模板支架結(jié)構(gòu)體系安全性施工技術(shù)要點探討

朱路廷（甘肅第三建設(shè)集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730050）

改革開放以來，我國社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)水平越來越高，各類工程的建設(shè)規(guī)模和數(shù)量都在不斷提升。其中，部分建筑及橋梁工程中涉及大跨度、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的施工，此時傳統(tǒng)的支撐體系在支撐性能及穩(wěn)定性方面暴露出一定的不足，新型模板支撐結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用尤為重要。作為一種施工中不可或缺的臨時性結(jié)構(gòu)，模板支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性將直接對整個項目的施工進(jìn)度、質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。因此，有必要針對模板支架結(jié)構(gòu)體系的安全性施工技術(shù)要點和控制策略進(jìn)行深入探究。

1 模板支架結(jié)構(gòu)體系概述

1.1 基本概念

模板支架主要是在混凝土工程施工中，為滿足各種支撐、防護(hù)需求而采用鋼、木梁拼裝成的臨時性結(jié)構(gòu)。現(xiàn)代建筑、橋梁等工程施工中，都涉及對臨時性支護(hù)結(jié)構(gòu)的使用，從整體施工角度來講，具有臨時支撐、堆放材料、固定模板以及方便人員施工功能的臨時性支架結(jié)構(gòu)，統(tǒng)稱為施工腳手架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。從具體功能來看，施工腳手架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)又分為腳手架系統(tǒng)和模板支架系統(tǒng)，前者一般架設(shè)于建筑周圍作為輔助性施工支護(hù)設(shè)施，而后者則重點用于混凝土施工期間的模板固定和支撐。近年來，各類工程建設(shè)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，涉及的混凝土結(jié)構(gòu)自重大、空間跨度大，對混凝土澆筑時需要搭設(shè)的模板支架的高度、跨度都有更高要求。同時，在混凝土澆筑期間，混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件尚未達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度時，模板支架還需要承擔(dān)多種施工荷載，對這類模板支架結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計、施工需要做到科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)。

1.2 基本特征

隨著現(xiàn)代工程建設(shè)規(guī)模增加和技術(shù)水平的不斷提升，加上混凝土施工工藝在工程施工中的地位越來越重要，關(guān)于施工期間的臨時支護(hù)問題備受重視[1]。相較于傳統(tǒng)工程施工中占據(jù)主導(dǎo)地位的腳手架系統(tǒng)，模板支架結(jié)構(gòu)體系在力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)形式方面都存在較大區(qū)別。如圖1所示，常見的腳手架結(jié)構(gòu)通常在橫向上設(shè)置單排或雙排立桿，其橫向穩(wěn)定性相對較差，一旦橫向受力較大，很容易發(fā)生橫向失穩(wěn)的問題。為了解決這一問題，一般在搭建腳手架時會在橫向上設(shè)置連墻桿，將腳手架和已完成施工的建筑剛性結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接固定。在模板支架結(jié)構(gòu)設(shè)計搭建中，無論橫向還是縱向都會配置多排立桿，如果發(fā)生失穩(wěn)的情況，一般是由于橫向立桿排數(shù)過少。需要注意的是，在實際施工中，模板支架結(jié)構(gòu)無法和已完成施工的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，所以關(guān)于其穩(wěn)定性的把控，需要從整體設(shè)計和現(xiàn)場施工質(zhì)量控制等角度入手。

圖1 腳手架體系和模板支架體系的結(jié)構(gòu)示意圖

2 模板支架結(jié)構(gòu)體系的主要類型

在土建混凝土澆筑施工中，用于臨時固定模板的支架結(jié)構(gòu)主要包括兩種，即滿堂支撐架及滿堂腳手架。

滿堂支撐架的主要構(gòu)成要素包括立桿、水平桿、剪刀撐及其他緊固裝置，在實際應(yīng)用中，縱向及橫向立桿一般要至少設(shè)置三排，然后將其和水平桿以及橫向、縱向剪刀撐進(jìn)行連接固定，形成可靠的支架結(jié)構(gòu)[2]。基于此，在混凝土澆筑期間，施工荷載的傳遞路徑分別為模板、木枋、頂托、立桿，然后立桿將荷載分配到水平桿、剪刀撐，由此形成以立桿為核心，其他部件共同分擔(dān)的穩(wěn)定受力狀態(tài)。該支撐架結(jié)構(gòu)具有承載能力強(qiáng)、穩(wěn)定可靠的特點，尤其在體量較大、荷載較高的大體積混凝土結(jié)構(gòu)澆筑中有良好的應(yīng)用優(yōu)勢。

滿堂腳手架的基本結(jié)構(gòu)和滿堂支撐架類似，但是施工荷載的傳遞路徑存在一定差異，施工荷載首先是由模板傳遞給頂層水平桿，然后傳遞至立桿、剪刀撐。基于該傳遞路徑，整個支撐結(jié)構(gòu)呈偏心受壓狀態(tài)，這種受力形式意味著支撐結(jié)構(gòu)受到偏心豎向荷載的影響比較大。

3 模板支架結(jié)構(gòu)體系安全型施工的相關(guān)計算理論

在各類工程施工中，模板支架結(jié)構(gòu)體系作為重要的臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)，保證其穩(wěn)定性和可靠性，是確保施工安全的基本前提。在對模板支架結(jié)構(gòu)體系安全性進(jìn)行控制時，計算分析的關(guān)鍵點在于結(jié)構(gòu)立桿、橫桿連接位置的剛性界定問題。也就是說，在模板支架結(jié)構(gòu)設(shè)計時，該節(jié)點剛性水平將直接影響結(jié)構(gòu)體系的承載力、穩(wěn)定性和可靠性。目前，相應(yīng)的計算分析理論包括剛接、鉸接、半剛接計算理論，其中剛接和鉸接計算理論適用于體量較小、結(jié)構(gòu)相對簡單的普通模板工程，如果工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜、混凝土構(gòu)件體量大且對模板支架可靠性要求較高，則需要采用半剛接計算理論進(jìn)行計算和分析，確保模板支架結(jié)構(gòu)體系設(shè)計方案安全可靠[3]。

3.1 剛接計算分析理論

在剛接計算分析理論下，涉及的模板支架結(jié)構(gòu)體系中的剛性節(jié)點主要有兩個部分，即立桿和水平桿的連接點以及立桿和剪刀撐的連接點。由于該計算分析理論是建立在桿件間不產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動的前提下的，但在真實施工現(xiàn)場連接點受到材料質(zhì)量、施工質(zhì)量及現(xiàn)場環(huán)境的影響，根本無法達(dá)到完全剛性的要求，所以這種安全計算分析方法在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體量較大的混凝土結(jié)構(gòu)施工中不具有足夠好的參考價值。

3.2 鉸接計算分析理論

在鉸接計算分析理論下，涉及的模板支架結(jié)構(gòu)體系中的鉸接節(jié)點包括兩個部分，即立桿和水平桿的連接點，以及立桿和剪刀撐之間的連接點[4]。目前全球多數(shù)發(fā)達(dá)國家在計算分析時參照的是英國《腳手架實施規(guī)范》中的“幾何不變桿系結(jié)構(gòu)”標(biāo)準(zhǔn)，但是當(dāng)前我國一方面在模板支撐結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求標(biāo)準(zhǔn)沒有那么嚴(yán)格，另一方面實際施工中剪刀撐設(shè)置量比較少，所以計算分析時也無法達(dá)到“幾何不變桿系結(jié)構(gòu)”的標(biāo)準(zhǔn)要求。隨著近年相關(guān)施工及管理的要求不斷提升，工程師在分析時采用容許應(yīng)力設(shè)計法，以增加立桿計算長度系數(shù)的方式，來確保結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不小于2。

3.3 半剛接計算分析理論

在半剛接計算分析理論下，考慮了桿件連接點的半剛性特點，即在模板支架結(jié)構(gòu)體系受力時節(jié)點會存在一定的轉(zhuǎn)動剛度。基于該場景，當(dāng)桿件內(nèi)部開始傳力時，會產(chǎn)生一定轉(zhuǎn)動剛度，對此則一般使用節(jié)點試驗和有限元方法進(jìn)行計算分析。國內(nèi)相關(guān)研究人員，采用有限元方法對針對落地式雙排扣件式鋼管腳手架結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了二階彈塑性穩(wěn)定分析，計算得出了連接扣件的轉(zhuǎn)動剛度。相關(guān)試驗及實踐數(shù)據(jù)表明，半剛接計算分析理論得到的分析結(jié)果更為貼近實際情況，值得重點推廣及應(yīng)用。

4 模板支架結(jié)構(gòu)體系安全性施工技術(shù)要點分析

模板支架結(jié)構(gòu)體系在現(xiàn)代工程建設(shè)施工中應(yīng)用的重要性不言而喻，而在我國近現(xiàn)代建筑史中，關(guān)于模板支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)用也經(jīng)歷了多個階段。從初期的竹木材料，到后來的剛性金屬材料，再到如今多種材料并存的時代，模板支架結(jié)構(gòu)體系在不同類型的工程建設(shè)施工中發(fā)揮著越來越重要的作用。當(dāng)下尤其在大體積混凝土工程施工中，以飛模、爬模、型鋼大模板為代表的模板支架結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用率越來越高。接下來，對當(dāng)前混凝土工程施工中幾種比較重要的模板支架結(jié)構(gòu)體系的實際施工技術(shù)要點進(jìn)行分析。

4.1 碗扣式模板支架結(jié)構(gòu)

在碗扣式模板支架結(jié)構(gòu)中，立桿裝配有碗扣，橫桿帶有插頭，其中立桿碗扣節(jié)點包括上、下碗扣以及限位銷。其中，立桿碗扣節(jié)點間距為0.6m的模數(shù)，因此步距可以為0.6m、1.2m、1.8m、2.4m……，與之對應(yīng)的橫桿長度則可以為0.3m、0.6m、0.9m……。在該模板支架結(jié)構(gòu)中，剪刀撐搭設(shè)模式并不是單一的，一般要根據(jù)具體設(shè)計方案及現(xiàn)場實際情況進(jìn)行處理，處理過程中對旋轉(zhuǎn)扣件的使用尤為重要。在實際使用中，碗扣式模板支架結(jié)構(gòu)十分合理，立桿呈軸向傳力狀態(tài)，因此整個支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和承載力更高，加上其本身具有良好的自鎖能力，所以可以有效滿足大多數(shù)工程的安全施工要求[5]。如圖2所示，在碗扣式模板支架結(jié)構(gòu)中，立桿、橫桿的步距和間距相對固定，所以其搭建難度較低，可以在保證穩(wěn)定安全的同時提高施工效率。但是，該結(jié)構(gòu)體系中由于橫桿不具備連續(xù)性，所以在一些大型混凝土構(gòu)件施工中會暴露出支架剛度及穩(wěn)定性不足的問題。另外，長期使用中碗扣存在變形風(fēng)險，加上該結(jié)構(gòu)沒有自有剪刀撐，所以實際施工中也存在一定局限性。

圖2 碗扣式模板支架結(jié)構(gòu)的節(jié)點構(gòu)造示意圖

4.2 扣件式模板支架結(jié)構(gòu)

這是目前各類建筑工程混凝土施工中比較常見的模板支架結(jié)構(gòu)類型，主要構(gòu)成要素包括鋼管和各種類型的扣件。在實際使用中，一般采用規(guī)格為48mm×3mm 的碳素鋼管作為立桿、橫桿、剪刀撐的主要材料，為滿足安裝、拆卸便捷性和安全性需求，鋼管材料長度及質(zhì)量分別不超過6.5m和25kg。各類扣件一般為鑄鐵扣件，具體形式包括以下三種：用于立桿和剪刀撐連接的旋轉(zhuǎn)扣件；用于立桿和立桿連接的對接扣件；用于立桿和橫桿連接的直角扣件。相較于碗扣式模板支架結(jié)構(gòu)，扣件式模板支架結(jié)構(gòu)可以對縱向及橫向間距、步距進(jìn)行靈活設(shè)置，以滿足不同應(yīng)用需求，因此，該結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代工程建設(shè)施工中有非常強(qiáng)的適用性。但是，該結(jié)構(gòu)的承載力、穩(wěn)定性和可靠性與扣件擰緊力矩直接相關(guān)，如果因材料質(zhì)量、材料老化變形或施工問題導(dǎo)致扣件擰緊力矩不足，會直接給支架結(jié)構(gòu)體系的安全性帶來隱患。

4.3 插銷式模板支架結(jié)構(gòu)

插銷式模板支架結(jié)構(gòu)體系中，除了立桿、橫桿以外，立桿上配置有通過焊接工藝固定的連接盤，以及相應(yīng)的插頭、保險銷等。立桿部分使用的是套管承插連接的方式，通過在橫桿桿頭焊接楔形直插頭，將其插入立桿上的連接盤。在豎向和水平剪刀撐方面，使用扣件式鋼管進(jìn)行連接和固定。該結(jié)構(gòu)體系中立桿上的連接盤是關(guān)鍵構(gòu)件，其可以與水平四個方向的直插頭進(jìn)行連接。在實際應(yīng)用中，連接盤一般按照0.6m 的模數(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置，即步距設(shè)置為0.6m、1.2m、1.8m……，水平桿的長度按照0.3m 的模數(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置，即0.3m、0.6m、0.9m……。一般情況下，采用插銷式模板支架結(jié)構(gòu)體系的高度應(yīng)低于24m。由于該支撐結(jié)構(gòu)是一種定型支架，所以在施工時的便捷性和效率性優(yōu)勢都比較突出。在支架搭建完畢之后，整個結(jié)構(gòu)呈軸心傳力的狀態(tài)，整體穩(wěn)定性和承載能力都比較強(qiáng)。但與碗扣式模板支架結(jié)構(gòu)類似，該體系的橫桿不連續(xù)，所以整個結(jié)構(gòu)的剛度相對較小。目前，在橋梁、隧道等大型工程的大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工中，一般會將插銷式模板結(jié)構(gòu)支架和扣件式模板支架結(jié)構(gòu)組合應(yīng)用，以發(fā)揮其各自的優(yōu)勢[6]。

4.4 圓盤式模板支架結(jié)構(gòu)

該模板結(jié)構(gòu)在當(dāng)前工程施工領(lǐng)域中的應(yīng)用率也比較高，在實際使用中又被稱為輪盤式模板支架、扣盤式模板支架以及雷亞支架等。該支架結(jié)構(gòu)一般使用Q345B鋼管作為主要構(gòu)件材料，鋼管主要參數(shù)為Φ48mm、壁厚3.5mm。在立桿上按照0.6m的間距焊接一個承盤，其直徑為133mm，厚度為10mm，同時在承盤上開設(shè)8個插孔。在水平桿的兩端焊接與帶有插銷的插頭，用于和立桿承盤插孔進(jìn)行連接固定。在圓盤式模板支架結(jié)構(gòu)中，其用到的構(gòu)件相對較少，其中主要的立桿、水平桿、斜拉桿都可以采用標(biāo)準(zhǔn)化工廠生產(chǎn)，運(yùn)輸、搭建、拆卸便捷。同時，由于不存在對擰緊力矩要求較高的扣件，消除了這部分的安全隱患。因此，在現(xiàn)代橋梁、隧道等涉及大體量混凝土構(gòu)件澆筑施工工程中，圓盤式模板支架結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用具有很強(qiáng)的安全性優(yōu)勢。

5 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)代社會發(fā)展迅速，各類工程建設(shè)數(shù)量和規(guī)模都在不斷提升，大體量、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的混凝土澆筑施工對臨時性支架結(jié)構(gòu)體系提出了更高的要求。為此，有必要充分結(jié)合現(xiàn)代工程建設(shè)施工的實際特點，對碗扣式、扣件式、插銷式、圓盤式等多種模板支架結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行深入研究，再結(jié)合工程實際施工的工藝要求，優(yōu)選合適的模板支架結(jié)構(gòu)體系，做好整體的安全性分析，為混凝土工程施工的安全性及穩(wěn)定性提供可靠支持。