)程序按照矩陣位移法、有限單元法等數(shù)值方法進(jìn)行模擬，但這無疑對現(xiàn)場工程師而言是不現(xiàn)實(shí)的。因此有必要抓住架體結(jié)構(gòu)的主要受力特點(diǎn)，進(jìn)行最大程度的簡化，以便能夠簡化為材料力學(xué)的單桿受力模型或結(jié)構(gòu)力學(xué)中的連續(xù)梁模型進(jìn)行分析。

圖2 滿堂式鋼管模板支撐架的計(jì)算簡圖

為此，工程師們經(jīng)常選取承受線荷載較大的一榀平面框架代替整體空間框架進(jìn)行計(jì)算，如圖2（a）所示，盡管如此，還是因?yàn)槌o定次數(shù)太多難以被工程師接受。既然架體為立桿受壓為主的結(jié)構(gòu)，該平面結(jié)構(gòu)還可進(jìn)一步簡化為單根連續(xù)立桿結(jié)構(gòu)，如圖2（b）所示。這樣一來空間的多次超靜定結(jié)構(gòu)就簡化為一根兩端鉸接的單節(jié)間立柱，但該立柱的計(jì)算用長度與實(shí)際節(jié)間長度是不同的。

桿系結(jié)構(gòu)中桿件計(jì)算長度的物理意義是將具有端部約束條件的桿件比擬為承載力相同而長度不同的兩端鉸支桿看待，也就是直桿開始彎曲時(shí)彎曲線上的兩個轉(zhuǎn)點(diǎn)或反彎點(diǎn)之間的距離，如圖2（b）。對桿件計(jì)算長度的確定，采取了把桿件和對它起約束作用的構(gòu)件一起做穩(wěn)定性分析，因?yàn)闂U件計(jì)算長度與構(gòu)造設(shè)計(jì)有密切聯(lián)系，節(jié)點(diǎn)連接的構(gòu)造方式會影響桿件的穩(wěn)定性能。

由于目前廣泛采用的扣件式、碗扣式、承插型盤扣式鋼管支撐架各自空間構(gòu)造存在區(qū)別，各類架體所依據(jù)的技術(shù)規(guī)范給出的立桿計(jì)算長度系數(shù)也存在很大的區(qū)別。表1為按照相同幾何參數(shù)設(shè)計(jì)的各類鋼管架體依據(jù)現(xiàn)行的技術(shù)規(guī)范計(jì)算得到的立桿計(jì)算長度的對比。從表1的計(jì)算長度數(shù)據(jù)表來看，對于相同的架體布置，各類架體的計(jì)算長度系數(shù)相差甚大，且最大和最小值相差2倍以上。可見，在利用單立桿局部穩(wěn)定性代替架體整體空間穩(wěn)定性的做法上，針對不同的節(jié)點(diǎn)類型，根據(jù)不同的技術(shù)規(guī)范得到的結(jié)論存在較大差別，這種方法是否值得推廣值得商榷。

表1 各種技術(shù)規(guī)范條件下得到的立桿計(jì)算長度比較（m）

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的演變

滿堂式鋼管模板支撐架這種帶斜撐構(gòu)件的空間薄壁鋼結(jié)構(gòu)框架采用哪種計(jì)算模型既簡單又能反映其真實(shí)受力特點(diǎn)一直以來是各部支撐架規(guī)范急需解決的最為核心的內(nèi)容。

從上世紀(jì)90年代開始籌備編制的扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)程，到后來的碗扣式鋼管腳手架規(guī)程、承插型盤扣式鋼管支架技術(shù)規(guī)程，各自都圍繞其支架本身的構(gòu)造特點(diǎn)采取了不同的單立桿計(jì)算簡化模式。2014年1月1日起執(zhí)行的《建筑施工臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ300-2013）采用了單元框架或單元桁架的概念，利用空間桿系模型來模擬架體的空間穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性，雖然最終的表達(dá)方式也是采用單立桿計(jì)算長度和格構(gòu)柱等效計(jì)算長度，但更多的是利用鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析理論從整個架體的空間構(gòu)造層面進(jìn)行綜合分析?？v觀這些標(biāo)準(zhǔn)，架體的計(jì)算主要有三條主線的計(jì)算模型。

3.1 單立桿計(jì)算模型

以《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ130-2011）[1]為代表的典型的單立桿計(jì)算模型：充分考慮架體空間整體構(gòu)造的單立桿節(jié)間計(jì)算長度系數(shù)模式。該模式下，穩(wěn)定系數(shù)的取值完全建立在試驗(yàn)基礎(chǔ)之上，采取了2.0以上的安全系數(shù)，并利用有限元分析模型進(jìn)行校核。該計(jì)算模式下，雖然相關(guān)計(jì)算取值有試驗(yàn)依托，但太過保守，行業(yè)內(nèi)一直有反對意見?！督ㄖ┕こ胁逍捅P扣式鋼管支架安全技術(shù)規(guī)程》（JGJ231-2011）[2]在一定程度上也采用了這種計(jì)算模式，但更多的采用了如下條所示的節(jié)間斜桿計(jì)算模式。

3.2 桁架壓桿計(jì)算模式

以《建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ166-2008）[3]為代表的節(jié)間斜桿計(jì)算模式，在這種模式下，由于立桿的節(jié)間設(shè)置了斜桿，直接將架體簡化為立桿節(jié)間兩端為鉸接的簡化模式。該模型由于太過理想化，實(shí)際使用中，很少設(shè)置通高斜桿，因此穩(wěn)定性計(jì)算偏不安全，一經(jīng)發(fā)布便引起了爭議。

表2 考慮節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動剛度的單元框架計(jì)算模型下架體立桿計(jì)算長度比較

3.3 考慮節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動剛度的空間計(jì)算模式

為充分考慮上述兩種計(jì)算模型的缺陷，新發(fā)布的《建筑施工臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ300-2013）[4]采取了一種全新的計(jì)算模型：

（1）對于不設(shè)置豎向斜桿的架體，如扣件式鋼管支架以及不設(shè)置專用斜桿的碗扣式和承插型盤扣式鋼管支架，應(yīng)作為框架式支撐結(jié)構(gòu)?？蚣苁街谓Y(jié)構(gòu)又分為有剪刀撐和無剪刀撐的框架式支撐結(jié)構(gòu)，框架式支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性計(jì)算考慮節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動剛度對架體穩(wěn)定性的影響。

①對于無剪刀撐的框架式支撐結(jié)構(gòu)采用基于歐拉壓桿穩(wěn)定理論的單立桿穩(wěn)定分析方法，按考慮風(fēng)荷載時(shí)的壓彎構(gòu)件與不考慮風(fēng)荷載時(shí)的軸心壓桿兩種模式進(jìn)行整體穩(wěn)定性計(jì)算，該計(jì)算模式類似于上述第一條主線的計(jì)算模式。

②對于有剪刀撐的框架式支撐結(jié)構(gòu)，則是利用單元框架的穩(wěn)定性反映架體的穩(wěn)定性。所謂單元框架就是由縱向和橫向的豎向剪刀撐圍成的矩形結(jié)構(gòu)單元，單元框架是模板支撐架的基本計(jì)算單元。

（2）對于按照特定構(gòu)造要求設(shè)置斜桿的碗扣式、承插型盤扣式鋼管支撐架則屬于桁架式支撐結(jié)構(gòu)，此種計(jì)算模式下，不考慮節(jié)點(diǎn)的半剛性影響。單元桁架是桁架式支撐架的基本計(jì)算單元，是由4根立桿、各層水平桿以及豎向斜桿組成的平行弦桁架結(jié)構(gòu)。此時(shí)應(yīng)進(jìn)行兩種穩(wěn)定性計(jì)算：

①單元桁架的局部穩(wěn)定性驗(yàn)算：采用基于歐拉壓桿穩(wěn)定理論的單立桿穩(wěn)定分析方法，按考慮風(fēng)荷載時(shí)的壓彎構(gòu)件與不考慮風(fēng)荷載時(shí)的軸心壓桿模式進(jìn)行計(jì)算。

②單元桁架的整體穩(wěn)定性驗(yàn)算：將整個單元桁架看做一根豎向的格構(gòu)柱，并采取等效單柱的計(jì)算長度進(jìn)行壓桿整體穩(wěn)定性驗(yàn)算。

（3）考慮節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動剛度時(shí)各種類型支架穩(wěn)定性比較

為比較各種不同類型的鋼管支撐架的整體穩(wěn)定性，本文采用現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑施工臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（JGJ300-2013）考慮節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動剛度的計(jì)算模型，對幾何特征相同的扣件式、碗扣式、承插型盤扣式鋼管模板支撐架采用單元框架模型下的節(jié)間立桿計(jì)算長度對各類架體穩(wěn)定性進(jìn)行對比，各類架體的立桿計(jì)算長度如表2所示。從表中可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)連接剛度的減弱，立桿計(jì)算長度增大，整體穩(wěn)定性下降，因此提高節(jié)點(diǎn)的連接性能是保證架體穩(wěn)定性的重要因素。

同時(shí)，對同樣構(gòu)造的扣件式鋼管支撐架，對比表1第1項(xiàng)按照單立桿計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果和表2第1項(xiàng)考慮節(jié)點(diǎn)半剛性情況下的計(jì)算結(jié)果可以看出，兩種計(jì)算模式下得到的立桿計(jì)算長度相差20%～60%左右，可見不同的計(jì)算模式對同樣的架體得到的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果相差甚遠(yuǎn)。

4 結(jié)論

滿堂式鋼管模板支撐體系作為一種臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)，確定其簡化計(jì)算模型并進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算是架體設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的一環(huán)。計(jì)算模型的沖突由來已久，幾十年來，不同的支架形式對應(yīng)的技術(shù)規(guī)范都采取了不同的計(jì)算模型。這一方面是每種支架的空間構(gòu)造不完全一致，比如有的設(shè)斜桿，而有的設(shè)剪刀撐，導(dǎo)致了框架式和桁架式兩種截然不同的計(jì)算模型；另一方面，隨著工程界在架體使用過程中對架體的受力形態(tài)和對失穩(wěn)規(guī)律認(rèn)識的不斷深入，從而誕生了簡單的由單立桿節(jié)間失穩(wěn)向考慮節(jié)點(diǎn)剛度的單元框架的整體失穩(wěn)的不斷發(fā)展和進(jìn)步。究竟哪一種計(jì)算模型能夠在保證架體設(shè)計(jì)安全的條件下更經(jīng)濟(jì)、合理，不可一概而論，需要經(jīng)過理論和實(shí)踐的不斷考驗(yàn)，工程界進(jìn)一步完善模板支撐架安全技術(shù)的工作仍任重道遠(yuǎn)。

[1]中國建筑科學(xué)研究院.JGJ130-2011建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[2]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ231-2010建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3]河北建設(shè)集團(tuán)有限公.JGJ166-2008建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[4]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ300-2013建筑施工臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

責(zé)任編輯：孫 蘇

建筑知識

怎樣看建筑平面圖

1弄清建筑設(shè)計(jì)總說明

建筑設(shè)計(jì)總說明對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是非常重要的，因?yàn)榻ㄖO(shè)計(jì)總說明中會提到很多做法及許多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要使用的數(shù)據(jù)，比如：建筑物所處位置（結(jié)構(gòu)中用以確定設(shè)防裂度及風(fēng)載雪載），黃海標(biāo)高（用以計(jì)算基礎(chǔ)大小及埋深樁頂標(biāo)高等，沒有黃海標(biāo)高，施工中根本無法施工），墻體做法、地面做法、樓面做法……等等做法（用以確定各部分荷載）。總之，看建筑設(shè)計(jì)說明時(shí)不能草率，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正確與否非常重要的一個環(huán)節(jié)。

2建筑平面圖

建筑平面圖就比較直觀了，主要信息就是柱網(wǎng)布置及每層房間功能墻體布置、門窗布置、樓梯位置等。而一層平面圖在進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)建模中是不需要的（有架空層及地下室等除外），一層平面圖是在做基礎(chǔ)時(shí)使用，至于如何真正的做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本文不詳述，這里只講如何看建筑施工圖。作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在看平面圖的同時(shí)，需要考慮建筑的柱網(wǎng)布置是否合理，不當(dāng)之處應(yīng)該講出理由，說服建筑師修改，通常不影響建筑功能及使用效果上的修改，建筑師也是會同意修改的，如果建筑師不改那就只有再看圖，看建筑平面圖，了解各部分建筑功能，結(jié)構(gòu)上的活荷載取值，心中就大致有數(shù)了，了解柱網(wǎng)及墻體門窗的布置，柱截面大小梁高以及梁的布置也差不多有數(shù)了，反正有墻的下面一定有梁，除非是甲方自理的隔斷，輕質(zhì)墻也最好是立在梁上。值得一提的是，注意看屋面平面圖，通?，F(xiàn)代建筑為了外立面的效果，都有層面構(gòu)架，通常都比較復(fù)雜，需要仔細(xì)的理解建筑師的構(gòu)思，必要的時(shí)候咨詢建筑師或索要效果圖，力求使自己明白整個構(gòu)架的三維形成是什么樣子的，這樣才不會出錯。另外，層面是結(jié)構(gòu)找坡還是建筑找坡也需要了解清楚。

（摘自：《建筑工人》。請作者速告地址，即付稿酬。）

A Review on Calculation Model of Support Structure of Full Steel Tube Formwork

This paper points out the importance of determining the analysis model of support structure in the full steel tube formwork design and demonstrates the general simplification process of the analysis model for support structure.The characteristics of the existing different analysis model for support structure are analyzed in detail based on its development.And the differences in the calculation models are presented in accordance with the comparison of the support stability with different analysis models.

formwork support;structure calculation;calculation model;stability;construction safety

TU711

A

1671-9107（2014）02-0036-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2014.02.036

2013-11-19

周雪梅（1982-），女，重慶人，大專，工程師，主要從事施工技術(shù)研究。

于海祥（1980-），男，山東昌樂人，博士，高級工程師，，主要從事結(jié)構(gòu)工程、工程力學(xué)和施工技術(shù)研究。