高密模板支撑架施工超厚混凝土关键技术问题分析

杨 帆，李林山，夏志强

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都 610081)

1 问题的引入

白鹤滩水电站左岸尾闸室竖井混凝土使用高密模板支撑架作为混凝土浇筑承重排架，实现了采用排架承重的情况下一次性混凝土浇筑厚度达6．9m的创举，远远突破了现行规范——《扣件式钢管脚手架规范》［1］对于使用承重排架进行混凝土浇筑的最大厚度的限制，取得了良好的经济效益。但在实际运用时，模板支撑架仍存在诸多不确定因素:①排架设计因人而异，排架搭设及其使用规范性不够;②没有形成一套完整的、适用于水利水电工程建筑的规范和管理体系;③对混凝土浇筑速度要求较严格;④模板拉筋的布置要求以及拉筋与排架间的受力分配;⑤合理进行施工通道布置;⑥连墙件形式选择不一。尽管该法存在上述不确定因素，但在工期紧张，采用其他浇筑手段施工成本较大的情况下，仍不失为一个很好的方法。笔者结合白鹤滩水电站左岸尾闸室混凝土衬砌浇筑中成功运用的承重排架，把本次施工中的关键要素进行了系统总结，可供类似工程参考。

2 工程实例

2．1 工程概况

白鹤滩水电站左岸尾水隧洞检修尾闸室长250m，最大高度87．025m，共布置4个尾水闸门井，单个闸门井长 23．7m，宽 9．1 ～10．2m，浇筑高度62m，共分为10层浇筑，其中顶拱以下共分3层，分层高度为2～16．6m，为导流洞与尾闸井交叉段，采用模板支撑架进行混凝土浇筑施工。若考虑混凝土在浇筑期间达不到初凝状态，则钢模板上约承受6．9m厚混凝土压力，发生在起拱位置。如此超大厚度的混凝土浇筑施工，对模板支架的承载力要求非常高。普通模板支撑架立杆间距一般为 0．9 ～1．2m，步距一般在 1．2 ～1．8 m，若按普通模板支撑架设计，结构稳定性就不能满足承载力要求。为此，在排架设计时，采取“小跨距、低步距”加密措施，立杆间距为0．6m×0．75m，步距为0．9m，形成“高密”模板支撑架。

2．2 设计参数

针对尾闸井下部现场实际情况，高密模板支撑架的设计参数如下:

(1)架管采用 φ48．3 ×3．6mm 钢管，搭设高度22m(高程574～596m)，详见图1。

(2)立杆步距 h=0．9m。

(3)立杆间距:纵距(沿导流洞洞轴线方向)la取0．6 ～0．9m，承重部位为0．6m，不承重部位为0．9m，两侧延伸至顶拱加载区投影范围4跨，延伸部位的立杆间距为0．75m。横距(垂直于导流洞洞轴线方向)lb取为0．75m。

(4)靠边墙内立杆距离导流洞边墙50cm、扫地杆距离地面20cm设置。

(5)连墙件:连墙件采用调节螺栓与导流洞左右侧边墙抵死，从底层一步一跨布置。

(6)爬梯:爬梯从导流洞上游面设置，爬梯与地面的角度为30°～45°，爬梯一直延伸至顶拱附近。爬梯步距不超过30cm，踏步采用焊接钢踏或并排架管，扶手两侧均设置安全防护网。

(7)抛撑:本高密模板支撑架搭设时考虑到沿导流洞水流方向上下游为临空面，采用抛撑进行支撑，后期则视情况拆除。

图1 尾闸室混凝土承重排架结构设计示意图

(8)剪刀撑:垂直于水流向设置6排横向剪刀撑，间距3～4．35m，宽3．75m。平行于水流向设置5 排纵向剪刀撑，间距3．75 ～4．5m，宽3．75 m。在水平面上，最底层设置一道水平剪刀撑，门洞上部一层设置一道水平剪刀撑，往上每隔5．4 m设置一层剪刀撑，宽3．75m。剪刀撑采用旋转扣件固定在与之相交的水平杆或立杆上，旋转扣件中心线至主节点的距离不宜大于150mm。所有剪刀撑角度均在45°～60°之间。

(9)本承重架位于左岸尾闸室导流洞内(不考虑风压力)。

(10)立杆支撑面:对地面清理后，沿水流方向按立杆间距布置平［10槽钢，立杆放置在槽钢内部。

(11)立杆纵距承重部位为0．6m，非承重部位为0．9m。因为承重部位立杆纵距为0．6m，故计算时纵距 la=0．6m，横距 lb=0．75m。

3 架体设计

3．1 设计原则与架体组成

3．1．1 设计原则

设计高密模板支撑架时，应充分考虑工程进度、质量和安全要求，同时应在安全允许范围内最大程度地降低投资成本。

(1)模板支撑架架体结构设计力求做到安全可靠，造价经济合理。

(2)应满足现场施工条件及施工使用时限要求，在所使用期间内具有足够的耐久性、安全性。

(3)选用材料时，应满足《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130-2011的要求。

(4)结构选型时，应力求做到受力明确，构造措施到位，升降搭拆方便，便于检查验收。

3．1．2 架体组成

本工程使用的高密模板支撑架主要由底支座、立杆、水平杆、水平剪刀撑、垂直剪刀撑(双向)、扣件、脚手板、安全网等部件组成。水平杆在纵横向与立杆采用直角扣件连接。水平剪刀撑与水平杆形成45°到60°的夹角，并通过转角扣件与立杆连接。垂直剪刀撑与立杆形成45°到60°夹角，并通过转角扣件与立杆连接。

相对单、双排脚手架而言，高密模板支撑架在纵横平面尺寸相近，纵距、横距、步距均较小，立杆数量较多。从构造上看，其空间稳定性优于单双排脚手架，但因竖向荷载比脚手架大得多，所以竖向、水平支撑构造也较单、双排脚手架严密。

3．2 主要设计要点

3．2．1 基础设计

高密模板支撑架由于立杆受力极大，底支座如果直接座落在基础面上，立杆底部应力过于集中，容易造成基础塌陷或失稳，因此设计时必须对其引起足够的重视，采取有效的减压措施对立杆底部进行减压。本工程立杆底部均采用［10槽钢作为垫板，增大了立杆与新浇混凝土面的受力面积，有效减小了立杆对基础的压力。

3．2．2 扫地杆与顶层横杆的设计

扫地杆、顶层横杆是加强立杆整体稳定性、增强水平向连接强度的构件。从力学角度上看，扫地杆和顶层最后一根横杆本质上属于同种受力构件，在不考虑排架架体内力的情况下，排架是一个整体受力结构，假设将排架整体翻转180°，原来的扫地杆即为翻转后的顶层横杆，因此，这两者的受力状态和形式是一致的。为了让设计人员、施工管理人员有一个量化认识，体会扫地杆、顶层横杆的重要性，笔者在文中引用了沈勤［2］等人的研究成果(图2)。

图2 扫地杆设置对结构承载力影响示意图

从图2中可以看出，扫地杆的设置对整个架体的稳定承载力起着重要作用，若不设置扫地杆或扫地杆设置过高，将大大削弱支架的承载能力，故高密模板支撑架扫地杆应采用直角扣件固定在距钢管底端不大于20cm处的立杆上。本工程取值亦为20cm。

3．2．3 立杆设计

《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130-2011允许单双排架、满堂脚手架顶层立杆与下一层立杆采取搭接方式，其余立杆均采用对接方式。但对于高密模板支撑架来说，偏心距产生的弯矩极大，不容忽略。因此，任何一根立杆都不宜采取搭接方式。

3．2．4 水平杆设计

水平杆分为纵向水平杆和横向水平杆。对于施工排架，无论是单双排架还是满堂施工架，水平杆既可对接，也可搭接。对于高密模板支撑架，水平杆的连接方式应根据其具体受力情况而定。

当水平向受到轴向力时，应采用对接。垂直于尾闸室边墙的水平杆尽管采用调节螺杆与岩壁抵死，但在边墙浇筑混凝土时，其将产生侧向压力，侧压力经模板传递至调节螺杆再转移到垂直于边墙上的水平杆上，此时该杆应作为轴心受压构件考虑，其受力机理和立杆是一致的，应进行荷载计算。

3．2．5 连墙件

通过调节螺杆与边墙固定牢靠，逐层逐跨布置，当有侧墙混凝土时，调节螺杆一方面作为轴心受压构件，在浇筑时将混凝土侧压力传递到横杆上，浇筑后可作为与墙体连接构件，用以提高架体整体稳定性。

3．2．6 剪刀撑

剪刀撑斜杆的接长应采用搭接，搭接长度不应小于1m，并采用3个旋转扣件固定。端部扣件盖板的边缘至杆端距离不应小于100mm。剪刀撑斜杆应用旋转扣件固定在与之相交的横向水平杆的伸出端或立杆上，旋转扣件中心线至主节点的距离不应大于150mm。

根据规范要求，本模板支撑架立杆纵、横距为(0．6 ×0．6)m ～(0．9 ×0．9)m 时，在架体外侧周边及内部纵横向每隔5跨应由底层至顶层设置连续竖向剪刀撑，剪刀撑与外侧全立面连续设置剪刀撑。

本模板支撑架横向设置6排剪刀撑，间距3～4．35m，宽3．75m。纵向设置5 排剪刀撑，间距3．75 ～4．5m，宽3．75m。水平面上，底层设置一道水平剪刀撑，门洞上部一层设置一道水平剪刀撑，往上每隔5．4m设置一道剪刀撑，宽3．75 m。

4 高密模板支撑架的计算要点

4．1 钢管参数的确定

尽管在新的《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130-2011中取消了φ51×3钢管，将原规范(JGJ130-2001)中φ48×3．5的脚手架用钢管改为φ48．3×3．6，但目前受建筑市场规范度不够，φ48×3．5的标准钢管购置和租赁较为困难，φ48．3×3．6的钢管更不多见，市场上多为壁厚2．8～3mm不等的φ48钢管。在对不同规格的钢管进行比对分析后，算出壁厚2．8mm和3．5mm的φ48钢管截面积、惯性矩、截面模量相差约16% ～20%。根据计算公式，在荷载和步距等相同的情况下，不同钢管的水平杆抗弯强度、立杆稳定承载力相差较大。因此，脚手架承载力的计算必须有针对性，不能简单的按规范要求套用钢管参数，否则极可能导致承载力不足而发生脚手架坍塌事故。

4．2 计算时主要荷载的选择

基本荷载主要包括:

(1)模板及围囹自重，可取值3kN/m2;

(2)新浇混凝土自重，通常可按24～25kN/m3选取;

(3)钢筋重量，通常按1kN/m计算;(4)施工均布荷载，可取值2kN/m2;(5)振捣混凝土产生的荷载，可取值1kN/m2;

(6)新浇混凝土侧压力与混凝土振捣、浇筑速度、凝固速度等因素有关，计算时，一般认为混凝土处于流体状态;

(7)特殊荷载:风荷载，可按照《建筑结构荷载规范》GB20009-2012取值，洞内可不考虑风荷载的影响。

横向模板荷载组合为(1)+(2)+(3)+(4)+(5)+立杆每延米计算自重，竖向模板荷载组合为(5)+(6)。

4．3 支撑架立杆需要验算的部位

按照规范规定的构造所搭设的满堂架，在极限荷载作用下，其可能的破坏形式分为三种:以水平剪刀撑设置层为反弯点沿刚度较弱方向的架体“S”型大波整体失稳，架体较大步距间立杆段的局部弯曲失稳以及顶步距立杆段的局部弯曲失稳［1］。因此，对于立杆的整体、步距较大处的受力单元、立杆顶部及底部悬伸段均需进行受力计算。通常情况下，架体的极限承载力由架体大波整体失稳时的承载力值确定。当架体的步距过大时，其立杆段的稳定承载力可能低于整体失稳时的承载力。当满堂架的顶步距过大或顶步距以上立杆悬伸长度过大，其立杆段的稳定承载力可能低于整体失稳时的承载力。

4．4 高密模板支撑架立杆计算长度

以不组合风荷载为例，立杆稳定性的计算公式为:

式中 φ为轴心受压构件的整体稳定系数，由考虑脚手架整体稳定因素的换算长细比λo查表确定;N为轴向力;A为材料截面积;f为钢管抗压强度;lo为立杆计算长度;i为惯性半径;k为满堂支撑架立杆计算长度附加系数;h为步距;a为立杆伸出顶层水平杆中心线至支撑点的长度，应≯0．5 m，当0．2m＜a＜0．5m 时，按线性插入值确定;u1、u2为考虑满堂支撑架整体稳定因素的单杆计算长度系数。

按照以上步骤，可以验算所计算部位立杆的稳定性，所得lo取较大值。

5 结论与展望

5．1 结 论

(1)为了有效减少偏心距对架体结构的不利影响，模板支撑架立杆必须采用对接扣件连接，与边墙垂直的水平杆由于受到轴心侧压力，亦应采用对接扣件。

(2)高密模板支撑架在进行超高超厚(大于1．5m)混凝土施工时，基础应采用降压措施，如采用垫板或垫槽钢等手段，以缓减基础压力。

(3)模板与立杆顶部应通过调节螺杆传力，以便于对模板体型进行微调，同时可确保立杆不受偏心荷载的影响。

(4)在现场条件允许的情况下，合理增设承重模板拉模筋，通过拉筋与排架联合承载，可大大提高排架的安全系数。

(5)合理的浇筑速度是确保模板支撑架整体稳定的重要因素，在进行排架设计时需考虑该因素并提出控制指标。

5．2 展 望

本工程使用的高密模板支撑架各参数均经过合理的设计及验算，施工过程中也非常重视安全问题，取得了良好的经济效益。但模板支撑架形式不一，不确定因素较多，且本工程使用的地点均在洞内，并没有考虑风荷载带来的不利影响;另外，由于混凝土初凝产生的拱效应也无法准确进行度量，仅把该部分作为安全贮备。目前有关模板支撑架的计算理论尚不完善，在设计时，合理的简化、严格地把握设计、施工程序、施工过程实时监控，是目前确保施工安全的主要手段。随着新型脚手架、模板支架体系和计算机软件的进一步发展，将促使这一领域逐步实现标准化。

［1］ 建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范，JGJ130-2011［S］．

［2］ 沈 勤，胡长明，车佳玲．搭设参数对扣件式钢管模板支架整体稳定性影响的数值分析［J］．工业建筑，2005，40(2):7-11．

［3］ 陈斌，金志高，李继刚．脚手架与模板支架安全计算中若干问题的探讨［J］．四川建筑科学研究，2008，34(5):189-191．

［4］ 混凝土结构工程施工质量验收规范，GB50204-2002)［S］．