扣件式鋼管模板高支撐架的設計和安全使用方法

王志揚

（中國南水北調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施，在工程中起到了固定模板與臨時支撐作用，對穩定性與牢固性要求較高。李燕[1]進行了其地區可調式支撐體系施工技術的研究與應用分析，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]通過研究復雜環形結構支撐架的使用特點，實現對高支撐架施工技術的設計。萬霆[3]進行了其地區扣件式鋼管模板高支撐架的使用安全研究，通過建立支撐架結構模型，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場檢查驗收要點。

當前傳統的高支撐架在工程實際應用中，無法有效地避免扣件式鋼管模板高支撐架出現偏心受壓問題，降低了其立桿穩定性，不能保證模板高支撐架使用的穩固性與安全性。基于此，本文引入高支撐架結構分析模型，提出了一種全新的扣件式鋼管模板高支撐架設計方法，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構分析模型

本文在設計扣件式鋼管模板高支撐架前，首先，建立其結構分析模型，對其外部結構與受力特點作出全方位的分析，為后續的設計提供基礎保障。

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構進行分析，明確荷載傳遞的方向與傳遞作用，提取高支撐架實際應用過程中表現出的幾何非線性特征。在此基礎上，建立高支撐架結構分析模型，以可視化的形式，展示模板高支撐架的結構示意圖，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，對其他桿件結構進行設計。根據高支撐架結構示意圖，明確各個旋轉扣件之間連接的嵌固能力與變形協調能力，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應用中出現偏心受壓的情況。

圖1 扣件式鋼管模板高支撐架結構示意圖

2 設計扣件式鋼管模板高支撐架

扣件式鋼管模板高支撐架結構分析模型建立完畢后，對扣件式鋼管模板高支撐架進行設計。在設計過程中，根據模板工程施工及驗收規范，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，結合高支撐架安全要求的相關規定，對其計算長度的取值范圍進行設定[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點多數采用直角扣件進行連接，不具備旋轉特征[5]。因此，在高支撐架空間框架結構形式設計過程中，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，對節點進行半剛性處理，避免對支撐架節點的性能產生不利影響[6]。扣件式鋼管模板高支撐架節點半剛性處理結束后，接下來，確定高支撐架施工的體系軸線，分別搭設立桿、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，本文認為，應當采取先上后下的逆向作業方式，先完成高支撐架上橋面板的模板支撐體系施工，保證立桿的頂部標高不超過板底標高[7]。其次，進行高支撐架下橋面板的模板支撐體系施工，結束后，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，保證連接結構滿足承載力的相關要求。在扣件式鋼管模板高支撐架設計過程中，需要特別注意各個扣件選取的質量，嚴格控制搭接尺寸要求，搭接高支撐架體，保證施工作業的安全。在高支撐架設計完畢后，及時清理工程施工現場，并保管好相關的設計材料。

3 計算扣件式鋼管模板高支撐架立桿穩定性

在扣件式鋼管模板高支撐架設計結束后，接下來，對其立桿的穩定性進行計算，保證其穩定性符合相關的標準要求。

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

其中，f表示高支撐架的抗壓強度設計值；N表示高支撐架立桿軸向力設計值；d表示高支撐架立桿軸心受到壓力時對應的穩定系數；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生的彎矩；Hac表示等效水平力荷載在高支撐架立桿頂端產生的彎矩；Hw表示高支撐架立桿段受到風荷載作用產生的彎矩；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定性計算結果，判定高支撐架的設計是否符合工程建設的標準規范[8]。在此基礎上，對扣件式鋼管模板高支撐架結構的抗力設計值進行計算，公式為：

其中，R表示高支撐架結構的抗力設計值；ψ表示高支撐架受壓桿件的穩定系數；λ表示高支撐架受壓桿件抗力附加分項系數。通過計算得出高支撐架結構的抗力設計值，作為穩定性系數，保證了高支撐架的剛度。結合扣件架設計規范，對扣件式鋼管模板高支撐架的穩定性與抗力性作出判定。根據模板工程的實際建設需求，適當調整扣件式鋼管模板高支撐架的結構參數，進而保證其能夠在模板工程施工中發揮最佳效能。

4 使用安全研究

在高支撐架立桿穩定性與抗力性符合相關規范要求后，在此基礎上，對其使用安全作出研究，保證工程建設的質量與安全。首先，在實際模板工程施工中，根據模板工程支撐體系設計荷載的相關需求，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計剛度作出合理模擬分析，根據模擬分析結果，設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，受壓時軸向力產生的動態變化較小時，則相鄰立桿之間采用等步距設置；若受壓時軸向力產生的動態變化較大時，則相鄰立桿之間采用變步距設置。在高支撐架整體構造層設置方面，根據其架構的剛度特征，設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，其構造示意圖，如圖2、3 所示。

圖2 單水平加強層構造示意圖

圖3 雙水平加強層構造示意圖

如圖2、3 所示，通過設置水平加強層，形成模板工程上下連接的構造桁架，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

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

選取M 高架橋工程項目為本次試驗的研究目標，該工程整體采用邊跨混凝土結構。高架橋每個標準節段由2 根縱梁與橫梁加面板結構共同組成，在施工中，各個施工階段均搭設了扣件式鋼管模板高支撐系統。其中，在扣件式鋼管模板高支撐系統中，最大搭設高度為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信息數據，在掌握以上信息后，按照上述本文提出的設計內容，對工程使用的扣件式鋼管模板高支撐架進行設計。

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定性作為本次試驗的評價指標，通過式（2）（3）對高支撐架設計完畢后立桿的穩定性進行驗算，保證其穩定性符合相關的標準規范。為了使試驗結果更加直觀清晰，且具有說服力，采用對比分析的方法原理，設置本文提出的扣件式鋼管模板高支撐架設計方法為試驗組，設置傳統的高支撐架設計方法為對照組，進行對比試驗。隨機設定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定性變化。試驗結果如表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果可以得知，通過本文提出的設計方法設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，本文提出的設計方法具有較高的可行性，高支撐架的穩定性較高，能夠有效地避免高支撐架立桿出現局部失穩的情況，使用安全具有一定的保障。

6 結論

通過上述本文提出的論述內容，能夠得出以下幾個方面的結論：

（1）根據式（2）、式（3）可以對不組合風荷載與組合風荷載兩種情況下，扣件式鋼管模板高支撐架的穩定性作出驗算，進而判斷高支撐架設計是否符合標準規范。

（2）通過表2 的最大位移對比結果能夠得知，利用本文提出的設計方法設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，穩定性較高，使用安全具有保障。