大荷载、高支撑设备框架模板支撑体系设计

马步红

陕西化建工程有限公司陕西杨凌712100

大荷载、高支撑类设备框架或各种构造梁结构在石化项目上比较常见，其结构复杂、施工难度大。根据国家有关危险性较大分部分项工程施工的管理规定，对这类结构进行施工时，必须编制安全、可靠的脚手架搭设方案，并对超高、超大荷载等脚手架设计组织专家论证，合格后方可实施。下面以延长石油煤焦油加氢项目热高分框架基础脚手架设计为例，介绍设计脚手架的程序、方法及应用效果。

1 工程概况

延长石油煤焦油加氢项目, 地处陕西神木县锦界开发区安源化工厂内，其中的VCC 加氢裂化装置为项目的核心装置，该装置以提酚后的煤焦油为原料，采用先进的悬浮床加氢裂化工艺技术，生产优质的石脑油、柴油等产品。

VCC 装置内悬浮床（共3 台，227t/ 台）、热高分（共1 台，180t/ 台）设备为该项目核心设备之一，设备安装在框架顶板，其中悬浮床框架(SS- 02)高8m、宽8m、长22m、顶板厚1.3m，扣除安装预留洞后, 顶板支撑架荷载为3.36t/ m2，热高分框架(SS- 14)高28.5m，长13.2m、宽7.2 m、顶层板厚1.2 m，顶板支撑架荷载为3.64 t/ m2。根据搭设高度和模板支撑荷载，属于超过一定规模的危险性较大的分部分项工程，按照规定要求，必须对支撑体系进行设计和论证（见图1）。

2 设计原则

图1 框架效果图

根据图纸尺寸和结构特性，确定各类技术参数，用软件经反复计算，设计出模板支撑体系主要参数，如架体纵、横间距、步距，并验算安全。

3 设计流程

软件安装→建立项目界面→输入相关技术参数→设计参数的调整→验算合格→专家论证→组织实施

4 设计参数

4.1 脚手架参数

横向间距或排距(m):0.50；纵距(m):0.50；步距(m):1.50；立杆上端伸出至模板支撑点长度(m):0.10；脚手架搭设高度(m):28.00；采用的钢管(mm):Φ48×3.0 ；扣件连接方式:双扣件；扣件抗滑承载力系数:0.80；板底支撑连接方式:方木支撑。

4.2 荷载参数

模板与木板自重 (kN/ m2):0.350；混凝土与钢筋自重(kN/ m3):25.000；楼板浇筑厚度(m):1.200；倾倒混凝土荷载标准值(kN/ m2):2.000；施工均布荷载标准值(kN/ m2):1.000。

4.3 木方参数

木方弹性模量E(N/ mm2):9500.000；木方抗弯强度设计值(N/ mm2):13.000；木方抗剪强度设计值(N/ mm2):1.300；木方的间隔距离(mm):300.000；木方的截面宽度(mm):80.00；木方的截面高度(mm):100.00。

5 支撑体系计算

5.1 模板支撑方木的计算

方木的截面惯性矩I 和截面抵抗矩W 分别为:

图2 方木楞计算简图

5.1.1 荷载的计算

钢筋混凝土板自重(kN/ m)：q1=25.000×0.300×1.200=9.000 kN/ m；

模板的自重线荷载(kN/ m):q2=0.350×0.300=0.105 kN/ m；活荷载为施工荷载标准值与振倒混凝土时产生的荷载(kN):p1 = (1.000+2.000)×0.500×0.300 = 0.450 kN。

5.1.2 强度计算

最大弯矩考虑为静荷载与活荷载的计算值最不利分配的弯矩和，计算公式如下:

均布荷载q=1.2×(9.000+0.105) =10.926kN/ m；

集中荷载p=1.4×0.450=0.630kN；

最大弯距M=Pl/ 4 + ql2/ 8=0.630×0.500/ 4+10.926×0.5002/ 8=0.420kN.m；

最大支座力N=P/ 2+ql/ 2=0.630/ 2+10.926×0.500/ 2=3.047kN；

截面应力σ=M/ w=0.420×106/ 133.333×103=3.151N/ mm2；

方木的计算强度为3.151 N/ mm2小于13.0 N/ mm2, 满足要求。

5.1.3 抗剪计算

最大剪力的计算公式如下: Q=ql/ 2+P/ 2

截面抗剪强度必须满足: T=3Q/ 2bh＜ [T]

其中最大剪力:Q=0.500×10.926/ 2+0.630/ 2=3.047 kN；

截面抗剪强度计算值 T=3×3046.500/ (2×80.000×100.000)=0.571N/ mm2；

截面抗剪强度设计值[T] =1.300N/ mm2；

方木的抗剪强度为0.571 小于1.300，满足要求。

5.1.4 挠度计算

最大弯矩考虑为静荷载与活荷载的计算值最不利分配的挠度和，计算公式如下:

均布荷载q=q1+q2=9.000+0.105=9.105 kN/ m；

集中荷载p=0.450kN；

最大变形 V= 5×9.105×500.0004/ (384×9500.000×6666666.67)+450.000×500.0003/ (48×9500.000×6666666.67)=0.135mm；

方木的最大挠度0.135 小于500.000/ 250,满足要求。

5.2 木方支撑钢管计算

支撑钢管按照集中荷载作用下的三跨连续梁计算；

集中荷载P 取纵向板底支撑传递力，P=10.926×0.500+0.630=6.093kN；

图3 支撑钢管计算简图

图4 支撑钢管计算剪力图(kN)

最大弯矩Mmax=0.527kN.m; 最大变形Vmax=0.304 mm；最 大 支 座 力 Qmax=10.804kN； 截 面 应 力 σ=0.527 ×106/ 4490.000=117.282 N/ mm2；

支撑钢管的计算强度小于205.000 N/ mm2,满足要求。

支撑钢管的最大挠度小于500.000/ 150 与10 mm,满足要求。

5.3 扣件抗滑移的计算

按照扣件抗滑承载力系数0.80，该工程实际的旋转双扣件承载力取值为12.80kN 。纵向或横向水平杆传给立杆的竖向作用力设计值R=10.804kN；

R＜12.80kN,所以双扣件抗滑承载力的设计计算满足要求。

5.4 模板支架荷载标准值(轴力)

（1）作用于模板支架的荷载包括静荷载、活荷载和风荷载

静荷载标准值包括以下内容：

脚手架的自重(kN)：NG1=0.129×28.000=3.615 kN；

模板的自重(kN)：NG2=0.350×0.500×0.500=0.088 kN；

钢筋混凝土楼板自重(kN)：NG3=25.000×1.200×0.500×0.500=7.500kN；

经计算得到，静荷载标准值NG=NG1+NG2+NG3=11.202kN。

（2）活荷载为施工荷载标准值与振倒混凝土时产生的荷载

经计算得到，活荷载标准值NQ=(1.000+2.000)×0.500×0.500=0.750kN。

（3）不考虑风荷载时,立杆的轴向压力设计值计算公式

5.5 立杆的稳定性计算

立杆的稳定性计算公式:

立杆计算长度Lo=k1uh=1.155×1.700×1.500=2.945m；

Lo/ i=2945.250/ 15.900=185.000；

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=0.209 ；

钢管立杆受压强度计算值：σ=14492.760/ （0.209×424.000）=163.546 N/ mm2；

立杆稳定性计算σ=163.546 N/ mm2小于[f] =205.000，满足要求。

6 施工控制要点

（1）依据建设部关于印发《危险性较大的分部分项工程安全管理办法》的要求，认真编脚手架搭设专项方案，经总包组织专家论证后组织实施;

（2）脚手架搭设前，严格落实技术交底制度，将论证后的搭设方案向作业班组交待清楚，要求操作工人签字确认并书面下发，以便班组施工中有搭设依据;

（3）在施工过程中，技术和安全管理人员要实施监控，确保设计方案不折不扣的落到实处，对搭设材料也要严格检查、验收，严禁未经验收或验收不合格的材料投入使用，从源头上控制施工质量，确保施工安全;

（4）精心设计混凝土浇筑方案，确保模板支架施工过程中均衡受载，最好采用由中部向两边扩展的分层浇筑方式；

（5）严格控制实际施工荷载不超过设计荷载，对出现的超过最大荷载要有相应的控制措施，钢筋等材料不能在支架上方堆放；

（6）在框架砼浇筑过程中，要派人检查支架和支承情况，发现下沉、松动和变形情况及时解决。

7 结论

延长石油安源化工项目中悬浮床和热高分两大关键设备框架，通过快捷、精确的软件设计和科学、周密的实施，砼浇筑后，脚手架安全平稳，未发现任何变形，按期实现了主体封顶，为下一步设备顺利安装创造了条件。

1 建筑施工手册 2003年9月 第四版

2 建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范 JGJ130- 2011

3 软件使用说明

4 延长石油安源化工煤焦油加氢项目VCC 装置建筑结构施工图纸