扣件式钢管模板高支撑架的设计和使用安全

蔡从东

（永泰县建筑文明安全监察站）

扣件式钢管模板高支撑架的设计和使用安全

蔡从东

（永泰县建筑文明安全监察站）

扣件式钢管脚手架广泛应用于高支撑模板，而在施工中发生安全事故频率较高的问题，结合工程实例提出了高支撑模板体系的搭设施工方案、设计稳定性验算的方法及安全施工管理的技术措施，将支撑系统设计与现场施工实际有效结合，具有一定的参考价值。

模板支撑；设计；安全施工

1　工程概况

恒熙·领江郡小区入口屋面板宽度10.679m，进深25.6m，横向主梁断面350×1200，纵向次梁断面250×700，板厚150mm。

2　搭设施工方案

本工程模板高支撑满堂架采用φ48×3.5钢管，可锻造铸铁扣件搭设，屋面板模板满堂支撑架立柱纵横向间距为1200mm，板支撑架立柱离梁侧500mm，梁底设三根支撑钢管立柱间距275mm。立杆步距，扫地杆距地面0.2m，第1～10步1.5m，第11步0.9m，第12步1.1m，立杆伸出顶层水平杆0.208m；离地面0.2m处设纵横向扫地杆，水平剪刀撑上中下设三道，第一道设在扫在杆处，第二道设在第5步，第三道设在第11步（梁底处）。满堂支撑架四周、通道中间两根次梁外侧边、1-2-3-5轴两轴中间沿竖向设置连续式剪刀撑，剪刀撑杆件的底端应与地面顶紧；水平拉杆端部与2#4#已施工的建筑物柱梁顶紧；立杆支撑在一层地面上，钢管立柱基础回填土分层夯实，面层浇筑100厚C15混凝土整浇层。立杆底部设置不少于2跨，宽度不小于150mm，厚度不小于50mm的木垫板或12～16号槽钢；为防雨水浸泡地基，在通道前后两头支撑体系最外侧立杆外1m处设置浅水沟。

3　楼板模板支撑系统的设计验算

计算依据《建筑施工模板安全技术规范》（JGJ162-2008）和《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ130-2011），本计算书由恒智天成安全计算软件生成。

验算小区入口通道屋面板：板厚150mm，板下支撑立杆纵横向间距为1200mm，立杆步距，扫地杆距地面0.2m，第1～10步1.5m，第11步0.9m，第12步1.1m，立杆伸出顶层水平杆0.208m；由于市场各种原因钢管按φ48×3.0计算。

3.1立杆的轴向力设计值N

（1）上部结构传递到立杆的轴向力设计值N1

模板支架自重标准值0.3×1.2×1.2=0.432kN；新浇筑混凝土自重标准值G2k=24×1.2×1.2×0.15=5.184kN，钢筋自重标准值G3k=1.1× 1.2×1.2×0.15=0.2178kN，施工人员及设备荷载标准值Q1k=1×1.2×1.2= 1.44kN，永久荷载标准值Gk=0.432+5.184+0.2178=5.8338kN；施工人员及设备荷载标准值Q1k=1×1.2×1.2=1.440kN/m；上部结构传递到立杆的轴向力设计值N1=max（Na，Nb）=8.528kN；由可变荷载效应控制的组合：Na=0.9×（1.2×5.8338+1.4×1.440）=8.266kN；由永久荷载效应控制的组合：Nb=0.9×（1.35×5.8338+1.4×0.7×1.440）= 8.528kN；

（2）脚手架钢管的自重：N2=1.2×0.181×（16.7-0.15）=3.603kN；

（3）立杆的轴向力设计值N：计算顶部立杆时：N=N1=8.528kN；计算底部立杆时：N=N1+N2=8.528+3.603=12.131kN。

3.2验算立杆长细比λ，确定稳定系数φ

依据JGJ130-2011规范第5.4.6条：顶部立杆段：λ=kμ1（h+ 2a）/i，非顶部立杆段：λ=kμ2h/i，其中：λ-立杆长细比；k-立杆计算长度附加系数，验算长细比时，取k=1；i-立杆的截面回转半径，i= 1.590×10-2m。

（1）顶部立杆段计算λ验算长细比时取k=1计算λ：λ=1×1.758× （1.1+2×208×10-3）/（1.590×10-2）=167.618；计算稳定系数φ时，查《JGJ130-2011规范》表5.4.6，k=1.217，λ=1.217×167.618=203.991，查《JGJ130-2011规范》A.0.6表得到φ=0.174；

（2）底部立杆段计算λ验算长细比时取k=1计算λ：λ=1×1.893×1.5/（1.590×10-2）=178.585；计算稳定系数φ时，查《JGJ130-2011规范》表5.4.6，k=1.217，λ=1.217×178.585=217.338，查《JGJ130-2011规范》A.0.6表得到φ=0.154；

（3）验算立杆长细比钢管立杆长细比λ=178.585小于钢管立杆允许长细比210.000，满足要求。

3.3风荷载设计值产生的立杆段弯矩Mw

（1）计算风荷载标准值Wk=μz·μs·ω0其中μz-风荷载高度变化系数，按照荷载规范的规定采用：脚手架顶部μz=0.674，脚手架底部μz=0.650；μs-风荷载体型系数：μs=1.3φ=1.3×0.105=0.137；φ为挡风系数。ω0-基本风压（kN/m2），按照荷载规范规定采用：ω0= 0.7kN/m2；经计算得到，风荷载标准值为：脚手架顶部Wk=0.674× 0.137×0.7=0.064kN/m2；脚手架底部Wk=0.650×0.137×0.7= 0.062kN/m2。

（2）计算立杆段由风荷载设计值产生的弯矩：Mw=0.9×1.4WkLh2/ 10，脚手架顶部Mw=0.9×1.4×0.064×1.2×1.52/10=0.022kN·m；脚手架底部Mw=0.9×1.4×0.062×1.2×1.52/10=0.021kN·m。

3.4立杆的稳定性计算

立杆的稳定性计算公式：σ=N/（φA）+Mw/W≤[f]，其中：σ-钢管立杆应力计算值（N/mm2）；A-立杆净截面面积：A=4.24× 102mm2；Mw-风荷载设计值产生的弯矩；W-立杆截面模量：W= 4.49×103mm3；[f]-钢管立杆抗压强度设计值：[f]=205N/mm2；顶部立杆应力计算值：σ1=8.528×103/（0.174×4.24×102）+0.022×106/ （4.49×103）=120.472N/mm2；底部立杆应力计算值：σ=12.131×103/ （0.154×4.24×102）+0.021×106/（4.49×103）=190.902N/mm2；钢管立杆稳定性计算σ=190.902N/mm2小于钢管立杆抗压强度的设计值[f]=205N/mm2，满足要求。

4　梁模板支撑系统的设计验算

选取350×1200进行验算，楼层高度17.6m，板支撑架立柱离梁侧500mm，梁底设三根支撑钢管立柱间距275mm。立杆步距，扫地杆距地面0.2m，第1～10步1.5m，第11步0.9m，立杆伸出顶层水平杆0.208m；

梁底模板面板计算：

4.1梁底模板面板荷载计算及组合

模板自重标准值G1k=0.25×1=0.250kN/m；新浇筑混凝土自重标准值G2k=24×1×1.2=28.800kN/m；钢筋自重标准值G3k=1.5×1× 1.2=1.800kN/m；永久荷载标准值Gk=G1k+G2k+G3k=30.850kN/m；振捣混凝土时产生的荷载标准值Q2k=2×1=2.000kN/m。

（1）计算弯矩采用基本组合：q=max（q1，q2）=39.247kN/m；由可变荷载效应控制的组合：q1=0.9×（1.2×30.850+1.4×2.000）= 35.838kN/m；由永久荷载效应控制的组合：q2=0.9×（1.35×30.850+ 1.4×0.7×2.000）=39.247kN/m。

（2）基本组合荷载作用下的内力计算

图1　弯矩和剪力计算简图

经过计算得到从左到右各支座力分别为：N1=2.576kN，N2= 8.585kN，N3=2.576kN。

4.2梁底支撑梁的计算

（1）第一层支撑梁的计算

支撑梁直接承受模板传递的荷载，按照均布荷载作用下的三跨连续梁计算。

支撑梁均布荷载计算：计算弯矩和剪力采用（考虑支撑梁自重）：q=8.585+0.081=8.666kN/m，最大支座力N=1.1ql=1.1×8.666× 1.2=11.439kN。

（2）第二层支撑梁的计算

①荷载计算及组合：第二层支撑梁承受第一层支撑梁传递的集中力按照第一层支撑梁的计算方法计算。计算弯矩和剪力时从左至右各集中力依次为：N1=3.507kN，N2=11.439kN，N3=3.507kN；

②梁侧模板传递的自重荷载：计算弯矩和剪力时N=1.35×0.5× 1.05×1.2=0.851kN；

③第二层支撑梁自重均布荷载：计算弯矩和剪力时取0.081kN/m；

④考虑梁侧部分楼板混凝土荷载以集中力方式向下传递：永久荷载标准值Gkb=（25×0.15+0.3）×1.2×0.5/2=1.215kN；活荷载标准值Qkb=1.0×1.2×0.5/2=0.300kN；计算弯矩和剪力时取F=max （F1，F2）=1.741kN；由可变荷载效应控制F1=0.9×（1.2×1.215+1.4× 0.300）=1.690kN；由永久荷载效应控制F2=0.9×（1.35×1.215+1.4× 0.7×0.300）=1.741kN。

4.3第二层支撑梁受图（如图2）

图2　弯矩和剪力计算简图

经过计算得到从左到右各支座力分别为：N1=3.834kN，N2= 16.011kN，N3=3.834kN，最大支座反力：F=16.011kN。

5　稳定性计算

5.1基础数据计算

（1）风荷载标准值。计算风荷载标准值Wk=μz·μs·ω0其中ω0-基本风压（kN/m2），按照荷载规范规定采用：ω0=0.7kN/m2；μs-风荷载体型系数：μs=0.137；μz-风荷载高度变化系数，按照荷载规范的规定采用：μz=0.650；经计算得到，风荷载标准值为：Wk=0.650× 0.137×0.7=0.062kN/m2。

（2）验算立杆长细比λ，确定稳定系数φ。立杆计算长度按下式计算：l0=βHβaμh式中：μ-立杆计算长度系数，查表取值，得μ= 1.534，βa-扫地杆高度与悬臂长度修正系数，查表取值，得βa= 1.032；βH-高度修正系数，查表取值，得βH=1.144；h-立杆步距（mm）。带入数值得，l0=1.144×1.032×1.534×1.5=2.715m，立杆长细比：λ=l0/i=2.715/1.59×10-2=170.78，λ=170.78，查稳定系数表得，φ= 0.243，梁底立杆步距进行加密，得加密区立杆的稳定系数：φ′= 1.2φ=1.2×0.243=0.292；立杆长细比验算：实际长细比λ=170.78小于立杆允许长细比180，满足要求。

（3）计算弯矩设计值。立杆的弯矩设计值M，M=γQMLK=1.4× 0.062×1.2×1.52/10=0.024kN·m。

5.2立杆的轴向力设计值N

脚手架钢管的自重：N1=1.2×0.142×15.282=2.602kN；纵向钢管的最大支座反力：N2=16.011kN；不组合风荷载时，立杆的轴向力设计值N=N1+N2=2.602+16.011=18.613kN；组合风荷载时，立杆的轴向力设计值N=N1+N2=2.602+16.011=18.613kN。

5.3单元框架稳定性验算

不组合风荷载时：σ=N/（φA）=18.613×103/（0.243×4.24×102）= 180.33N/mm2；不组合风荷载时，钢管立杆稳定性计算σ=180.33N/mm2小于钢管立杆抗压强度的设计值[f]=205N/mm2，满足要求。

5.4立杆局部稳定性计算

组合风荷载时：NE′=3.142×2.06×105×4.24×102/170.782/1000= 29.526kN，σ=N/（φA）+M/W（1-1.1φN/N′E）=18.613×103/（0.243×4.24× 102）+0.024×106/4.49×103×（1-1.1×0.243×18.613/29.526）=186.63N/mm2；组合风荷载时，钢管立杆稳定性计算σ=186.63N/mm2小于钢管立杆抗压强度的设计值[f]=205N/mm2，满足要求。

6　支撑架抗倾覆验算

式中：gk-支撑结构自重标准值与受风面积的比值（kN/m2），gk=G2K/LH；G2K-支撑结构自重标准值（kN）；L-支撑结构纵向长度（m）；B-支撑结构横向长度（m）；H-支撑结构高度（m）；ωk-风荷载标准值（kN/m2）。带入数值得H/B=16.7/4=4.175，0.54gk/ωk= 0.54×0.142×4×6×16.7/（7×16.7×0.062）=4.224，经比较，H/B≤0.54gk/ωk，支撑架抗倾覆验算满足要求。

7　立杆的地基承载力计算

立杆基础底面的平均压力应满足下式的要求p≤fg，地基承载力设计值：fg=fgk×kc=85.000kPa；其中，地基承载力标准值：fgk= 85kPa；模板支架地基承载力调整系数：kc=1；立杆基础底面的平均压力：p=N/A=74.451kPa；立杆的轴向力设计值：N=18.613kN；基础底面面积：A=0.25m2。p=74.451kPa＜fg=85.000kPa。地基承载力满足要求。

8　模板支撑系统安全施工管理措施

①梁板混凝土强度达到设计要求时方可拆模。②参加支体系搭设的作业人员必须持省级建设行政主管部门颁发的证上岗，作业时戴安全帽、系好安全带、穿防滑鞋。对施工人员进行详细的技术、作业安全交底，施工中及时检查，对未按施工方案施工之处及时整改，搭设完毕由建设单位组织项目部项目经理、技术负责人、安全员、监理单位总监、专监验收，确保万无一失。③剪刀撑、斜撑要随立杆、水平杆同步搭设，底层斜杆下端必须支撑在垫板上。施工中要经常校验立杆垂直度，全高垂直度偏差不得大于1/400，且不大于100mm。④加强对构配件的质量检查，不合格者不予使用。⑤扣制扣件螺栓扭力矩，采用扭力扳手，将扣件节点扭力矩控制在（40～65）N·m。⑥钢管支撑体系的纵横向水平杆、水平剪刀撑端部与已浇筑的柱梁顶紧，连成整体。⑦在混凝土浇筑施工时，安排专人负责观察支撑有无异常响声、变形，发现异常情况立即通知现场施工人员撤离。本高支撑模板系的混凝土已于2014年7月13日顺利浇筑完成，浇筑混凝土中无异常情况，施工质量好。

TU755.2

A

1673-0038（2015）22-0041-03

2015-5-13

蔡从东（1967-），男，工程师，毕业于天津大学建筑施工技术专业。