扣件式钢管模板高支撑架的设计和安全使用方法

2023-04-03王志扬

中国建筑金属结构 2023年2期

王志扬

（中国南水北调集团中线公司天津分公司霸州管理处，河北廊坊 065700）

0 引言

扣件式钢管模板高支撑架属于一种辅助施工设施，在工程中起到了固定模板与临时支撑作用，对稳定性与牢固性要求较高。李燕[1]进行了其地区可调式支撑体系施工技术的研究与应用分析，通过建立高支撑架体系模型，获取了其使用过程中需要注意的安全要点，实现对扣件式钢管模板高支撑架的安全使用。邢国荣[2]通过研究复杂环形结构支撑架的使用特点，实现对高支撑架施工技术的设计。万霆[3]进行了其地区扣件式钢管模板高支撑架的使用安全研究，通过建立支撑架结构模型，获取支撑架在不同工况下的使用情况，得出支撑架使用安全要点与现场检查验收要点。

当前传统的高支撑架在工程实际应用中，无法有效地避免扣件式钢管模板高支撑架出现偏心受压问题，降低了其立杆稳定性，不能保证模板高支撑架使用的稳固性与安全性。基于此，本文引入高支撑架结构分析模型，提出了一种全新的扣件式钢管模板高支撑架设计方法，并针对其使用安全作出了深入研究。

1 建立扣件式钢管模板高支撑架结构分析模型

本文在设计扣件式钢管模板高支撑架前，首先，建立其结构分析模型，对其外部结构与受力特点作出全方位的分析，为后续的设计提供基础保障。

首先，对扣件式钢管模板高支撑架的多层多跨空间框架体系结构进行分析，明确荷载传递的方向与传递作用，提取高支撑架实际应用过程中表现出的几何非线性特征。在此基础上，建立高支撑架结构分析模型，以可视化的形式，展示模板高支撑架的结构示意图，如图1 所示。

由图1 可知，按照高支撑架立杆中心的实际受压情况，对其他杆件结构进行设计。根据高支撑架结构示意图，明确各个旋转扣件之间连接的嵌固能力与变形协调能力，将施工荷载有序地传递给其他杆件，避免扣件式钢管模板高支撑架在后续应用中出现偏心受压的情况。

图1 扣件式钢管模板高支撑架结构示意图

2 设计扣件式钢管模板高支撑架

扣件式钢管模板高支撑架结构分析模型建立完毕后，对扣件式钢管模板高支撑架进行设计。在设计过程中，根据模板工程施工及验收规范，明确扣件式钢管模板高支撑架的荷载与压缩变形要求。在此基础上，对高支撑架立杆的长度进行计算，公式为：

其中，la表示高支撑架立杆计算长度；h表示高支撑架立杆步距；c表示高支撑架立杆顶层横杆中心线到支撑点之间的距离。通过计算，得出高支撑架立杆的长度，结合高支撑架安全要求的相关规定，对其计算长度的取值范围进行设定[4]。由于扣件式钢管模板高支撑架立杆与横杆之间的连接节点多数采用直角扣件进行连接，不具备旋转特征[5]。因此，在高支撑架空间框架结构形式设计过程中，需要全方面考虑高支撑架的荷载作用，控制直角扣件连接的松紧程度，对节点进行半刚性处理，避免对支撑架节点的性能产生不利影响[6]。扣件式钢管模板高支撑架节点半刚性处理结束后，接下来，确定高支撑架施工的体系轴线，分别搭设立杆、纵横扫地杆、纵横向水平牵杆、水平剪刀撑与垂直剪刀撑。针对扣件式钢管模板高支撑架桥面板支撑体系施工来说，本文认为，应当采取先上后下的逆向作业方式，先完成高支撑架上桥面板的模板支撑体系施工，保证立杆的顶部标高不超过板底标高[7]。其次，进行高支撑架下桥面板的模板支撑体系施工，结束后，拆除上下桥面板之间的高支撑架体系，通过短管搭接的方式，连接上下桥面板，保证连接结构满足承载力的相关要求。在扣件式钢管模板高支撑架设计过程中，需要特别注意各个扣件选取的质量，严格控制搭接尺寸要求，搭接高支撑架体，保证施工作业的安全。在高支撑架设计完毕后，及时清理工程施工现场，并保管好相关的设计材料。

3 计算扣件式钢管模板高支撑架立杆稳定性

在扣件式钢管模板高支撑架设计结束后，接下来，对其立杆的稳定性进行计算，保证其稳定性符合相关的标准要求。

综合考虑高支撑架结构体系的节点半刚性，分别对不组合风荷载与组合风荷载两种工况下，扣件式钢管模板高支撑架立杆稳定性进行计算，公式分别为：

其中，f表示高支撑架的抗压强度设计值；N表示高支撑架立杆轴向力设计值；d表示高支撑架立杆轴心受到压力时对应的稳定系数；S表示高支撑架立杆截面面积；Ha表示水平力荷载在高支撑架立杆上产生的弯矩；Hac表示等效水平力荷载在高支撑架立杆顶端产生的弯矩；Hw表示高支撑架立杆段受到风荷载作用产生的弯矩；E表示高支撑架立杆截面模量。通过扣件式钢管模板高支撑架立杆稳定性计算结果，判定高支撑架的设计是否符合工程建设的标准规范[8]。在此基础上，对扣件式钢管模板高支撑架结构的抗力设计值进行计算，公式为：

其中，R表示高支撑架结构的抗力设计值；ψ表示高支撑架受压杆件的稳定系数；λ表示高支撑架受压杆件抗力附加分项系数。通过计算得出高支撑架结构的抗力设计值，作为稳定性系数，保证了高支撑架的刚度。结合扣件架设计规范，对扣件式钢管模板高支撑架的稳定性与抗力性作出判定。根据模板工程的实际建设需求，适当调整扣件式钢管模板高支撑架的结构参数，进而保证其能够在模板工程施工中发挥最佳效能。

4 使用安全研究

在高支撑架立杆稳定性与抗力性符合相关规范要求后，在此基础上，对其使用安全作出研究，保证工程建设的质量与安全。首先，在实际模板工程施工中，根据模板工程支撑体系设计荷载的相关需求，选取单立杆或双立杆的模板高支撑架。其次，对立杆不同方向的设计刚度作出合理模拟分析，根据模拟分析结果，设定高支撑架相邻立杆之间的步距。若高支撑架立杆在不同高度情况下，受压时轴向力产生的动态变化较小时，则相邻立杆之间采用等步距设置；若受压时轴向力产生的动态变化较大时，则相邻立杆之间采用变步距设置。在高支撑架整体构造层设置方面，根据其架构的刚度特征，设置所需的水平加强层，主要包括单水平加强层与双水平加强层两种，其构造示意图，如图2、3 所示。

图2 单水平加强层构造示意图

图3 双水平加强层构造示意图

如图2、3 所示，通过设置水平加强层，形成模板工程上下连接的构造桁架，使扣件式钢管模板高支撑架具有较大的刚度，进而提高其变形约束能力与使用安全。

5 对比分析

综合上述内容，便是本文提出的扣件式钢管模板高支撑架的整体设计流程。在该支撑架投入工程实际应用前，需要对其稳定性作出客观验证，在保证其应用效果与使用安全后，方可投入到工程应用中。

选取M 高架桥工程项目为本次试验的研究目标，该工程整体采用边跨混凝土结构。高架桥每个标准节段由2 根纵梁与横梁加面板结构共同组成，在施工中，各个施工阶段均搭设了扣件式钢管模板高支撑系统。其中，在扣件式钢管模板高支撑系统中，最大搭设高度为53.2m。对M 高架桥工程项目扣件式钢管模板高支撑体系布置情况作出分析，获取如表1 所示的布置信息表。

如表1 所示，为M 高架桥工程模板高支撑体系布置的相关信息数据，在掌握以上信息后，按照上述本文提出的设计内容，对工程使用的扣件式钢管模板高支撑架进行设计。

表1 M 高架桥工程模板高支撑体系布置表

选取扣件式钢管模板高支撑架立杆稳定性作为本次试验的评价指标，通过式（2）（3）对高支撑架设计完毕后立杆的稳定性进行验算，保证其稳定性符合相关的标准规范。为了使试验结果更加直观清晰，且具有说服力，采用对比分析的方法原理，设置本文提出的扣件式钢管模板高支撑架设计方法为试验组，设置传统的高支撑架设计方法为对照组，进行对比试验。随机设定5 种不同的水平作用力工况，包括不加水平力、水平力大小为0.5F、水平力大小为2F、水平力大小为5F、水平力大小为10F。分别标号为工况#01、工况#02、工况#03、工况#04、工况#05，测定5 种不同水平作用力工况下，两种方法设计后的高支撑架的最大位移，进而反映扣件式钢管模板高支撑架立杆的稳定性变化。试验结果如表2 所示。

表2 扣件式钢管模板高支撑架最大位移对比

通过表2 的高支撑架最大位移对比结果可以得知，通过本文提出的设计方法设计出的扣件式钢管模板高支撑架，其在不同水平作用力工况下，高支撑架立杆的最大位移量均在3.12mm以下，较对照组相比，最大位移变化较小，具有明显差距。由此可见，本文提出的设计方法具有较高的可行性，高支撑架的稳定性较高，能够有效地避免高支撑架立杆出现局部失稳的情况，使用安全具有一定的保障。