高大模板支架施工技术及受力简析

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李小平出生年月：1985.01.19性别：男工作单位：中铁25局集团第四工程有限公司职务：技术员李小平

摘要：文章结合新建田东-德保铁路德保站站房综合楼候车大厅超高模板支架具体施工案例，从支架基底处理、扣件式钢管脚手架的搭设、大梁模板的加固措施、剪刀撑的设置、支架体与框架柱设置外连装置等来介绍整个方案，并通过了承载力的检算。由于支架体内在施工过程中产生水平力无法量化考虑，目前比较有效的办法就是通过构造安全技术措施将架体产生的水平力转移至建筑物主体结构，从多个层面确保模板支架的安全。

关键词：高大模板；扣件式钢管脚手架；承载力检算；水平力；构造安全技术措施

中图分类号：TU714 文献标识码：A文章编号：

1、工程简介

新建铁路田德线德保站站房综合楼站房总建筑面积3000.01m2,框架结构，钻孔桩基础。站房6-11轴为一层候车大厅，层高为11.4米。候车大厅室内净长宽尺寸为45m×19.25m, 屋面框架梁WKL350×1400间距为3.75米，梁跨度为19.25米。

2、模板支架方案

2.1支架搭设布置

本工程模板支架采用φ48（壁厚3.5mm）扣件式钢管脚手架，候车大厅大梁底部立杆纵距（梁跨方向）为0.6米，横距为0.4米，屋面板底立杆纵距为0.6米，横距为1米（根据现场适当调整，但不超过1米），支架底部按要求设置水平钢管做为扫地杆，扫地杆距底部距离小于等于200mm，顶部设置封顶水平杆，尽量靠近立杆顶部。水平钢管的步距为1.4米。立杆底座需设置宽度不小于200mm木板作为垫板，立杆必须采用对接扣搭接，木方下部承载力的水平钢管通过可调顶托将力传递给立杆，可调顶托伸出长度支撑梁的不超过200mm，支撑板的不超过300mm。

WKL350×1400的侧模次楞、主楞搭设，次楞与梁高方向平行，间距为200mm，主楞与梁高方向垂直，间距为200mm。梁两侧主楞用M12螺栓拉结，M12螺栓水平间距为600mm。搭设方案图如下：（尺寸单位为mm）

2.2支架基础处理

基层换填压实完后，在上部浇注C15混凝土100厚。

3、相关材料的参数信息

（1）钢管φ48×3.5： W=5.08cm3,I=12.19cm4,E=206000N/mm2,抗弯强度M=205 N/mm2

(2)方木50×80 mm：W=bh2/6=5×8×8/6=53.33 cm3,I= bh3/12=5×8×8×8/12=213 cm4,E=9000N/mm2,木材抗弯强度M=11N/mm2,抗剪强度Q=1.4N/mm2

(3)20mm厚面板：E=9500 N/mm2，抗弯强度值M=13 N/mm2

4、荷载取值

(1)C30钢筋混凝土：γ 混=24KN/m3, γ 钢=1.5 KN/m3

（2）模板自重：0.3KN/m2

（3）施工均布荷载值：取3KN/m2

(4)振捣混凝土产生的荷载：对梁底模板取2KN/m2,梁侧模板取4KN/m2

(5)M12螺栓：抗拉强度设计值f=170N/mm2,查表得穿梁螺栓有效面积: A = 76mm2

5、模板支架承载力检算：

5.1、候车大厅WKL350×1400侧模、次楞、主楞承载力检算

5.1.1、大梁侧模强度计算

侧模以次楞为支撑，次楞间距200mm，计算简图如下：

面板计算简图

（1）新浇混凝土产生的侧压力：F1=0.22γtβ1β2V1/2 =0.22×24×2×1.2×1.15×1.51/2=17.84KN/

（2）振捣混凝土产生的荷载：F2=4KN/

（3）q1=1.2×1.3×17.84KN/m=27.83 KN/m,q2=1.4×1.3×4KN/m=7.28 KN/m

按最不利荷载组合计算：面板的最大弯矩Mmax=0.1q1l2+0.117q2l2= 0.1×27.83×2002 + 0.117 ×7.28×2002=1.45×105N•mm,梁侧模板最大支座力N=1.1q1l+1.2q2l=1.1×27.83×0.2+1.2×7.28×0.2=7.86kN

（4）面板截面抵抗矩W=130×2×2/6=86.63

5.1.1.1、面板抗弯强度验算

面板受弯应力σ = 1.45×105 /（8.66×104）=1.67N/mm2 ＜13N/mm2，强度满足要求。

5.1.1.2、挠度验算:

按最不利工况f=0.677ql4/(100EI)= 0.677×27.83×2004/(100×9500×8.67×105)=0.037mm≤200/250=0.8mm，挠度满足要求。

5.1.2、次楞强度计算

次楞以主楞为支撑，主楞间距为200mm，q=7.86/1.30=6.05KN/m，按三跨连续梁计算,计算简图如下：

次楞计算简图

5.1.2.1、抗弯强度验算：Mmax=0.1ql2=0.1×6.05×0.2×0.2= 0.024KN.m, σ= M/W=0.024×106/（5.33×104）=0.45 N/mm2＜11N/mm2，抗弯强度满足要求。

5.1.2.2、抗剪强度验算：Qmax=0.6ql=0.6×6.05×0.2=0.726KN

τmax =3Qmax/(2bh0)=3×0.726×1000/(2×50×80)=0.27N/mm2＜1.4N/mm2,方木的抗剪强度满足要求。

5.1.2.3、挠度验算

f=0.677ql4/(100EI)=0.677×6.05×2004/(100×9000×8.67×105)=0.008mm≤200/250=0.8mm，挠度满足要求。

5.1.3、主楞强度计算

主楞承受次楞传递的集中力，采用M12螺栓对拉，水平间距600mm，螺栓的拉结点距主次楞交接点处100mm，次楞的最大支座力1.34kN,按照集中荷载作用下的三跨连续梁计算。计算简图如下：

主楞计算简图

经过计算得到最大弯矩 M = 0.26kN•m，最大剪力Q=2.44KN,大支座反力 N= 4.45 kN，最大挠度 f = 0.32 mm

5.1.3.1、主楞抗弯强度

σ = M/W=0.26×106/（5.33×104）=4.88N/mm2

5.1.3.2、主楞抗剪强度

τmax =3Qmax/(2bh0)=3×2.44×1000/(2×50×80)=0.92 N/mm2

5.1.3.3、主楞的最大挠度值:fmax=0.32 mm＜600/250=2.4mm,挠度满足要求。

5.1.4、穿梁螺栓承载力的计算

采用M12螺栓对拉，Nmax=4.45KN

螺栓所受的最大应力小于螺栓的最大容许应力，螺栓强度能满足使用要求。

5.2、梁底模板、方木、钢管承载力、立杆稳定性的检算

5.2.1、梁底模板强度的检算

（1）新浇混凝土`及钢筋荷载设计值：q1: 1.2×（24.00+1.50）×0.35×1.30=13.923kN/m；

（2）模板结构自重荷载设计值：q2:1.2×0.30×0.35=0.126kN/m；

（3）施工荷载与振捣混凝土时产生的荷载设计值：q3: 1.4×(2.00+3.00)×0.35=2.450kN/m；

5.2.1.1、抗弯强度验算

Mmax=0.1(q1+q2)l2+0.117q3l2=0.1×(13.923+0.126)×2002+0.117×2.45×2002=6.77×104N•mm，

σ =Mmax/W=6.77×104/2.33×104=2.9N/mm2 ＜13N/mm2，抗弯强度满足要求。

5.2.1.2、挠度计算：f= 0.677ql4/(100EI)=0.677×14.049×2004/(100×9500×2.33×105)=0.069mm＜200.00/250 = 0.800mm，挠度满足要求。

5.2.2、方木强度计算

梁底方木承受着两侧模板传递来的集中荷载和由模板传递来的均布荷载，计算简图如下:

梁底方木计算简图

(1)钢筋混凝土梁和模板自重设计值(kN/m)：

q1 = 1.2×[(24+1.5)×1.4×0.2+0.3×0.2×(2×1.3+0.35)/ 0.35]=9.175 kN/m；

(2)施工荷载与振捣混凝土时产生的荷载设计值(kN/m)：

q2 = 1.4×(3+2)×0.2=1.4 kN/m；

(3)梁两侧楼板荷载以集中荷载的形式传递，其设计值： p=0.20×[1.2×0.10×(24+1.5)+1.2×0.3+1.4×(3.00+2.00)]×(0.4-0.35/2)/2=0.23kN

荷载设计值 q = 9.175+1.400 = 10.575 kN/m

按两跨连续梁来计算求解得到：

中间支座反力最大：N=3.735KN，边缘支座反力：N=0.215KN；最大弯矩M=0.12 kN.m

最大剪力Q=1.87kN；最大挠度f=0.03。

5.2.2.1、方木强度计算

方木最大正应力计算值 ：σ =M/W=0.12×106 /5.33×104=2.25N/mm2 ＜[f]=11.000 N/mm2，抗弯强度满足要求。

5.2.2.2、方木抗剪计算

方木最大剪应力计算值 ：τ =3Q/(2bh0)=3×1.49×1000/(2×50×80)=0.701N/mm2＜1.4N/mm2，抗剪强度满足要求。

5.2.2.3、方木挠度计算

f=0.03＜0.400×1000/250=1.6

5.2.3、钢管水平承载力的计算

梁跨度方向水平钢管承受着方木传递来的集中荷载，计算简图如下：

水平钢管计算简图

经计算求解得到：最大支座反力N=12.201KN；最大弯矩W=0.6KN.m；最大挠度f=0.7mm

5.2.3.1、钢管抗弯强度计算

最大应力 σ =M/W= 0.6×106 /(5.08×103 )=118.11N/mm2＜[f]=205 N/mm2，抗弯强度满足要求。

5.2.3.2、钢管挠度计算

最大挠度f=0.700mm＜[f]=600/150=4mm.

5.2.4、梁底立杆的稳定性计算

（1）纵向钢管的最大支座反力： N1=12.201KN

（2）脚手架钢管的自重： N2= 1.2×0.154×10=1.85KN；

（3）N=N1+N2=12.201+1.85=14.051 KN

（4）立杆计算长度lo =h+2a=1.4+2×0.1=1.6m

（5）稳定性验算：lo/i = 1600 / 15.8 = 101 ，由长细比 lo/i的结果查表得到轴心受压立杆的稳定系数φ= 0.58 ，钢管立杆稳定性计算值 ：σ= N/(φA)=14.051×103/(0.58×489) = 49.54N/mm2＜[f]=205 N/mm2，立杆的稳定性满足要求。按同样的方法，梁两侧立杆稳定性也满足要求。

6、立杆基础承载力验算：

基础做好基层后，浇注100厚C15混凝土。

立杆基础底面的平均压力：p = Nmax/A =14.051/0.04=351 kPa=0.351MPa ＜10.05Mpa(C15砼轴心抗压强度值)

7、模板支架构造安全技术保证措施

近年来，从多次的模板支架倒塌事故中发现，立杆稳定性经过计算满足要求，依然发生支架倒塌，其原因就在于水平力的作用下支架节点破坏，导致变形解体，从而发生破坏，由于当前的理论模型无法对水平力进行精确的量化计算，目前比较有效的办法就是通过构造安全技术措施将产生的水平力转移至建筑物主体结构。

7.1、设置外连装置

采用抱柱的形式将水平钢管与建筑物框架柱连接在一起，结合规范，根据本工程框架柱截面尺寸的特点(有一部分柱截面b小于800，部分尺寸b=800),做法如下图：

抱柱箍设置方法：按步距1.4米沿框架柱高每二步设一道抱柱装置，设水平剪刀撑的那一层水平杆必须设置抱柱装置，通过抱柱箍将支架体内部产生的水平力转移至框架柱。

7.2、按广西《建筑施工模板及作业平台钢管支架构造安全技术规范》要求设置纵横向竖直、水平剪刀撑

结束语：按梁底模板的验算方法，检算出屋面板支架按纵距0.6米，横距按1米能够满足要求。实践证明，方案在实施过程中，支架稳定，各构件产生的弯曲变形在规范允许范围内，足以满足安全要求，拆模后大梁及板底混凝土外观质量良好，获得了监理及建设单位的好评。现行建筑中，涉及到支撑超高8米，结构跨度超过18米的高大模板体系建筑越来越多，对高大模板支架方案的验算，除了需计算构件承载力、稳定性外，加强构造措施是非常重要的。由于在施工过程中，像倾倒混凝土、吊装钢筋等都能产生水平力，目前模板支架理论计算模型无法对水平力进行量化考虑，规范也还没有明确规定要计算水平力，比较有效的办法就是通过构造安全技术措施将施工过程中产生的水平力通过水平杆将力转移给建筑物主体结构，以确保支架安全。

参考文献：

[1]《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（2002年版）JGJ130-2001

[2]《建筑施工模板安全技术规范》JGJ162-2008

[3]《建筑施工模板及作业平台钢管支架构造安全技术规范》 (DB45/T618-2009)

[4] 《建筑结构静力计算手册》第二版 中国建筑工业出版社，2001

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