滿堂式鋼管模板支撐架結構計算模型綜述

周雪梅，于海祥

（重慶建工第九建設有限公司，重慶400080）

滿堂式鋼管模板支撐架結構計算模型綜述

周雪梅，于海祥

（重慶建工第九建設有限公司，重慶400080）

該文指出了確定架體結構計算模型在滿堂式鋼管模板支撐架設計中的重要性，講述了架體結構計算模型的一般簡化過程，在分析滿堂式鋼管模板支撐架結構計算模型歷史演變的基礎上，詳細分析了現存的各種計算模型的特點，并通過各種計算模型下得到的架體穩定性的比較，指出了各種計算模型的差異。

模板支撐架；結構計算；計算模型；穩定性；施工安全

0 前言

目前在建設工程施工領域，模板支撐系統尤其是高大模板支撐系統已成為導致生產安全事故的重大危險源之一，由于模板支撐系統設計、構造不合理導致的模板支撐工程整體坍塌事故多為重大事故，模板支撐系統的設計和施工須加強管理[1]。其中，支撐架的設計中首先要解決的問題是確定合理的架體結構計算模型。

1 架體結構計算模型的重要性

模板支撐架是一種以立桿承受豎向荷載作用為主的空間桿系結構，作為臨時支撐結構，在結構設計方面與永久建筑結構相比僅有服役年限的區別。架體設計的核心工作就是選定合理簡化后的計算模型，施加足夠的外荷載，按照極限設計狀態進行結構內力和變形計算，確定架體結構是否滿足強度、剛度、穩定性的基本要求。其中結構計算的合理與否最關鍵的因素是所采取的計算模型是否合理，而從復雜的實際幾何結構中抽象出的不同的計算模型又是與各自采用的構造措施（架體節點連接強弱程度、水平桿布置、斜桿或剪刀撐布置）密切相關的。

2 架體結構計算模型的簡化

圖1是典型的滿堂式鋼管模板支撐架的空間構造圖，從圖中可以看出，不管哪種類型的鋼管架體，都是帶斜向支撐桿件的空間鋼結構梁柱框架結構，所不同的是斜桿設置方式不同，鋼管梁柱節點的連接強弱程度（節點轉動剛度）不同而已。

圖1 滿堂式鋼管模板支撐架的空間構造圖

對實際架體而言，由于節點數目多，架體實際為空間成千上萬次超靜定的空間半剛性節點框架結構，如果不做適當的簡化，將難以計算其在外載下的力學響應；雖然可以采用計算機程序按照矩陣位移法、有限單元法等數值方法進行模擬，但這無疑對現場工程師而言是不現實的。因此有必要抓住架體結構的主要受力特點，進行最大程度的簡化，以便能夠簡化為材料力學的單桿受力模型或結構力學中的連續梁模型進行分析。

圖2 滿堂式鋼管模板支撐架的計算簡圖

為此，工程師們經常選取承受線荷載較大的一榀平面框架代替整體空間框架進行計算，如圖2（a）所示，盡管如此，還是因為超靜定次數太多難以被工程師接受。既然架體為立桿受壓為主的結構，該平面結構還可進一步簡化為單根連續立桿結構，如圖2（b）所示。這樣一來空間的多次超靜定結構就簡化為一根兩端鉸接的單節間立柱，但該立柱的計算用長度與實際節間長度是不同的。

桿系結構中桿件計算長度的物理意義是將具有端部約束條件的桿件比擬為承載力相同而長度不同的兩端鉸支桿看待，也就是直桿開始彎曲時彎曲線上的兩個轉點或反彎點之間的距離，如圖2（b）。對桿件計算長度的確定，采取了把桿件和對它起約束作用的構件一起做穩定性分析，因為桿件計算長度與構造設計有密切聯系，節點連接的構造方式會影響桿件的穩定性能。

由于目前廣泛采用的扣件式、碗扣式、承插型盤扣式鋼管支撐架各自空間構造存在區別，各類架體所依據的技術規范給出的立桿計算長度系數也存在很大的區別。表1為按照相同幾何參數設計的各類鋼管架體依據現行的技術規范計算得到的立桿計算長度的對比。從表1的計算長度數據表來看，對于相同的架體布置，各類架體的計算長度系數相差甚大，且最大和最小值相差2倍以上。可見，在利用單立桿局部穩定性代替架體整體空間穩定性的做法上，針對不同的節點類型，根據不同的技術規范得到的結論存在較大差別，這種方法是否值得推廣值得商榷。

表1 各種技術規范條件下得到的立桿計算長度比較（m）

3 結構計算模型的演變

滿堂式鋼管模板支撐架這種帶斜撐構件的空間薄壁鋼結構框架采用哪種計算模型既簡單又能反映其真實受力特點一直以來是各部支撐架規范急需解決的最為核心的內容。

從上世紀90年代開始籌備編制的扣件式鋼管腳手架安全技術規程，到后來的碗扣式鋼管腳手架規程、承插型盤扣式鋼管支架技術規程，各自都圍繞其支架本身的構造特點采取了不同的單立桿計算簡化模式。2014年1月1日起執行的《建筑施工臨時支撐結構技術規程》（JGJ300-2013）采用了單元框架或單元桁架的概念，利用空間桿系模型來模擬架體的空間穩定性和局部穩定性，雖然最終的表達方式也是采用單立桿計算長度和格構柱等效計算長度，但更多的是利用鋼結構穩定分析理論從整個架體的空間構造層面進行綜合分析。縱觀這些標準，架體的計算主要有三條主線的計算模型。

3.1 單立桿計算模型

以《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》（JGJ130-2011）[1]為代表的典型的單立桿計算模型：充分考慮架體空間整體構造的單立桿節間計算長度系數模式。該模式下，穩定系數的取值完全建立在試驗基礎之上，采取了2.0以上的安全系數，并利用有限元分析模型進行校核。該計算模式下，雖然相關計算取值有試驗依托，但太過保守，行業內一直有反對意見。《建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術規程》（JGJ231-2011）[2]在一定程度上也采用了這種計算模式，但更多的采用了如下條所示的節間斜桿計算模式。

3.2 桁架壓桿計算模式

以《建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術規范》（JGJ166-2008）[3]為代表的節間斜桿計算模式，在這種模式下，由于立桿的節間設置了斜桿，直接將架體簡化為立桿節間兩端為鉸接的簡化模式。該模型由于太過理想化，實際使用中，很少設置通高斜桿，因此穩定性計算偏不安全，一經發布便引起了爭議。

表2 考慮節點轉動剛度的單元框架計算模型下架體立桿計算長度比較

3.3 考慮節點轉動剛度的空間計算模式

為充分考慮上述兩種計算模型的缺陷，新發布的《建筑施工臨時支撐結構技術規程》（JGJ300-2013）[4]采取了一種全新的計算模型：

（1）對于不設置豎向斜桿的架體，如扣件式鋼管支架以及不設置專用斜桿的碗扣式和承插型盤扣式鋼管支架，應作為框架式支撐結構。框架式支撐結構又分為有剪刀撐和無剪刀撐的框架式支撐結構，框架式支撐結構的穩定性計算考慮節點轉動剛度對架體穩定性的影響。

①對于無剪刀撐的框架式支撐結構采用基于歐拉壓桿穩定理論的單立桿穩定分析方法，按考慮風荷載時的壓彎構件與不考慮風荷載時的軸心壓桿兩種模式進行整體穩定性計算，該計算模式類似于上述第一條主線的計算模式。

②對于有剪刀撐的框架式支撐結構，則是利用單元框架的穩定性反映架體的穩定性。所謂單元框架就是由縱向和橫向的豎向剪刀撐圍成的矩形結構單元，單元框架是模板支撐架的基本計算單元。

（2）對于按照特定構造要求設置斜桿的碗扣式、承插型盤扣式鋼管支撐架則屬于桁架式支撐結構，此種計算模式下，不考慮節點的半剛性影響。單元桁架是桁架式支撐架的基本計算單元，是由4根立桿、各層水平桿以及豎向斜桿組成的平行弦桁架結構。此時應進行兩種穩定性計算：

①單元桁架的局部穩定性驗算：采用基于歐拉壓桿穩定理論的單立桿穩定分析方法，按考慮風荷載時的壓彎構件與不考慮風荷載時的軸心壓桿模式進行計算。

②單元桁架的整體穩定性驗算：將整個單元桁架看做一根豎向的格構柱，并采取等效單柱的計算長度進行壓桿整體穩定性驗算。

（3）考慮節點轉動剛度時各種類型支架穩定性比較

為比較各種不同類型的鋼管支撐架的整體穩定性，本文采用現行行業標準《建筑施工臨時支撐結構技術規范》（JGJ300-2013）考慮節點轉動剛度的計算模型，對幾何特征相同的扣件式、碗扣式、承插型盤扣式鋼管模板支撐架采用單元框架模型下的節間立桿計算長度對各類架體穩定性進行對比，各類架體的立桿計算長度如表2所示。從表中可以看出，隨著節點連接剛度的減弱，立桿計算長度增大，整體穩定性下降，因此提高節點的連接性能是保證架體穩定性的重要因素。

同時，對同樣構造的扣件式鋼管支撐架，對比表1第1項按照單立桿計算模型的計算結果和表2第1項考慮節點半剛性情況下的計算結果可以看出，兩種計算模式下得到的立桿計算長度相差20%～60%左右，可見不同的計算模式對同樣的架體得到的穩定性計算結果相差甚遠。

4 結論

滿堂式鋼管模板支撐體系作為一種臨時支撐結構，確定其簡化計算模型并進行穩定性計算是架體設計中最關鍵的一環。計算模型的沖突由來已久，幾十年來，不同的支架形式對應的技術規范都采取了不同的計算模型。這一方面是每種支架的空間構造不完全一致，比如有的設斜桿，而有的設剪刀撐，導致了框架式和桁架式兩種截然不同的計算模型；另一方面，隨著工程界在架體使用過程中對架體的受力形態和對失穩規律認識的不斷深入，從而誕生了簡單的由單立桿節間失穩向考慮節點剛度的單元框架的整體失穩的不斷發展和進步。究竟哪一種計算模型能夠在保證架體設計安全的條件下更經濟、合理，不可一概而論，需要經過理論和實踐的不斷考驗，工程界進一步完善模板支撐架安全技術的工作仍任重道遠。

[1]中國建筑科學研究院.JGJ130-2011建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[2]中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ231-2010建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[3]河北建設集團有限公.JGJ166-2008建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2009.

[4]中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ300-2013建筑施工臨時支撐結構技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2013.

責任編輯：孫 蘇

建筑知識

怎樣看建筑平面圖

1弄清建筑設計總說明

建筑設計總說明對結構設計是非常重要的，因為建筑設計總說明中會提到很多做法及許多結構設計中要使用的數據，比如：建筑物所處位置（結構中用以確定設防裂度及風載雪載），黃海標高（用以計算基礎大小及埋深樁頂標高等，沒有黃海標高，施工中根本無法施工），墻體做法、地面做法、樓面做法……等等做法（用以確定各部分荷載）。總之，看建筑設計說明時不能草率，這是結構設計正確與否非常重要的一個環節。

2建筑平面圖

建筑平面圖就比較直觀了，主要信息就是柱網布置及每層房間功能墻體布置、門窗布置、樓梯位置等。而一層平面圖在進行上部結構建模中是不需要的（有架空層及地下室等除外），一層平面圖是在做基礎時使用，至于如何真正的做結構設計本文不詳述，這里只講如何看建筑施工圖。作為結構設計師在看平面圖的同時，需要考慮建筑的柱網布置是否合理，不當之處應該講出理由，說服建筑師修改，通常不影響建筑功能及使用效果上的修改，建筑師也是會同意修改的，如果建筑師不改那就只有再看圖，看建筑平面圖，了解各部分建筑功能，結構上的活荷載取值，心中就大致有數了，了解柱網及墻體門窗的布置，柱截面大小梁高以及梁的布置也差不多有數了，反正有墻的下面一定有梁，除非是甲方自理的隔斷，輕質墻也最好是立在梁上。值得一提的是，注意看屋面平面圖，通常現代建筑為了外立面的效果，都有層面構架，通常都比較復雜，需要仔細的理解建筑師的構思，必要的時候咨詢建筑師或索要效果圖，力求使自己明白整個構架的三維形成是什么樣子的，這樣才不會出錯。另外，層面是結構找坡還是建筑找坡也需要了解清楚。

（摘自：《建筑工人》。請作者速告地址，即付稿酬。）

A Review on Calculation Model of Support Structure of Full Steel Tube Formwork

This paper points out the importance of determining the analysis model of support structure in the full steel tube formwork design and demonstrates the general simplification process of the analysis model for support structure.The characteristics of the existing different analysis model for support structure are analyzed in detail based on its development.And the differences in the calculation models are presented in accordance with the comparison of the support stability with different analysis models.

formwork support;structure calculation;calculation model;stability;construction safety

TU711

A

1671-9107（2014）02-0036-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2014.02.036

2013-11-19

周雪梅（1982-），女，重慶人，大專，工程師，主要從事施工技術研究。

于海祥（1980-），男，山東昌樂人，博士，高級工程師，，主要從事結構工程、工程力學和施工技術研究。