模板支架结构体系安全性施工技术概述★

郭 艳 胡长明 张 莹 郭嘉欣

(1.陕西交通职业技术学院建筑与测绘工程学院，陕西 西安 710021； 2.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西 西安 710055)

近年来，国内外专家学者在模板支架的安全性能和承载性能方面做了许多工作，其中承载性能方面的研究成果居多[1-3]， 理论分析、试验研究及施工期荷载的调研和统计也取得了不少成果[4-8]，国内专家学者已经对模板支架的理论、试验与数值分析形成了系统研究，不再只借鉴双排脚手架的计算理论。

工程建设中模板支架属于临时性结构，但当倒塌事故发生时会造成不可挽回的人员伤亡和经济损失。从业人员必须对模板支架进行系统地研究，掌握其工作性能，解决其技术难题，制定行业规范，以杜绝模板支架安全事故的发生[9-13]。

1 模板支架与脚手架的区别和联系

模板支架与脚手架主要是混凝土工程施工时支撑模板形状及位置而临时搭设的架子，其功能用途较为广泛，可用于满足施工要求的各种临时性结构[14]。广义上将临时搭设在在建建筑物或构筑物周围，为方便人员施工、外墙装饰作业以及临时堆放建筑材料的辅助施工设施，或者是在混凝土浇筑过程中为固定模板而架设的临时支架结构，统称为施工脚手架系统；狭义上将在建建筑周围的辅助施工设施称为脚手架系统，而将浇筑混凝土时固定模板的支架称为模板支架系统[15]。

大跨度、超常规混凝土结构建筑通常面积大、空间跨度大、自重大，此类大型建筑施工时要求模板支架的搭设跨度大、高度高，且在混凝土结构构件未达到设计强度时要求模板支架承担混凝土结构施工时的各种荷载，这就对模板支架的设计和施工提出了更加严格的要求[16]。

模板支架体系与脚手架体系在结构形式和力学性能上都存在着较大的区别，二者的构成形式见图1。脚手架体系在横向上一般只有两排(双排脚手架)或一排(单排脚手架)立杆，而在纵向上有若干排立杆，故脚手架体系横向刚度较弱，易发生横向的整体失稳，所以在应用中须在脚手架横向设置连墙杆与已完成施工的结构进行有效固定。模板支架体系在纵横方向都有若干排立杆组成，失稳现象多发生于排数少、整体刚度较弱的横向，且模板支架在纵横向无法与已经建成的结构进行有效连接，这就使得模板支架的稳定性比脚手架差。工程应用中搭设高度高且需要承担较大荷载的模板支架需进行承载力和稳定性专项施工方案设计。

文章将主要分析用于混凝土浇筑时固定模板的临时支架结构，即模板支架体系，其分为满堂支撑架和满堂脚手架两种。

1.1 满堂支撑架

满堂支撑架由立杆、水平杆和剪刀撑组成，纵横向立杆均不少于三排，与水平杆、水平剪刀撑、竖向剪刀撑连接，形成稳定的支架结构。浇筑混凝土时，施工荷载的传递路径由木枋、上部可调顶托传给立杆，再由立杆传递给水平杆和剪刀撑，顶端立杆呈轴心受压状态，其受力形式如图 2 所示。满堂支撑架体系传力合理，具有较好的稳定性，适用于荷载较大的混凝土构件的浇筑作业。

1.2 满堂脚手架

满堂脚手架在结构构造上与满堂支撑架相同，但施工荷载等通过木枋传递给顶层水平杆，再由水平杆将荷载传递给立杆和剪刀撑，受力时架体呈偏心受压状态，其荷载传递路径如图3所示。满堂脚手架与满堂支撑架的受力形式不同，架体的整体稳定性受偏心竖向荷载影响较大。

2 模板支架结构体系安全性控制计算理论

模板支架结构体系安全性控制理论计算的要点是立横杆连接处节点刚性的界定问题，在模板支架方案设计时节点的刚性程度直接影响到架体的承载力和稳定性。目前共有刚接计算理论、铰接计算理论和半刚接计算理论三种，在对模板支架无严格要求的普通模板工程施工时可采用刚接理论或铰接理论粗略的计算模板支架的承载力和稳定性，当工程结构较为复杂、对模板支架要求较高时必须采用半刚接计算理论以确保方案的可行性。

2.1 刚接计算理论

刚接计算理论将立杆与水平杆连接节点、立杆与剪刀撑连接节点视为刚性节点，此理论认为杆件之间不产生相对转动，模板支架按有侧移失稳钢框架进行理论计算[17]，如图4所示。在实际工程中连接节点完全刚性是不可能实现的，因此该方法计算出的承载力偏不安全[18,19]。

2.2 铰接计算理论

铰接计算理论将立杆与水平杆连接节点、立杆与剪刀撑连接节点视为铰接节点，参照英国标准《脚手架实施规范》中“几何不变杆系结构”进行计算。但我国标准对模板支架的构造要求没有英国标准严格，工程中剪刀撑数量设置相对较少，因此达不到“几何不变杆系结构”的要求。按照“非几何不变杆系结构”进行计算时，可采用容许应力设计法通过增加立杆计算长度系数以保证安全系数K≥2。

针对模板支架的非几何不变杆系结构现状，杜荣军[20]、余宗明等[21,23]提出了模板支架的承载力和稳定性的计算方法并进行了载荷试验，同时规范了搭设和使用要求。施炳华[24-26]认为模板支架是上下两端铰接的多层排架结构，其稳定性可简化为两端铰接的等代柱的稳定性问题。但采用该方法进行理论计算又过于保守，与实际情况也不符。

2.3 半刚接计算理论

半刚接计算理论视杆件连接节点具有半刚性，承受荷载作用时节点会有一定的转动刚度。在这种假定下杆件节点处传力时会产生一定的转角，其转动刚度需要通过节点试验和有限元方法进行确定。

敖鸿斐[10,27]对落地式双排扣件式钢管脚手架应用有限元方法进行了二阶弹塑性稳定分析，并通过试验测得了扣件的转动刚度。徐崇宝等[28]分别采用刚接理论和半刚接理论对双排扣件式钢管脚手架的整体稳定进行理论分析，指出刚性连接计算的临界荷载比试验值高很多，而按半刚性理论得到的计算值与试验值比较接近。

3 我国常用模板支架分析

我国模板支架工程的发展大致经历了三个阶段：第一阶段是解放初期到20世纪60年代，主要利用竹木材料；60年代末～70年代，出现了钢管扣件式模板支架、各种钢制工具式里凳与竹木支架并存的第二阶段；从80年代以后到现在，随着土木工程的发展，国内一些研究、设计、施工单位从国外引入新型模板支架的基础上，开发出一系列新型模板支架，进入多种模板支架并存的第三阶段。目前工具式模板支架如爬模、滑模、飞模及型钢大模板等在大型混凝土工程项目中也逐渐得到应用，但是满堂式模板支架仍是建筑、桥梁、公路、隧道等工程中混凝土构件施工的主要形式，本节主要分析在工程施工中应用较多的几种满堂支架形式。

3.1 扣件式模板支架

扣件式模板支架由钢管和扣件组成：钢管为普通碳素钢管，规格为48 mm×3 mm，可用作立杆、横杆及剪刀撑，每根最大长度限制为6.5 m，重量控制在25 kg以内，以确保搭设和拆卸的安全；扣件为可锻铸铁扣件，分为对接扣件、直角扣件和旋转扣件三种，分别用于立杆与立杆的连接，立杆与横杆的连接和立横杆与剪刀撑的连接。扣件式模板支架在工程中的应用及扣件形式见图5。

从图5可以看出扣件式模板支架可灵活设置纵横间距和步距，可满足不同的承载力和刚度需求，故其可广泛用作各类混凝土构件施工时的模板支架。但其搭设时对扣件的拧紧力矩要求较严格，若扣件拧紧力矩不足则会导致模板支架的整体稳定性和承载力减弱，同时易发生扣件丢失，故其成本高、施工效率低。

3.2 碗扣式模板支架

碗扣式模板支架由带碗扣的立杆和带插头的横杆组成：碗扣节点包括上碗扣、下碗扣、横杆插头和上碗扣限位销；立杆碗扣节点间距为0.6 m的模数，故步距可为0.6 m，1.2 m，1.8 m等；横杆长度有0.3 m，0.6 m，0.9 m，1.2 m，1.5 m，1.8 m等；碗扣式模板支架没有固定的剪刀撑搭设模式，需根据设计方案利用旋转扣件搭配钢管进行使用。碗扣节点结构合理，立杆轴向传力，使模板支架的结构强度高、整体稳定性好，并具有可靠的自锁性能，能更好的满足施工安全的需要。碗扣式模板支架在工程中的应用及碗扣节点构造见图6。

3.3 圆盘式模板支架

圆盘式模板支架又称菊花盘式模板支架、插盘式模板支架、轮盘式模板支架、扣盘式模板支架、雷亚架，是市场上应用较多的一种模板支架形式。采用直径48 mm、壁厚3.5 mm的Q345B钢管做主构件，在立杆上每隔0.60 m焊接上一个承盘用以连接水平杆，承盘直径133 mm厚度10 mm，其上开设8个孔，每根立杆底部带连接套筒；水平杆两端焊接有带插销的插头。圆盘式模板支架在工程中的应用及圆盘承盘构造见图7。

由图7可以看出圆盘式模板支架的构件少，只有立杆、水平杆和斜拉杆3种，搭设及拆卸方便。立杆、水平杆和斜拉杆均在工厂内制成，能改善传统扣件式钢管脚手架活动零配件易丢失、易损坏的缺点，没有活动锁紧件，消除了因扣件拧紧力矩不足可能造成的安全隐患。该模板支架承载能力大、安全牢固、施工效率高，可广泛应用做桥梁工程，隧道工程，厂房，高架水塔，发电厂，炼油厂等以及特殊厂房的支撑结构。

3.4 插销式模板支架

插销式模板支架由立杆、横杆、焊接在立杆上的连接盘(轮盘、圆盘)、插头及保险销等构件组成，立杆采用套管承插连接，横杆采用杆端焊接的楔形直插头插入立杆连接盘，水平和竖向剪刀撑采用扣件式钢管与立杆或水平杆固定形成几何不变体系。焊接于立杆上的连接盘是可连接水平四个方向直插头的圆形孔板或轮状孔板，连接盘按0.5 m或0.6 m的模数设置，故步距为0.5 m，0.6 m，1.0 m，1.2 m，1.5 m，1.8 m等；水平杆的长度按0.3 m的模数设置，分别为0.3 m，0.6 m，0.9 m，1.2 m，1.5 m等，插销式模板支架的高度不应大于24 m。插销式模板支架在工程中的应用及插销节点的构造见图8。

由图中可以看出插销式模板支架是定型支架，施工效率高；受力时架体呈轴心传力状态，结构合理，承载力较高，但横杆不连续使得架体整体刚度小。该模板支架体系广泛应用于各类建筑工程，尤其是隧道工程和桥梁工程，在一些大型混凝土构件施工时多搭配扣件式模板支架共同使用，既可提高整体刚度和承载力，又能够保证施工效率满足工期要求。

4 结语

文章介绍了模板支架与脚手架的区别与联系；总结了模板支架的安全性控制理论计算方法；介绍了我国常用的扣件式模板支架、碗扣式模板支架、圆盘式模板支架和插销式模板支架的结构形式及适用范围。对各类模板支架的结构特点及应用范围有了一定的了解，可为不同混凝土构件施工时模板支架的选择提供参考。