碗扣式钢管支架及模板的设计和计算

2016-04-28李芳

四川建筑 2016年1期

关键词：安全设计

李　芳

(北京市交通委员会路政局门头沟公路分局, 北京 102300)

碗扣式钢管支架及模板的设计和计算

李芳

(北京市交通委员会路政局门头沟公路分局, 北京 102300)

【摘要】文章通过在建工程模板支架的坍塌事故引出应正确运用规范标准设计碗扣式钢管支架的议题。通过对相关规范和标准的分析，指出了如何选择荷载及其组合和如何选择计算公式及其相应的系数，又通过工程实例详细介绍了支架的设计计算，以合理的设计确保模板支架的安全使用。

【关键词】模板支架；碗扣式脚手架；工程实例；设计；安全

建筑施工中每年都发生多起因模板支架不安全引起在建工程坍塌的事故，可见模板支架是建筑工程领域发生安全事故的重大危险源，必须严格控制。如何确保模板支架体系的安全，成为建筑施工安全管理的重点和难点。现结合工程实例，详细介绍如何依据规范和标准设计和计算碗扣式钢管支架和模板，确保在建工程不因钢管支架和模板的承载力不足而坍塌。

1工程实例概况

某桥梁全长107 m，桥梁全宽9.5 m，上部结构为4孔(22+28×2+22) m连续现浇C50预应力混凝土箱梁，下部结构为柱式桥墩、肋板式桥台，钻孔灌注桩基础。桥墩上无盖梁，桥台肋板上为盖梁。现浇箱梁长100 m，梁高1.6 m，横断面为单箱单室，顶板宽9.5 m，底板宽4.5 m，腹板宽0.68 m；每跨跨中设一横隔板，厚度均为0.5 m，端横梁梁宽1.2 m，中支点横梁宽2 m。

2荷载的选取与组合

在JGJ 162-2008《建筑施工模板安全技术规范》、JGJ 166-2008《建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范》和JTG/T F50-2011《公路桥涵施工技术规范》中都分别有相关规定，但荷载的名称和组合稍有差异，不利于直接引用，现结合工程实践经验综合规范做一汇集。

2.1荷载的种类和取值

模板、支架的设计应考虑的各项荷载如下：

(1)模板、支架自重G1k；“应根据模板及支撑架施工设计方案确定。10 m以下的支撑架可不计算架体自重”[1]；碗扣式钢管脚手架主要构配件质量可由规范JGJ 166-2008中“表3.2.5主要构配件种类、规格及质量”查得；

(2)新浇钢筋混凝土自重G2k；“对普通钢筋混凝土可采用25 kN/m3，对特殊混凝土应根据实际情况确定”[1]；

(3)施工人员及设备、材料等荷载Q1k；规范JGJ 166-2008中模板支撑架的“按均布活荷载1.0 kN/m2”[2]；规范JGJ 162-2008中“当计算模板和直接支撑模板的小梁时，均布活荷载可取2.5 kN/m2，再用集中荷载2.5 kN进行验算，比较两者所得的弯矩取其大值；当计算直接支撑小梁的主梁时，均布活荷载标准值可取1.5 kN/m2；当计算支架立柱及其它支撑结构构件时，均布活荷载标准值可取1.0 kN/m2(与JGJ 166-2008中的一致)”[2]；

(4)浇筑和振捣混凝土时产生的荷载Q2k；规范JGJ 166-2008中模板支撑架的“可采用1.0 kN/m2”[1]；规范JGJ 162-2008中“对水平面模板可采用2 kN/m2，对垂直面模板可采用4 kN/m2，且作用范围在新浇筑混凝土侧压力的有效压头高度之内”[2]；

(6)设于水中的支架所承受的水流压力、波浪力、流冰压力、船只及其它漂流物的撞击力Q6；

(7)其它可能产生的荷载，如风荷载(wk)、雪荷载、冬季保温设施荷载等Q7；风荷载可由规范JGJ 166-2008中“4.3 风荷载”里公式“wk=0.7μzμsw0”确定，而规范JGJ 162-2008中的风振系数βz=1而不是0.7，为安全起见可采用βz=1。

2.2荷载的组合

2.2.1极限状态

(1)对于承载能力极限状态，应按荷载效应的基本组合采用，并应采用“γ0S≤R”设计表达式进行模板设计，式中γ0为结构重要性系数，其值按0.9采用(符合临时结构要求)。

(2)对于正常使用极限状态应采用标准组合，并应按“S≤C”设计表达式进行设计。

2.2.2荷载效应组合的设计值S

在不同的规范里有不同的公式，详见表1。

规范JGJ 162-2008中的公式由来应是国标《建筑结构荷载规范》，因此准确的公式应是GB 50009-2012的公式。

2.2.3荷载组合

在不同的规范里有不同的公式，详见表2。

表1　荷载效应组合的设计值S

表2　不同的规范里的荷载组合公式

由国标GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》可知，JTG/T F50-2011《公路桥涵施工技术规范》中的荷载组合是较全面和正确的。

3实例计算

根据工程实例，选取中支点h×b=1 600 mm×2 000 mm横梁为例，设定一些条件进行计算设计。在设计时先设定支架间距进行验算，根据验算结果相应调整间距满足极限状态和构造要求，这样计算较为简便。

梁底主梁拟采用横向摆放的150 mm×150 mm方木，间距是900 mm；小梁拟用纵向的100 mm×100 mm方木，间距是200 mm；木材抗弯强度设计值fm=11 MPa，抗压和承压强度设计值fc=10 MPa，顺纹抗剪强度设计值fv=1.4 MPa，木材弹性模量E=1.0×104MPa，木材自重6 kN/m3。模板拟用15 mm厚混凝土用胶合板。

满堂碗扣式钢管支架采用标准φ48 mm×3.5 mm钢管，支架立杆横向间距0.6 m、纵向间距0.9 m。

以架体高度是否超过10 m和有无水平荷载(主要是风荷载)分为4个计算模型：架体高度不超过10 m和无水平荷载、架体高度不超过10 m和有水平荷载、架体高度超过10 m和无水平荷载以及架体高度超过10 m和有水平荷载。现以架体高度不超过10 m和无水平荷载以及架体高度超过10 m和有水平风荷载为例设计计算。

3.1架体高度不超过10 m和无水平荷载

设支架高度8 m，立杆采用LG-120,则步距为h=1.2 m，可调托撑采用KTC-60则立杆伸出顶层水平杆长度a=0.4 m，可调底座KTZ-60高0.4 m；架体剪刀撑等构造措施均满足规范要求。

3.1.1荷载计算

G1k=0.04+6×(3×0.1×0.1×0.9+0.15×0.15×0.6)÷(0.6×0.9)=0.49 kN/m2；

梁的钢筋含量一般都不小于2 %，自重取26 kN/m3，G2k=1.6×26=41.6 kN/m2；

Q1k取1.0 kN/m2，Q2k采用1.0 kN/m2，其余荷载均为0。

由永久荷载控制：N=1.35×(0.49+41.6)+1.4×0.7×(1.0+1.0)=56.821+1.96=58.781 kN/m2；

中间每根立杆的荷载范围为0.6 m宽和0.9 m长，则S=N×0.6×0.9=58.781×0.6×0.9=31.742 kN。

3.1.2立杆承载力计算

以立杆最上一节为计算杆件。

由γ0S≤R和N≤φAf得0.9S≤φAf：

若支架采用旧钢管，则28.6 kN≤57.9×0.85=49.3 kN，仍满足要求。

3.1.3底托下铺木板承载力计算

单杆最大压力为28.6 kN，底托底面积：15×15=225 cm2。

底托下传压强：σ1=28.6×1000÷22500=1.27 MPa<0.95fc=0.95×10=9.5 MPa满足使用要求。

3.1.4地基承载力计算

支架立柱下铺4 m×0.25 m×0.05 m木板，每块木板上(4 m长)支撑7根柱腿。

单柱荷载：P=28.6 kN木板下传压强：

fg=7×28.6×1000÷(4×0.25)+6×1000×0.05≈0.20×106Pa=0.20 MPa

基础使用压路机碾压密实后浇筑10 cm厚C20混凝土，抗压强度远大于木板下传压强0.20 MPa，故能满足使用要求。

3.2架体高度超过10 m和有水平荷载

设支架高度11 m，立杆采用LG-120,则步距为h=1.2 m，可调托撑采用KTC-45则立杆伸出顶层水平杆长度a=0.1 m，可调底座KTZ-45高0.1 m；架体剪刀撑等构造措施均满足规范要求。

3.2.1荷载计算

3.2.1.1模板体系

G1k=0.04+6×(3×0.1×0.1×0.9+0.15×0.15×0.6)÷(0.6×0.9)=0.49 kN/m2；G2k=41.6 kN/m2；

Q1k取1.0 kN/m2，Q2k采用1.0 kN/m2，其余荷载均为0。

由永久荷载控制：N=1.35×(0.49+41.6)+1.4×0.7×(1.0+1.0)=56.754+1.96=58.781 kN/m2；

中间每根立杆的荷载范围为0.6 m宽和0.9 m长，则

S=N×0.6×0.9=58.781×0.6×0.9=31.742 kN·m。

3.2.1.2支架

碗扣式钢管支架构配件的质量由JGJ 166-2008表3.2.5可得：立杆LG-120(φ48×1200)7.05 kg，横杆HG-60(φ48×600)2.47 kg、HG-90(φ48×900)3.63 kg，可调托撑KTC-45(T38×6)7.01 kg、可调底座KTZ-45(T38×6)5.82 kg。

3.2.1.3风荷载

基本风压取北京市R=10的0.3 kN/m2，地面粗糙度按B类考虑则取风压高度变化系数μz=1.00，风荷载体形系数取μs=1.3φ0=1.3×0.8=1.04(依据JGJ 166-2008第4.3.2条1取值)，则

wk=βzμsμzw0=1.0×1.04×1.00×0.3=0.312 kN/m2

梁高1.6 m，梁底模板、方木梁高和托撑高0.015+0.1+0.15+0.1=0.365 m，设梁上安全护栏高1.2 m，则：

w=1.2×0.9w0=1.2×0.9×0.312=0.337 kN

w1=(1.6+0.365+1.2)×0.9w0=3.165×0.9×0.312=0.889 kN

wv1=2w1=2×0.889=1.778 kN

ws1=2.236w=2.236×0.889=1.988 kN

3.2.2立杆承载力计算

最下一节下端面受力最大。

N2为支架自重；Qw为风荷载。

Nmax=S+N2+Qw

=31.742+1.566+7.027=40.335 kN

由γ0S≤R和N≤φAf得0.9S≤φAf：

若支架采用旧钢管，则36.30 kN≤74.68×0.85=63.48 kN，仍满足要求。

3.2.3底托下铺木板承载力计算

单杆最大压力为36.30+0.9×1.35×5.82×9.8÷1000=36.37 kN，底托底面积：15×15=225 cm2。

底托下传压强：σ1=36.37×1000÷(225×100)=1.62 MPa<0.95fc=0.95×10=9.5 MPa满足要求。

3.2.4地基承载力计算

支架立柱下铺400 cm×25 cm×5 cm木板，每块木板上(4 m长)支撑7根柱腿。

单柱荷载：P=36.37 kN

木板下传压强：

fg=7×36.37×1000÷(4×0.25)+6×1000×0.05=0.25×106Pa=0.25 MPa。

基础使用压路机碾压密实后浇筑10 cm厚C20混凝土，抗压强度远大于木板下传压强0.25 MPa，故能满足使用要求。

3.2.5斜杆扣件连接强度验算

4预压

4.1支架预压

依据JGJ/T 194—2009《钢管满堂支架预压技术规程》第5.2.1条“支架预压荷载不应小于支架承受的混凝土结构恒载与模板重量之和的1.1倍”[3]和第5.2.2条“支架预压区域应划分成若干预压单元，每个预压单元内实际预压荷载强度的最大值不应超过该预压单元内预压荷载强度平均值的110%。每个预压单元内的预压荷载可采用均布形式”[3]，可知预压荷载不小于支架承受的混凝土结构恒载与模板重量之和的1.1×110%=1.21倍。

4.1.1架体高度不超过10 m和无水平荷载

N=0.9×56.781×0.6×0.9=27.60 kN，取预压荷载是1.3N=35.87 kN，是承载力的35.87÷49.3×100%=73%，大于施工时的受力28.6 kN，达到超载预压检验目的。

4.1.2架体高度超过10 m和有水平荷载

N=27.60+0.9×1.35×9×(2.47+3.63+7.05)×9.8÷1000=29.01 kN，取预压荷载是1.3 N=1.3×29.01=37.71 kN，是承载力的37.71÷63.48×100%=59%，是施工受力36.30 kN的104%，超载预压检验不明显，宜适当增大预压荷载。

若预压荷载取支架承受的混凝土结构恒载与模板重量之和的1.3倍，不会超出支架承载力，支架是安全的。

4.2支架基础预压

依据JGJ/T 194—2009《钢管满堂支架预压技术规程》第4.2.1条“支架预压荷载不应小于支架基础承受的混凝土结构恒载与钢管支架、模板重量之和的1.2倍”[3]，当预压荷载是支架基础承受的混凝土结构恒载与钢管支架、模板重量之和的1.3倍时：

4.2.1架体高度不超过10 m和无水平荷载

fg=7×35.87×1000÷(4×0.25)+6×1000×0.05≈0.25×106Pa=0.25 MPa，超过施工时0.20 MPa的125%，达到超载预压检验目的。

4.2.2架体高度超过10 m和有水平荷载

fg=7×37.71×1000÷(4×0.25)+6×1000×0.05≈0.26×106Pa=0.26 MPa，是施工时0.25 MPa的104%，超载预压检验不明显，宜适当增大预压荷载。

预压不会超出基础承载力，基础是安全的。

5结束语

模板和碗扣式钢管支架在不同的规范和标准里有不同的设计计算荷载、系数和公式，应依据规范和标准的等级和效力确定；荷载效应以荷载最不利组合比较确定最大值，选取适当大的预压荷载达到预压效果。

参考文献

[1]JGJ 166-2008 建筑施工碗扣式脚手架安全技术规范[S].