模板支架結(jié)構(gòu)體系安全性施工技術(shù)概述★

郭 艷 胡長明 張 瑩 郭嘉欣

(1.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與測繪工程學(xué)院，陜西 西安 710021； 2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者在模板支架的安全性能和承載性能方面做了許多工作，其中承載性能方面的研究成果居多[1-3]， 理論分析、試驗(yàn)研究及施工期荷載的調(diào)研和統(tǒng)計(jì)也取得了不少成果[4-8]，國內(nèi)專家學(xué)者已經(jīng)對模板支架的理論、試驗(yàn)與數(shù)值分析形成了系統(tǒng)研究，不再只借鑒雙排腳手架的計(jì)算理論。

工程建設(shè)中模板支架屬于臨時(shí)性結(jié)構(gòu)，但當(dāng)?shù)顾鹿拾l(fā)生時(shí)會造成不可挽回的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。從業(yè)人員必須對模板支架進(jìn)行系統(tǒng)地研究，掌握其工作性能，解決其技術(shù)難題，制定行業(yè)規(guī)范，以杜絕模板支架安全事故的發(fā)生[9-13]。

1 模板支架與腳手架的區(qū)別和聯(lián)系

模板支架與腳手架主要是混凝土工程施工時(shí)支撐模板形狀及位置而臨時(shí)搭設(shè)的架子，其功能用途較為廣泛，可用于滿足施工要求的各種臨時(shí)性結(jié)構(gòu)[14]。廣義上將臨時(shí)搭設(shè)在在建建筑物或構(gòu)筑物周圍，為方便人員施工、外墻裝飾作業(yè)以及臨時(shí)堆放建筑材料的輔助施工設(shè)施，或者是在混凝土澆筑過程中為固定模板而架設(shè)的臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)，統(tǒng)稱為施工腳手架系統(tǒng)；狹義上將在建建筑周圍的輔助施工設(shè)施稱為腳手架系統(tǒng)，而將澆筑混凝土?xí)r固定模板的支架稱為模板支架系統(tǒng)[15]。

大跨度、超常規(guī)混凝土結(jié)構(gòu)建筑通常面積大、空間跨度大、自重大，此類大型建筑施工時(shí)要求模板支架的搭設(shè)跨度大、高度高，且在混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)要求模板支架承擔(dān)混凝土結(jié)構(gòu)施工時(shí)的各種荷載，這就對模板支架的設(shè)計(jì)和施工提出了更加嚴(yán)格的要求[16]。

模板支架體系與腳手架體系在結(jié)構(gòu)形式和力學(xué)性能上都存在著較大的區(qū)別，二者的構(gòu)成形式見圖1。腳手架體系在橫向上一般只有兩排(雙排腳手架)或一排(單排腳手架)立桿，而在縱向上有若干排立桿，故腳手架體系橫向剛度較弱，易發(fā)生橫向的整體失穩(wěn)，所以在應(yīng)用中須在腳手架橫向設(shè)置連墻桿與已完成施工的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效固定。模板支架體系在縱橫方向都有若干排立桿組成，失穩(wěn)現(xiàn)象多發(fā)生于排數(shù)少、整體剛度較弱的橫向，且模板支架在縱橫向無法與已經(jīng)建成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效連接，這就使得模板支架的穩(wěn)定性比腳手架差。工程應(yīng)用中搭設(shè)高度高且需要承擔(dān)較大荷載的模板支架需進(jìn)行承載力和穩(wěn)定性專項(xiàng)施工方案設(shè)計(jì)。

文章將主要分析用于混凝土澆筑時(shí)固定模板的臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)，即模板支架體系，其分為滿堂支撐架和滿堂腳手架兩種。

1.1 滿堂支撐架

滿堂支撐架由立桿、水平桿和剪刀撐組成，縱橫向立桿均不少于三排，與水平桿、水平剪刀撐、豎向剪刀撐連接，形成穩(wěn)定的支架結(jié)構(gòu)。澆筑混凝土?xí)r，施工荷載的傳遞路徑由木枋、上部可調(diào)頂托傳給立桿，再由立桿傳遞給水平桿和剪刀撐，頂端立桿呈軸心受壓狀態(tài)，其受力形式如圖 2 所示。滿堂支撐架體系傳力合理，具有較好的穩(wěn)定性，適用于荷載較大的混凝土構(gòu)件的澆筑作業(yè)。

1.2 滿堂腳手架

滿堂腳手架在結(jié)構(gòu)構(gòu)造上與滿堂支撐架相同，但施工荷載等通過木枋傳遞給頂層水平桿，再由水平桿將荷載傳遞給立桿和剪刀撐，受力時(shí)架體呈偏心受壓狀態(tài)，其荷載傳遞路徑如圖3所示。滿堂腳手架與滿堂支撐架的受力形式不同，架體的整體穩(wěn)定性受偏心豎向荷載影響較大。

2 模板支架結(jié)構(gòu)體系安全性控制計(jì)算理論

模板支架結(jié)構(gòu)體系安全性控制理論計(jì)算的要點(diǎn)是立橫桿連接處節(jié)點(diǎn)剛性的界定問題，在模板支架方案設(shè)計(jì)時(shí)節(jié)點(diǎn)的剛性程度直接影響到架體的承載力和穩(wěn)定性。目前共有剛接計(jì)算理論、鉸接計(jì)算理論和半剛接計(jì)算理論三種，在對模板支架無嚴(yán)格要求的普通模板工程施工時(shí)可采用剛接理論或鉸接理論粗略的計(jì)算模板支架的承載力和穩(wěn)定性，當(dāng)工程結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、對模板支架要求較高時(shí)必須采用半剛接計(jì)算理論以確保方案的可行性。

2.1 剛接計(jì)算理論

剛接計(jì)算理論將立桿與水平桿連接節(jié)點(diǎn)、立桿與剪刀撐連接節(jié)點(diǎn)視為剛性節(jié)點(diǎn)，此理論認(rèn)為桿件之間不產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，模板支架按有側(cè)移失穩(wěn)鋼框架進(jìn)行理論計(jì)算[17]，如圖4所示。在實(shí)際工程中連接節(jié)點(diǎn)完全剛性是不可能實(shí)現(xiàn)的，因此該方法計(jì)算出的承載力偏不安全[18,19]。

2.2 鉸接計(jì)算理論

鉸接計(jì)算理論將立桿與水平桿連接節(jié)點(diǎn)、立桿與剪刀撐連接節(jié)點(diǎn)視為鉸接節(jié)點(diǎn)，參照英國標(biāo)準(zhǔn)《腳手架實(shí)施規(guī)范》中“幾何不變桿系結(jié)構(gòu)”進(jìn)行計(jì)算。但我國標(biāo)準(zhǔn)對模板支架的構(gòu)造要求沒有英國標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格，工程中剪刀撐數(shù)量設(shè)置相對較少，因此達(dá)不到“幾何不變桿系結(jié)構(gòu)”的要求。按照“非幾何不變桿系結(jié)構(gòu)”進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可采用容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法通過增加立桿計(jì)算長度系數(shù)以保證安全系數(shù)K≥2。

針對模板支架的非幾何不變桿系結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，杜榮軍[20]、余宗明等[21,23]提出了模板支架的承載力和穩(wěn)定性的計(jì)算方法并進(jìn)行了載荷試驗(yàn)，同時(shí)規(guī)范了搭設(shè)和使用要求。施炳華[24-26]認(rèn)為模板支架是上下兩端鉸接的多層排架結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性可簡化為兩端鉸接的等代柱的穩(wěn)定性問題。但采用該方法進(jìn)行理論計(jì)算又過于保守，與實(shí)際情況也不符。

2.3 半剛接計(jì)算理論

半剛接計(jì)算理論視桿件連接節(jié)點(diǎn)具有半剛性，承受荷載作用時(shí)節(jié)點(diǎn)會有一定的轉(zhuǎn)動剛度。在這種假定下桿件節(jié)點(diǎn)處傳力時(shí)會產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)角，其轉(zhuǎn)動剛度需要通過節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)和有限元方法進(jìn)行確定。

敖鴻斐[10,27]對落地式雙排扣件式鋼管腳手架應(yīng)用有限元方法進(jìn)行了二階彈塑性穩(wěn)定分析，并通過試驗(yàn)測得了扣件的轉(zhuǎn)動剛度。徐崇寶等[28]分別采用剛接理論和半剛接理論對雙排扣件式鋼管腳手架的整體穩(wěn)定進(jìn)行理論分析，指出剛性連接計(jì)算的臨界荷載比試驗(yàn)值高很多，而按半剛性理論得到的計(jì)算值與試驗(yàn)值比較接近。

3 我國常用模板支架分析

我國模板支架工程的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一階段是解放初期到20世紀(jì)60年代，主要利用竹木材料；60年代末～70年代，出現(xiàn)了鋼管扣件式模板支架、各種鋼制工具式里凳與竹木支架并存的第二階段；從80年代以后到現(xiàn)在，隨著土木工程的發(fā)展，國內(nèi)一些研究、設(shè)計(jì)、施工單位從國外引入新型模板支架的基礎(chǔ)上，開發(fā)出一系列新型模板支架，進(jìn)入多種模板支架并存的第三階段。目前工具式模板支架如爬模、滑模、飛模及型鋼大模板等在大型混凝土工程項(xiàng)目中也逐漸得到應(yīng)用，但是滿堂式模板支架仍是建筑、橋梁、公路、隧道等工程中混凝土構(gòu)件施工的主要形式，本節(jié)主要分析在工程施工中應(yīng)用較多的幾種滿堂支架形式。

3.1 扣件式模板支架

扣件式模板支架由鋼管和扣件組成：鋼管為普通碳素鋼管，規(guī)格為48 mm×3 mm，可用作立桿、橫桿及剪刀撐，每根最大長度限制為6.5 m，重量控制在25 kg以內(nèi)，以確保搭設(shè)和拆卸的安全；扣件為可鍛鑄鐵扣件，分為對接扣件、直角扣件和旋轉(zhuǎn)扣件三種，分別用于立桿與立桿的連接，立桿與橫桿的連接和立橫桿與剪刀撐的連接。扣件式模板支架在工程中的應(yīng)用及扣件形式見圖5。

從圖5可以看出扣件式模板支架可靈活設(shè)置縱橫間距和步距，可滿足不同的承載力和剛度需求，故其可廣泛用作各類混凝土構(gòu)件施工時(shí)的模板支架。但其搭設(shè)時(shí)對扣件的擰緊力矩要求較嚴(yán)格，若扣件擰緊力矩不足則會導(dǎo)致模板支架的整體穩(wěn)定性和承載力減弱，同時(shí)易發(fā)生扣件丟失，故其成本高、施工效率低。

3.2 碗扣式模板支架

碗扣式模板支架由帶碗扣的立桿和帶插頭的橫桿組成：碗扣節(jié)點(diǎn)包括上碗扣、下碗扣、橫桿插頭和上碗扣限位銷；立桿碗扣節(jié)點(diǎn)間距為0.6 m的模數(shù)，故步距可為0.6 m，1.2 m，1.8 m等；橫桿長度有0.3 m，0.6 m，0.9 m，1.2 m，1.5 m，1.8 m等；碗扣式模板支架沒有固定的剪刀撐搭設(shè)模式，需根據(jù)設(shè)計(jì)方案利用旋轉(zhuǎn)扣件搭配鋼管進(jìn)行使用。碗扣節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)合理，立桿軸向傳力，使模板支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、整體穩(wěn)定性好，并具有可靠的自鎖性能，能更好的滿足施工安全的需要。碗扣式模板支架在工程中的應(yīng)用及碗扣節(jié)點(diǎn)構(gòu)造見圖6。

3.3 圓盤式模板支架

圓盤式模板支架又稱菊花盤式模板支架、插盤式模板支架、輪盤式模板支架、扣盤式模板支架、雷亞架，是市場上應(yīng)用較多的一種模板支架形式。采用直徑48 mm、壁厚3.5 mm的Q345B鋼管做主構(gòu)件，在立桿上每隔0.60 m焊接上一個(gè)承盤用以連接水平桿，承盤直徑133 mm厚度10 mm，其上開設(shè)8個(gè)孔，每根立桿底部帶連接套筒；水平桿兩端焊接有帶插銷的插頭。圓盤式模板支架在工程中的應(yīng)用及圓盤承盤構(gòu)造見圖7。

由圖7可以看出圓盤式模板支架的構(gòu)件少，只有立桿、水平桿和斜拉桿3種，搭設(shè)及拆卸方便。立桿、水平桿和斜拉桿均在工廠內(nèi)制成，能改善傳統(tǒng)扣件式鋼管腳手架活動零配件易丟失、易損壞的缺點(diǎn)，沒有活動鎖緊件，消除了因扣件擰緊力矩不足可能造成的安全隱患。該模板支架承載能力大、安全牢固、施工效率高，可廣泛應(yīng)用做橋梁工程，隧道工程，廠房，高架水塔，發(fā)電廠，煉油廠等以及特殊廠房的支撐結(jié)構(gòu)。

3.4 插銷式模板支架

插銷式模板支架由立桿、橫桿、焊接在立桿上的連接盤(輪盤、圓盤)、插頭及保險(xiǎn)銷等構(gòu)件組成，立桿采用套管承插連接，橫桿采用桿端焊接的楔形直插頭插入立桿連接盤，水平和豎向剪刀撐采用扣件式鋼管與立桿或水平桿固定形成幾何不變體系。焊接于立桿上的連接盤是可連接水平四個(gè)方向直插頭的圓形孔板或輪狀孔板，連接盤按0.5 m或0.6 m的模數(shù)設(shè)置，故步距為0.5 m，0.6 m，1.0 m，1.2 m，1.5 m，1.8 m等；水平桿的長度按0.3 m的模數(shù)設(shè)置，分別為0.3 m，0.6 m，0.9 m，1.2 m，1.5 m等，插銷式模板支架的高度不應(yīng)大于24 m。插銷式模板支架在工程中的應(yīng)用及插銷節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造見圖8。

由圖中可以看出插銷式模板支架是定型支架，施工效率高；受力時(shí)架體呈軸心傳力狀態(tài)，結(jié)構(gòu)合理，承載力較高，但橫桿不連續(xù)使得架體整體剛度小。該模板支架體系廣泛應(yīng)用于各類建筑工程，尤其是隧道工程和橋梁工程，在一些大型混凝土構(gòu)件施工時(shí)多搭配扣件式模板支架共同使用，既可提高整體剛度和承載力，又能夠保證施工效率滿足工期要求。

4 結(jié)語

文章介紹了模板支架與腳手架的區(qū)別與聯(lián)系；總結(jié)了模板支架的安全性控制理論計(jì)算方法；介紹了我國常用的扣件式模板支架、碗扣式模板支架、圓盤式模板支架和插銷式模板支架的結(jié)構(gòu)形式及適用范圍。對各類模板支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用范圍有了一定的了解，可為不同混凝土構(gòu)件施工時(shí)模板支架的選擇提供參考。