高陂塘排涝渠高支模强度计算研究

秦 辉

（广东省水利水电第三工程局有限公司，广东 东莞 523000）

随着国家经济的发展，建筑工程在水利工程中的比重日益增大。然而，目前由于高支模施工技术的不成熟，会导致施工过程中出现模板坍塌的现象，因此提高高支模强度设计对施工现场综合性能具有有效的提升作用[1-3]。

魏圣华[4]对框剪结构梁板柱的高支模体系做出设计，并明确相关施工技术措施；邵鲁现[5]对建筑工程中应用广泛的高支模施工技术进行了研究；李红生[6]对高支模架体选型、支承体系验算、施工工艺、搭设安全控制要点、模板安装、拆除及经济效益进行了详细阐述分析；徐明昱等[7]阐述了超大跨度柱和高支模区域外脚手架施工技术；张健[8]针对高支模施工技术进行了研究，结合工程实例讨论了高支模施工技术的优势和特点；蒋玲锋[9]针对房建土建工程中高支模施工技术的应用情况展开研究，分析新时期背景下高支模施工技术的管控要点；郭强[10]针对高支模设计跨度大、楼层高、面积广等特点，对高支模施工过程中的作用力进行了研究；谢龙枨[11]阐述了房建工程高支模施工技术核心特征，分析了在模板安装、楼面安装、框架设置及高支模拆除等方面的技术控制要点；刘艳梅[12]研究了高支模施工技术的应用要点；薛卫莹等[13]从安装模板体系与材料选择、安装施工方案及数据设计、高支模体系安装3个方面研究了大型框架结构建设施工的高支模安装技术。

本文以高陂塘排涝渠拆除移建工程为例，详细阐述了顶板模板、侧墙模板和支承体系的设计方案，对危险部位的板、模板和支承系统进行了验算，研究成果可为相关工程提供参考。

1 工程概况

高陂塘排涝渠拆除移建工程位于广东省北江干流英德市上游白石窑枢纽左岸，在现状高陂塘防护堤位置新建二线船闸上游引航道，将高陂塘防护堤向东南侧移建。新建排涝渠位于原排涝渠东南侧，走向与原高陂塘排涝渠大致平行，工程桩号K0+000—K0+090段穿堤箱涵采用4 m×4 m布置，全涵长90 m，箱涵顶板厚度600～700 mm，墙厚700 mm，净高4 m。其中，穿堤箱涵闸室段采用4 m×7.93 m布置，长12 m，底板厚1 200 mm，顶板厚300 mm，墙厚1 000 mm，净高7.93 m，分2 次浇筑混凝土，每次浇筑墙高约4 m。顶板模板板面荷载≥15 kN/m2，为超重高大模板。穿堤箱涵钢筋，如图1所示。

图1 穿堤箱涵钢筋

2 方案设计

该方案设计包括顶板模板、侧墙模板和支承体系3个主要方面。

（1）顶板模板。采用18 mm厚的胶合板，主楞使用Ф48 mm×3.5 mm 的钢管沿箱涵长度方向布置，并安装在U形支架上；次楞选用规格为100 mm×100 mm的木枋，与主楞垂直布置于箱涵。

（2）侧墙模板。采用500 mm×600 mm×55 mm的组合钢模，水平主楞沿墙高度设置若干道，使用2根Ф48 mm×3.5 mm 的钢管，间距为500～600 mm，每隔450～500 mm 沿主楞方向设置1 道M12～M14 对拉螺杆，在其端部采用双螺母（或三字扣）锁紧；竖向次楞采用Ф48 mm×3.5 mm钢管，间距为200～300 mm，紧贴在组合钢模上。

（3）支承体系。采用Ф48 mm×3.5 mm 的满堂支架，水平设上、中、下3道对撑，以校正侧墙模板垂直度，立杆顶端加可调U 形顶托以调整模板高程。立杆间距范围在（0.6～0.8）m×（0.8～1.0）m，剪刀撑间隔为2.0～3.0 m；扫地杆离地0.25 m，并预留检测通道。

在计算模板支座承载力时，材料的断面尺寸将按施工现场实际情况进行相应折减。箱涵顶板700 mm厚模板及支架设计参数、箱涵侧墙模板设计参数、穿堤箱涵扩大头处1 500 mm顶板模板（桩号K0+000—K0+090 段穿堤箱涵顶板）及其支承系统设计参数、跌水井顶板300 mm厚模板及支架设计参数、跌水井侧墙模板设计参数，详见表1—5。

表1 箱涵顶板700 mm厚模板及支架设计参数

表3 穿堤箱涵扩大头处1 500 mm顶板模板及其支承系统设计参数

表4 跌水井顶板300 mm厚模板及支架设计参数

表5 跌水井侧墙模板设计参数

3 高支模验算分析

需要对危险部位的板、模板和支承系统进行验算，验算的部位包括700 mm 顶板（支模高度6.5 m）、700 mm厚侧墙、扩大头1 500 mm板、300 mm顶板（支模高度15.88 m）和1 200 mm 厚侧墙。因篇幅所限，本文只对700 mm 顶板验算进行探讨分析。

（1）模板支架参数。横向间距（排距）、纵向间距分别为0.60 、0.80 m，步距设置为1.50 m，竖杆上端制高点与模板支承点之间的长度设置为0.30 m，模板支架应当搭设在6.5 m高度左右，且钢管的规格要控制在Φ48 mm×3.5 mm 左右。利用方木进行板底支承，采用可调托座进行立杆承重连接。

（2）荷载参数。模板与木板的自重为0.500 kN/m3，钢筋与混凝土的自重为25.500 kN/m3，施工荷载值为2.000 kN/m2。

（3）材料参数。采用方木进行板底支承，面板为胶合板，厚度为18 mm。面板的弹性模量、抗弯强度设计值分别为9 500、13 N/mm2，方木的弹性模量、抗剪强度设计值分别为9 000、1.4 N/mm2。

（4）托梁材料。钢楞的弹性模量、抗弯强度设计值分别为206 000、205 N/mm2。

模板支架立面，如图2 所示。顶板支承架荷载计算单元，如图3所示。

图2 模板支架立面

图3 顶板支承架荷载计算单元

3.1 模板面板计算

模板面板是受弯构件，应采用三跨连续梁验算面板，截面抵抗矩和截面惯性矩验算公式为：

式中：W为截面抵抗矩（mm3）；b、h分别为面板的宽和高（mm）；I为截面惯性矩（mm4）。

面板最大弯矩计算公式为：

式中：M为最大弯矩（kN·mm）；q为线荷载（kN/mm）；l为杆件长度（mm）。

面板最大应力计算公式为：

式中：σ为最大应力（N/mm2）；其余变量含义同上。

由式（4）计算得出面板的最大应力值为4.225 N/mm2，而面板的抗弯设计值为13 N/mm2，前者小于后者，故面板的最大应力满足设计要求。

面板挠度计算公式为：

式中：v为面板最大挠度（mm）；E为刚度（N/m）；其余变量含义同上。

由式（5）计算得出面板的最大挠度为0.218 mm，而面板的最大允许挠度为1.2 mm，前者小于后者，故面板的最大挠度满足设计要求。

3.2 模板支承方木计算

模板支承方木的计算依照三跨连续梁的方式进行，各参数计算采用式（1）—（5）。模板支承方木的最大应力计算结果为0.551 N/mm2，而抗弯强度设计值为13.000 N/mm2，故方木的最大应力满足设计要求；支承方木最大挠度v计算结果为0.098 mm，而最大允许挠度[v]为2.4 mm，故支承方木最大挠度满足设计要求。

除需满足上述要求外，支承方木还需满足截面抗剪强度要求，其计算公式为：

式中：τ 为最大剪应力（N/mm2）；V为最大剪力（kN）；b0、h0分别为方木的宽和高（mm）。

由式（6）计算得出方木的最大剪应力为0.414 N/mm2，而其抗剪强度设计值为1.4 N/mm2，故支承方木截面抗剪强度符合设计要求。支承方木计算示意，如图4所示。

图4 支承方木计算示意

3.3 托梁材料计算

托梁采用2根Φ48 mm×3.5 mm钢管，其计算采用三跨连续梁（集中载荷）的方式进行。根据式（1）—（6）计算得出W=8.986 cm3，I=21.566 cm4，集中荷载P通过纵向板底支承向外传递，其传递力大小为4.855 kN；最大弯矩Mmax、最大变形Vmax、最大支座力Qmax、最大应力σ 分别为1.052 kN·mm、0.845 mm、14.06 kN、117.07 N/mm2；最大应力计算值、压强度设计值分别为117.07、205 N/mm2，应力计算值小于压强度设计值，故托梁材料能够达到设计要求。此外，托梁最大挠度仅为0.845 mm，满足设计要求。托梁参数计算示意，如图5—8所示。

图5 托梁计算示意

图6 托梁弯矩计算示意

图7 托梁变形计算示意

图8 托梁剪力计算示意

在模板支承柱载荷（轴向载荷）设计中，对框架支承施加的载荷分为静态和动态。静荷载标准值计算公式为：

式中：NG为静荷载（kN）；NG1为脚手架自重（kN）；NG2为模板自重（kN）；NG3为顶板与钢筋混凝土自重（kN）。

立杆轴向压力设计值和稳定性计算公式分别为：

式中：N为立杆轴心压力设计值（kN），N=14.264 kN；NQ为活荷载标准值（kN），取1.92 kN；σ0为立杆受压强度计算值（N/mm2）；φ为轴心受压立杆稳定系数，本设计长细比l0/i=195，查表得到φ=0.189；A为杆件截面面积（mm2）。

由式（9）计算得出立杆受压强度计算值σ0为178 N/mm2，小于立杆抗压强度设计值205 N/mm2，故立杆满足设计要求。

4 结语

在较高高度、较大跨度或较大承载力搭设支承性模板体系中，高支模的强度仍然是当前的设计难点。施工中，因模架倒塌而引发的伤亡事故多有报道，在一定程度上破坏了施工安全，也损害了施工企业的经济利益。本文为探讨高支模强度的设计方法，以高陂塘排涝渠拆除移建工程为例，详细阐述了顶板模板、侧墙模板和支承体系的设计方案，对危险部位的板、模板和支承系统进行了验算。研究结果表明，本文提出的设计方法符合设计标准，可为相关高支模设计工程提供借鉴与参考。