高支撐架及單面支模在工程中的應用

摘要：本文結合工程實例對地下空間框架結構高大支撐架、單面模板及支撐系統的主要施工要點、模板體系的受力驗算以及整體支撐架穩定性驗算等計算方法進行探討。

關鍵詞：地下空間 高支撐架 單面支模 穩定性

1 工程概況

本工程屬于地下空間工程，施工時需保證地面的交通正常通行，其特殊性決定了在基坑施工時只能采用直切坡深基坑開挖的方式進行。

基礎：采用C40條形基礎，全線貫通設置。基礎主要斷面形式有2000*1500和1600*1200兩種。

墻柱結構：靠基巖側為剪力墻體，要求進行原槽砼澆筑。其中底層外側墻體墻厚800；內側墻體墻厚400，每6米增設1000*1000柱子，且在輕軌軌下梁設置加強墻體，墻厚1000，寬3m；底層層高約6-8m。負二層外側墻體墻厚400，每6m增設800*1000柱子；中間軸線柱網布置間距為6米，斷面尺寸1000*1000；負二層層高約7m-9m。負一層外側墻體墻厚400，每6米增設800*1000柱子；中間軸線柱網布置間距為6m，斷面尺寸1000*1000；負一層層高約7-9m。

2 高支撐架的施工設計要求

2.1 模板支架的構造要求

2.1.1 立柱構造及其平面布置設計要求:①梁模板高支撐架的立柱可視設計荷載情況采用單立桿或雙立桿；②立桿之間必須按步距滿設雙向水平桿，確保其在兩個方向(x，y)均具有足夠的設計剛度；③采用雙立桿時，一般應采用同一方向的雙桿布置，以適應水平桿的設置要求；④當梁板荷載相差較大時，梁下和板下可采用不同的立桿間距，但只宜在一個方向變距、而另一方向不變距，以確保水平桿件的連續設置要求。

2.1.2 立桿步距的設計要求：①當架體構造荷載（自重）在立桿不同高度段所引起的軸向力變化不大時，可采用等步距設置；當中部有加強層或支架很高，使其軸向力沿高度分布的變化較大時，可采用“下小上大”的變步距設計，但步距的變化不宜過多（見圖2）；②一般情況下，模板支架的步距以0.9-1.5m為宜，不宜超過1.5m。本工程滿堂架支模架步距取1.2m。

2.1.3 整體性構造層設置，當支撐架的的高度較高(例如高度大于等于6m)或者橫向高寬比≥6l時，為了加強其構架的整體剛度，應視需要設置一至數道整體性水平加強層（見圖1），有兩種形式①單水平加強層，即每隔2-3m沿水平結構層設置水平斜桿或剪刀撐，且必須與立桿相連接，設斜桿的框格數量應大于該水平層框格總數的1/3（見圖2）；②雙水平加強層，在支撐架的頂部和中部每隔10-15m設置雙水平加強層，在其間的四周和中部每隔10-15m設豎向斜桿，形成連接上下水平層的構造桁架。在任何情況下，高支撐的頂部和底部（掃地桿的設置層）必須加設整體性水平加強層。

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圖2 模板支架的豎向構造

2.1.4 剪刀撐設置:沿支架四周外立面應滿設剪刀撐，中部視需要并依構架框格的大小，每隔10-15m設1道。

2.1.5 頂部承載支撐點設計:最好在立桿頂部裝設支托板，支托底板至支架頂層橫桿的高度不宜大于0.4m。當支撐點位于頂層橫桿時，應盡量靠近立桿，且不宜大于200mm。

2.2 梁板模板支架的搭設和使用要求

2.2.1 搭設要求:①嚴格按設計尺寸搭設，立桿和水平桿的接頭均應錯開在不同的框格層中設置；②確保立桿的垂直偏差和橫桿的水平偏差小于規范規定；③斜桿應盡量與立桿連接，節點構造符合規范規定；④地基支座的設置和承載力均應滿足設計要求。

2.2.2 施工使用要求:①精心設計砼澆筑方案，確保模板支架均衡受載；②嚴格控制實際施工荷載不超過設計荷載，在施工中設專人對施工荷載進行監控；③在確保安全的前提下，在澆筑開始后，派人檢查支架及其支承情況，發現有下沉、松動和變形情況時，及時予以解決。

2.3 結構腳手架模板的搭設及要求

2.3.1 材料的選擇及要求

2.3.1.1 支撐架：采用碗扣式鋼管腳手支撐架。

2.3.1.2 搭設要求。①嚴格按照設計尺寸搭設，立桿和水平桿的接頭均應錯開布置，斜桿或剪刀撐盡量與立桿連接，節點構造符合相應規范規定。②當立桿所受豎向力特別大時，除驗算立桿穩定外還應驗算地基支座承載力或板的抗沖切承載力。本工程立桿均支承在硬質巖面或砼面板上，可不驗算地基承載力。

2.3.2 施工使用過程中的管理。①梁板模板支撐系統的方案設計至關重要，必須建立在較為精確的計算基礎上，絕不能僅靠經驗進行施工。②嚴格控制實際施工荷載不超過設計荷載，在荷載設計時應考慮出現的最大荷載，并提出控制要求，在施工中設專人對施工荷載進行監控。③在施工使用過程中派專人進行檢查維護，堅持信息化施工管理，將可能出現的不利情況從技術管理上得到控制，確保施工安全。

3 單面模板及支撐系統設計計算

3.1 荷載分析及計算參數的選用 ①模板及支架自重標準值2.5kN/m2。②鋼筋砼自重標準值(按每m3砼含量計算) 25.0kN/m3。③振搗砼對水平模板產生的荷載標準值2.0kN/m2；對垂直模板產生的荷載標準值4.0kN/m2。④施工人員及設備荷載標準值:取均布活荷載2.5kN/m2。⑤模板及支架荷載分系數。

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3.2 材料選擇 碗扣式腳手支架作模板支承支架。鋼管采用Ф48×3.5，其截面特性:A=489mm，I=12.19cm，截面模量w=5.08cm，回轉半徑i=1.58cm。

頂板模板采用2cm厚膠木模板，50*100mm方木作楞。

3.3 材料力學性能及幾何參數

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支撐架計算按扣件式鋼管腳手支架計算參數進行。由于碗扣式鋼管腳手架的試驗臨界荷載一般均比扣件式鋼管腳手架提高15%以上，因此當按扣件式腳手架計算參數進行設計滿足要求時，碗扣式支架也必然滿足要求且更可靠。

3.4 側墻模板設計及驗算 由于外墻模板只能采取單面支模原槽澆筑，需利用頂板的支撐架作為側向支撐。并且在側墻砼澆筑時，兩側砼側墻同時同步澆筑，將支撐架作為不可變體系進行考慮。因此側向模板支撐設計須在頂板支撐架的基礎上進行加密設計。具體搭設參數需在本支撐架的基礎上按側向模板設計進行搭設。

3.4.1 模板及支架設計參數。模板設計：模板采用1.8cm厚膠木模板，立檔采用50*100方木（松木），立檔間距@200，橫檔采用φ48*3.5雙鋼管，橫檔間距@600。

支撐架設計：由于側墻采用原槽砼澆筑，側墻需單面支模，且由于防水要求，業主和設計要求不設對拉螺桿（避免破壞防水層），側墻模板只能利用頂板滿堂支撐架作為側墻模板的對向水平支撐。橫向水平支撐在原有滿堂支撐架的基礎上進行加密。縱、橫向水平支撐桿步距@600，水平橫向間距@600。

3.4.2 模板及支架驗算。

3.4.2.1 荷載設計值。①混凝土側壓力。標準值：根據施工手冊查計算式如下：F=0.22γct0β1β2V1/2或F=γcH（計算結果取較小值）

式中：F為新澆混凝土對模板的最大側壓力（kN/m2）；γc為鋼筋砼的重力密度（取值25kN/m3）；t0新澆砼的初凝時間(h)；[可采用t0=200/(T+15)計算（T為砼的溫度，取T=15℃）可得t0=6.7h]；V為砼的澆筑速度（取V=1.5m/h）；H為砼側壓力計算位置處至新澆筑砼頂面的總高度（取H=7.0m）；β1為外加劑影響修正系數（砼摻外加劑取1.2）；β2為砼坍落度影響修正系數（泵送砼取1.15）

根據以上參數計算新澆筑砼產生的側壓力

F1=0.22×25×6.7×1.2×1.15×1.51/2=62.28kN/m2

F2=25×7.0=175kN/m2

砼側壓力設計值取F=F1×分項系數×折減系數

=62.28×1.2×0.9=67.26kN/m2

②傾倒砼時產生的水平荷載（查施工手冊得P1=4 kN/m2）。傾倒砼時產生的水平荷載設計值P=P1×分項系數×折減系數=4×1.4×0.9=5.04kN/m2

③荷載組合。作用于側模板上總面荷載Q=F+P=67.26+5.04=72.3kN/m2

3.4.2.2 側墻模板體系驗算。①膠合模板承載力驗算。（按五垮連續梁計算，計算跨度L=200mm），計算簡圖如下：取膠合模板單位寬度b=1000mm，厚度取值h=16mm計算(現場材料實際厚度不足18mm)。其彈性模量取值E=6500×0.9=5850N/mm2。

膠合模板截面特征：抵抗矩W=1/6×bh2=42667mm3。

慣性矩I=1/12×bh3=341333mm4。

化為線均布荷載q=Q×b/1000=72.3kN/m。

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800mm厚單面側墻模板受力簡圖 (按五跨等跨連續梁計算)

Mmax=-0.105qL2 vmax=-0.606qL ωmax=0.644（qL2*L2）/（100EI）

a.最大彎矩Mmax=0.105qL2=0.105×72.3×0.22=

0.304kN*m

產生的最大應力σmax=Mmax/W=0.304×106N*mm/

42667mm3=7.125N/mm2

膠合模板容許應力查施工手冊計算得[σ]=20/1.55

=12.9N/mm2

計算結果σmax=7.125N/mm2﹤[σ]=12.9N/mm2滿足要求。

b.最大繞度ωmax=0.644qL4/(100EI)=0.644×72.3N/

mm×2004/(100×5850×341333)=0.37mm

模板結構的容許繞度查施工手冊計算德[ω]=200/250=0.8mm

計算結果ωmax=0.37mm﹤[ω]=0.8mm滿足要求。

②模板豎向50×100木方立檔@200mm承載力驗算。（按五跨連續梁計算，計算跨度L=600mm），計算簡圖如下：取單根50×100木方進行受力計算，考慮現場材料實際尺寸不足，因此取b=40mm，h=90mm進行計算。

其彈性模量取值E=9000×0.8=7200N/mm2

50×100方木截面特征：抵抗矩W=1/6×bh2=54000mm3。

慣性矩I=1/12×bh3=2430000mm4。

化為線均布荷載q=Q×200/1000=14.46kN/m。

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5*100小木楞受力簡圖 (按五跨等跨連續梁計算)

Mmax=-0.105qL2 vmax=-0.606qL ωmax=0.644（qL2*L2）/（100EI）

a.最大彎矩Mmax=0.105qL2=0.105×14.46×0.62=

0.547kN*m

產生的最大應力σmax=Mmax/W=0.547×106N*mm/

54000mm3=10.12N/mm2

查施工手冊計算50×100方木容許應力得：

[σ]=11×0.8×1.3=11.44N/mm2

計算結果σmax=10.12N/mm2﹤[σ]=11.44N/mm2滿足要求。

b.最大繞度ωmax=0.644qL4/(100EI)=0.644×14.46N/

mm×6004/(100×7200×2430000)=0.69mm

模板結構的容許繞度查施工手冊計算德[ω]=600/250=2.4mm

計算結果ωmax=0.69mm﹤[ω]=2.4mm滿足要求。

③模板橫向2φ48×3.5鋼管橫檔@600mm承載力驗算。（按五垮連續梁計算，計算跨度L=600mm），計算簡圖如下：取2φ48×3.5鋼管進行受力計算，查施工手冊得

其彈性模量取值E=206000N/mm2

2φ48×3.5鋼管截面特征：抵抗矩W=2×5080=10160mm3

慣性矩I=2×121900=243800mm4

化為線均布荷載q=Q×600/1000=43.38kN/m

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2?準4.8*3.5鋼管大楞受力簡圖 (按五跨等跨連續梁計算)

Mmax=-0.105qL2 vmax=-0.606qL ωmax=0.644（qL2*L2）/（100EI）

a.最大彎矩Mmax=0.105qL2=0.105×43.38×0.62=

1.64kN*m

產生的最大應力σmax=Mmax/W=1.64×106N*mm/

10160mm3=161.42N/mm2

查施工手冊計算φ48×3.5鋼管容許應力得：

[σ]=205×0.9=184.5N/mm2

計算結果σmax=161.42N/mm2<[σ]=184.5N/mm2滿足要求。

b.最大繞度ωmax=0.644qL4/(100EI)=0.644×43.38N/

mm×6004/(100×206000×243800)=0.72mm

模板結構的容許繞度查施工手冊計算德[ω]=600/250=2.4mm

計算結果ωmax=0.72mm<[ω]=2.4mm滿足要求。

3.4.2.3 滿堂支撐架穩定性驗算。在本工程中，由于兩邊地通道側墻采用的單面支模進行沿槽澆筑砼，在對側墻模板定位時采用碗扣式鋼管搭設滿堂支撐架，以承受側墻砼的側壓力對滿堂支撐架的水平橫桿產生的水平推力，澆筑側墻砼時兩側采用對稱澆筑，砼澆筑時的高差不得大于50cm，以保證滿堂支撐架對稱受力，以免造成側墻模板及滿堂支撐架的整體位移。因此將滿堂支撐架作為幾何不變體系對水平橫桿進行穩定驗算。

①水平橫桿受力計算。支撐側墻模板的水平橫桿間距為@600mm×600mm，與模板2φ48×3.5鋼管水平橫檔之間采用頂托連接，則單根水平支撐橫桿所承受的力為：N=Q×0.6×0.6=72.3kN/m2×0.6m×0.6m=26.03kN。

②長細比“λ”計算。查施工手冊得λ=l0/i；l0=k1k2l01； l01=h+2a

式中：h為滿堂架水平橫桿歩距（由于承受水平推力，立桿間距為@600×600，故取值h=600mm）。a為水平支撐桿端頭伸出立桿中心線至模板支撐點的長度（取a=300mm）。k1、k2為計算長度系數（查施工手冊分別取值k1=1.243；k2=1.026）。i為φ48×3.5鋼管的回轉半徑（取值i=15.8mm）。

根據以上公式及參數計算長細比=k1k2（h+2a）/i=1.243×1.026×(600+2×300)/15.8=97。

③容許荷載計算

根據公式[N]=ψAf

式中ψ為穩定系數（根據“λ=97”查施工手冊得ψ=0.611）。A為φ48×3.5鋼管截面積（取值A=489mm2）。f為φ48×3.5鋼管設計抗壓強度（取值f=205N/mm2）。

根據以上公式及參數計算單根水平支撐容許荷載為：

[N]=ψAf=0.611×489×205=61250N=61.25kN。

計算結果N=26.03kN﹤[N]=61.25kN滿足要求。

4 結束語

通過該工程的實際施工直至完工，嚴格的按照上述要求進行實施和檢查驗收，能滿足使用要求，不存在爆模及墻體變形情況。

參考文獻:

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