关于高大模板支撑系统的安全分析

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摘要：作者分析了高大模板工程是指超高、超跨度或超荷载的模板支撑系统，由于此类工程设计理论尚未完善，施工技术难度大，影响因素多且易发生重大安全事故，从而给施工现场的安全生产带来极大隐患。文章针对高支模事故产生的原因进行了分析并针对性的

提出一些杜绝事故发生的方法。

关键词：高大模板;支撑系统

为满足现代化城市建设的需要，多功能、大跨度、大空间结构设计的建筑越来越多，使得在具体工程项目施工中会经常遇到大截面和大跨度的梁板混凝土结构的高大支模安全施工问题，该部分施工不仅是安全生产的重点也是一个难点。对于高大模板工程建设部在《危险性较大工程安全专项施工方案编制及专家审查办法》(建质[20041213号)中规定将水平混凝土构件模板支撑系统高度超过8 m，或跨度超过18 m，施工总荷载大于10 kN／m2 、线荷载大于15 kN／m的模板支撑系统定义为高大模板工程。

1 几起典型的高支模重大安全事故

工程在屋盖混凝土浇筑中发生了高支模的整体模板坍塌重大事故，造成死亡6人，11人重伤，24人轻伤。浙江省某研究发展中心工程门厅(结构高度28.1m、净跨24 m)模板倒塌事件，造成死13人、伤17人的特大事故。

某项目工地(建筑面积20 5276m。)，施工人员在浇筑混凝土时，模板支撑体系突然坍塌，造成6人死亡、21人受伤、2人下落不明的重大事故。上述事故都是比较典型的高大模板支撑坍塌事故，给国家和各企业造成了不可挽回的损失。

2 高支模倒塌安全事故的原因分析

在高架支模的架体中，主要架体形式为扣件式钢管脚手架，碗口式钢管支架以及门式钢管支架，从已发生的国内坍塌高支模事故来看，主要集中在用扣件式钢管搭设的支架。扣件式钢管支架具有搭设灵活，适应复杂结构支模的优点，但也有搭设随意性大，受作业工人影响大的缺点。同时由于缺少系统试验和研究，因而尚无包括其设计计算方法的专项标准。文献[1]中“模板支架计算”，由于存在着不足之处，特别是针对于高大模板支撑的设计计算的内容比较少，使设计计算容易出现不能完全确保安全的结果。

2．1 模板支撑系统计算数学模型

目前施工现场模板支撑系统设计计算时，其计算数学模型和简图与实际情况有较大不同，在文献[2]中指出在计算简图采用钢结构节点为铰接，理论上认为各杆件交于一点。而现场实际操作用中钢管搭设的模板支撑系统、内外脚手架立杆与横杆、斜杆用扣件连接，一个扣件只能连接两根杆件，因此其所有杆件不能交于一点，这就产生偏心问题，其数学模型也无法考虑这个问题。回转扣件连接其锁扣能力为8 kN，十字扣件只有6 kN，一字扣件只有2．5 kN，与钢管本身强度相差较大，不相匹配[1]。

2．2 钢管节点的处理

在模板支架的设计中，钢管支架的连接可假设成理想铰接或完全刚接的计算模式。理想铰接的假设意味着立杆与水平杆之间不能传递力矩，用铰连接在一起的立杆与水平杆将独立的发生转动。而完全刚接的假设意味着钢管支架发生变形时，立杆与水平杆之间没有相对转角，其夹角保持不变。虽然上述对节点性能所作的理想化假设大大地简化了钢管支架的分析和设计过程，但是所预测的结构反应可能与实际不符，事实上，在荷载作用下，没有一种连接是完全刚

性或理想铰接的。

2．3 诱发荷载的问题

根据文献[3]，规定高大模板支撑系统还必须考虑诱发荷载，即当支撑体系受一水平力作用时，在基础处有另一个大小相等、方向相反的反力与之平衡，这组力组成一力偶；若整个支撑体系不发生转动，在支撑的各立杆中心应存在竖向力与之平衡，该竖向荷载称为诱发荷载。在实际施工操作过程所谓的诱发荷载是指支撑系统在动活载的瞬间作用下引发的如风荷、输送混凝土泵管的水平冲力、混凝土震捣器的振动波对钢管立杆承压能力的削弱乃至扣件抗滑移与抗扭转的能力的降低[4 ]。动活载会使结构自身产生微弱的变形，结构自身微弱的变形也会使结构内部产生的应力比按静力计算方法计算的结果高出很多，但目前在施工结构计算中主要依靠静力计算来核算材料的强度，实际上是一种模糊简化方法。

2．4 模板支架立杆计算长度取值

立杆的计算长度[1]L。为

Lo=h+ 2a (1)

Lo=kuh (2)

其中，k为计算长度附加系数，其值取1．155；h为支架立杆的步距；a为支架立杆伸出顶层横向水平杆中心线至模板支撑点的长度； 为计算长度系数Ⅲ 。

此计算式没有考虑高支架的不利影响因素，当立杆步距相同时，高支架与低支架的承载力计算结果相同，显然是不合理的。

2．5 忽略支模架斜杆作用

在文献[1]中对钢管支撑系统中斜杆(剪刀撑)只提出构造上要求，未列入设计计算要求，因此模板钢管支撑系统设计时，不对斜杆进行力学计算，对于搭设高度较高的高大支模架往往存在抗侧向位移的能力不足，特别是当高大支模架的混凝土柱与楼层梁板一起浇筑时，其支模架抗侧向变形较差。容易产生失稳现象。而在很多模板倒塌事故中，并不是钢管承载能力不足造成的，而是钢管支撑系统失稳或杆件局部失稳造成的。而钢管支撑系统失稳是该系统抗侧向变形能力不足造成的，也就是说该系统的斜杆(剪刀撑)数量不足或布置不合理。

2．6 忽略立杆偏心受压因素

文献[1]规定“当纵向或横向水平杆的轴线对立杆轴线的偏心距不大于55 mm 时，立杆稳定性计算可不考虑此偏心距的影响”。因此，模板支撑系统立杆通常按立杆中心受压杆件进行设计。但实际施工中，模板支撑系统存在众多小偏心荷载，由于扣件的连接而产生的偏心弯矩是不可忽略的，然而模板支撑系统设计中忽视这一因素，这可能是导致立杆失稳而倒塌的原因之一。同时在一些高大模板支撑的工程中，往往需要用数根短柱拼接起来。在拼接的过程中往往由于现场施工操作的问题，也会引起立杆的偏心受压。因此立杆的偏心问题也是高大模板支撑安全的一个关键。

2．7 架体的结构组合问题

由于架体构成的任意性，架体结构特别是高大模板支撑架体的承载能力将受到其几何构成的极大影响，由于没有以结构理论作指导，在文献[1]中只借鉴了国外的近似“几何不可变杆系结构”力学模型的计算方法，由于扣件式钢管的安装质量受人为的因素的影响较大，使按传统习惯搭设的扣件式钢管模板支撑架不易达到“几何不可变杆系结构”的力学要求，同时这方面存在的重大隐患没有被工程师意识到。

3 预防模板支撑系统倒塌事故的措施

3．1 模板支撑系统计算数学模型

(1)对立杆进行稳定性验算时不仅要考虑轴向荷载，还要考虑由于钢管之间用扣件连接，导致所有杆件不能交于一点而产生的偏心荷载。

(2)回转扣件的抗滑能力文献[1]规定回转扣件抗滑设计值为8 kN，这与施工现场的实际情况有很大的出入，由于施工现场大量使用回转扣件，从现场实际使用情况来看，回转扣抗滑能力一般很难达到规范要求。某工地曾对扣件进行检测，其合格率为零。故模板支架设计时，回转扣件抗滑值应比规范中规定的要小。根据现场实际笔者建议取为5 kN。

3．2 钢管节点的处理

由于在实际情况下，钢管节点既不是铰接也不是完全刚接，因此在设计和计算过程中应该根据实际情况考虑，从已有的试验结果和实践经验分析，采用“铰接计算”是比较符合实际的。

3．3 诱发荷载的问题

为了解决在高支模过程中的诱发荷载问题，在目前可以采用文献E63中提到的以较为精确的静力学方法计算诱发荷载引起的瞬时结构应力。诱发荷载包括；安装偏差荷载，按竖向永久荷载的1％计算；安全荷载，按竖向永久荷载的2．5％计算；风荷载，分别作用在模板上和支撑系统上。

3．4 模板支架立杆计算长度取值的改进考虑高支撑架不利因素，采用的立杆计算长度为

LO=k1k2(k+2a)(3)

其中，k1为计算长度附加系数，按表1取值；k2为考虑搭设高度影响的立杆计算长度附加系数。

表1 立杆计算长度附加系数

利用(1)、(2)、(3)式计算比较：对支架立杆计算长度计算，若步距h=1.5 m，立杆横距L =0.8m，计算高度H。取12m，连墙件按三步三跨设置，a取为0.4 m，由文献[1]查得u=1.7m(双排架)则由(1)、(2)、 3)式分别得2．3 m、2．945 m、2．44 m，即立杆的计算长度为(2)> (3)>(1)。因此，为确保高大模板支撑安全建议用(2)、(3)式计算为好。并用其中的一个最大值进行立杆稳定计算。

3．5 消除立杆的偏心和进行剪刀撑设计计算

立杆的接头应采用对接，对于搭接方式由于搭接时存在偏心，对接立杆的承载力比搭接立杆的承载力高得多。荷重较大的高大模板支架采用双立杆和双横杆的搭设方案，水平横杆传给立杆的偏心荷载由于双立杆连接成整体后得到平衡，该组合立杆可用中心受压构件进行计算。

剪刀撑的设置不仅提高立杆的极限承载能力，并且是支架整体稳定性的重要保证。特别是支撑高度大于4.5 m 的高大支撑架，合理设置剪刀撑能有效防止泵送混凝土对模板支撑的冲击所造成的架体整体失稳，根据相关试验表明，合理设置剪刀撑的支撑体系其极限承载能力可提高17％ ，因此，满堂的模板支承架应沿架体四周外立面满设竖向剪刀撑，竖向剪刀撑均由底至顶连续设置。支撑架较高时，为提高架体的整体刚度，在架体顶部、底部设扫地杆处、以及中部每隔4～6 m处必须设置满堂水平剪刀撑，剪刀撑必须与立杆相连接。由于文献[13中对支架剪刀撑设计计算未提出具体要求，但由于剪刀撑在支架支撑稳定中的重要作用，笔者建议对剪刀撑受力进行估算，同时需满足构造要求。对于高大模板支撑系统的水平剪刀撑加强层和垂直剪刀撑可参照文献[3]设置。

3．6 架体的结构组合问题

脚手架(包括模板支撑架，以下统称脚手架)的承载能力首先依靠于其结构计算简图，可以说，现在的任何建筑结构计算都不能免除这一环节。在绘制计算简图时，对杆件体系的连接点视为“铰接”还是“刚接”。在计算简图基础上，首先要解决其“几何构成”问题。其中最重要的是必须保持其静定或超静定，凡不能保持静定的，则架体不能承载。这些结构力学的基本原理可以说是指导脚手架技术的重中之重。在这些问题解决之后，才能进行杆件强度计算。而在杆件强度计算中，立杆作为受压杆件，其计算长度又成为问题的关键。由于脚手架杆件的截面是固定的，因而其长细比(Lo／i)就决定于Lo。此外长细比应当说有一个限值，也就是在钢结构规范中，稳定系数表中所列出的最大值250。凡长细比 大于250应当认为是超过限值而不能使用。

4 结束语

我国的高大模板支撑体系的结构构成和结构计算缺乏完善的理论指导，为高大模板支撑体系设计计算带来了不少不确定的因素，造成了一些安全隐患。因此，需要再做更细的理论探讨和实验研究。另外，目前很多建筑工程缺少可靠的支撑系统安全技术措施，是造成高大模板支架整体倒塌事故频发的重要原因。因此，在现阶段，施工单位必须对高大模板支撑系统进行精确的设计计算和构造处理，必须要有专项施工方案，施工时必须严格按照施工方案施工，高大模板支撑体系必须严格执行国家有关规定“采取周密可靠的安全技术措施”加强现场管理。科学的管理和先进的技术是做好高大模板支撑体系的有效保证，“要通过认真设计计算和严格施工操作才能确实控制好高大模板支撑体系的强度、刚度和稳定性”，杜绝高大模板支撑体系坍塌事故的发生。