大荷載、高支撐設備框架模板支撐體系設計

馬步紅

陜西化建工程有限公司陜西楊凌712100

大荷載、高支撐類設備框架或各種構造梁結構在石化項目上比較常見，其結構復雜、施工難度大。根據國家有關危險性較大分部分項工程施工的管理規定，對這類結構進行施工時，必須編制安全、可靠的腳手架搭設方案，并對超高、超大荷載等腳手架設計組織專家論證，合格后方可實施。下面以延長石油煤焦油加氫項目熱高分框架基礎腳手架設計為例，介紹設計腳手架的程序、方法及應用效果。

1 工程概況

延長石油煤焦油加氫項目, 地處陜西神木縣錦界開發區安源化工廠內，其中的VCC 加氫裂化裝置為項目的核心裝置，該裝置以提酚后的煤焦油為原料，采用先進的懸浮床加氫裂化工藝技術，生產優質的石腦油、柴油等產品。

VCC 裝置內懸浮床（共3 臺，227t/ 臺）、熱高分（共1 臺，180t/ 臺）設備為該項目核心設備之一，設備安裝在框架頂板，其中懸浮床框架(SS- 02)高8m、寬8m、長22m、頂板厚1.3m，扣除安裝預留洞后, 頂板支撐架荷載為3.36t/ m2，熱高分框架(SS- 14)高28.5m，長13.2m、寬7.2 m、頂層板厚1.2 m，頂板支撐架荷載為3.64 t/ m2。根據搭設高度和模板支撐荷載，屬于超過一定規模的危險性較大的分部分項工程，按照規定要求，必須對支撐體系進行設計和論證（見圖1）。

2 設計原則

圖1 框架效果圖

根據圖紙尺寸和結構特性，確定各類技術參數，用軟件經反復計算，設計出模板支撐體系主要參數，如架體縱、橫間距、步距，并驗算安全。

3 設計流程

軟件安裝→建立項目界面→輸入相關技術參數→設計參數的調整→驗算合格→專家論證→組織實施

4 設計參數

4.1 腳手架參數

橫向間距或排距(m):0.50；縱距(m):0.50；步距(m):1.50；立桿上端伸出至模板支撐點長度(m):0.10；腳手架搭設高度(m):28.00；采用的鋼管(mm):Φ48×3.0 ；扣件連接方式:雙扣件；扣件抗滑承載力系數:0.80；板底支撐連接方式:方木支撐。

4.2 荷載參數

模板與木板自重 (kN/ m2):0.350；混凝土與鋼筋自重(kN/ m3):25.000；樓板澆筑厚度(m):1.200；傾倒混凝土荷載標準值(kN/ m2):2.000；施工均布荷載標準值(kN/ m2):1.000。

4.3 木方參數

木方彈性模量E(N/ mm2):9500.000；木方抗彎強度設計值(N/ mm2):13.000；木方抗剪強度設計值(N/ mm2):1.300；木方的間隔距離(mm):300.000；木方的截面寬度(mm):80.00；木方的截面高度(mm):100.00。

5 支撐體系計算

5.1 模板支撐方木的計算

方木的截面慣性矩I 和截面抵抗矩W 分別為:

圖2 方木楞計算簡圖

5.1.1 荷載的計算

鋼筋混凝土板自重(kN/ m)：q1=25.000×0.300×1.200=9.000 kN/ m；

模板的自重線荷載(kN/ m):q2=0.350×0.300=0.105 kN/ m；活荷載為施工荷載標準值與振倒混凝土時產生的荷載(kN):p1 = (1.000+2.000)×0.500×0.300 = 0.450 kN。

5.1.2 強度計算

最大彎矩考慮為靜荷載與活荷載的計算值最不利分配的彎矩和，計算公式如下:

均布荷載q=1.2×(9.000+0.105) =10.926kN/ m；

集中荷載p=1.4×0.450=0.630kN；

最大彎距M=Pl/ 4 + ql2/ 8=0.630×0.500/ 4+10.926×0.5002/ 8=0.420kN.m；

最大支座力N=P/ 2+ql/ 2=0.630/ 2+10.926×0.500/ 2=3.047kN；

截面應力σ=M/ w=0.420×106/ 133.333×103=3.151N/ mm2；

方木的計算強度為3.151 N/ mm2小于13.0 N/ mm2, 滿足要求。

5.1.3 抗剪計算

最大剪力的計算公式如下: Q=ql/ 2+P/ 2

截面抗剪強度必須滿足: T=3Q/ 2bh＜ [T]

其中最大剪力:Q=0.500×10.926/ 2+0.630/ 2=3.047 kN；

截面抗剪強度計算值 T=3×3046.500/ (2×80.000×100.000)=0.571N/ mm2；

截面抗剪強度設計值[T] =1.300N/ mm2；

方木的抗剪強度為0.571 小于1.300，滿足要求。

5.1.4 撓度計算

最大彎矩考慮為靜荷載與活荷載的計算值最不利分配的撓度和，計算公式如下:

均布荷載q=q1+q2=9.000+0.105=9.105 kN/ m；

集中荷載p=0.450kN；

最大變形 V= 5×9.105×500.0004/ (384×9500.000×6666666.67)+450.000×500.0003/ (48×9500.000×6666666.67)=0.135mm；

方木的最大撓度0.135 小于500.000/ 250,滿足要求。

5.2 木方支撐鋼管計算

支撐鋼管按照集中荷載作用下的三跨連續梁計算；

集中荷載P 取縱向板底支撐傳遞力，P=10.926×0.500+0.630=6.093kN；

圖3 支撐鋼管計算簡圖

圖4 支撐鋼管計算剪力圖(kN)

最大彎矩Mmax=0.527kN.m; 最大變形Vmax=0.304 mm；最 大 支 座 力 Qmax=10.804kN； 截 面 應 力 σ=0.527 ×106/ 4490.000=117.282 N/ mm2；

支撐鋼管的計算強度小于205.000 N/ mm2,滿足要求。

支撐鋼管的最大撓度小于500.000/ 150 與10 mm,滿足要求。

5.3 扣件抗滑移的計算

按照扣件抗滑承載力系數0.80，該工程實際的旋轉雙扣件承載力取值為12.80kN 。縱向或橫向水平桿傳給立桿的豎向作用力設計值R=10.804kN；

R＜12.80kN,所以雙扣件抗滑承載力的設計計算滿足要求。

5.4 模板支架荷載標準值(軸力)

（1）作用于模板支架的荷載包括靜荷載、活荷載和風荷載

靜荷載標準值包括以下內容：

腳手架的自重(kN)：NG1=0.129×28.000=3.615 kN；

模板的自重(kN)：NG2=0.350×0.500×0.500=0.088 kN；

鋼筋混凝土樓板自重(kN)：NG3=25.000×1.200×0.500×0.500=7.500kN；

經計算得到，靜荷載標準值NG=NG1+NG2+NG3=11.202kN。

（2）活荷載為施工荷載標準值與振倒混凝土時產生的荷載

經計算得到，活荷載標準值NQ=(1.000+2.000)×0.500×0.500=0.750kN。

（3）不考慮風荷載時,立桿的軸向壓力設計值計算公式

5.5 立桿的穩定性計算

立桿的穩定性計算公式:

立桿計算長度Lo=k1uh=1.155×1.700×1.500=2.945m；

Lo/ i=2945.250/ 15.900=185.000；

由長細比Lo/ i 的結果查表得到軸心受壓立桿的穩定系數Φ=0.209 ；

鋼管立桿受壓強度計算值：σ=14492.760/ （0.209×424.000）=163.546 N/ mm2；

立桿穩定性計算σ=163.546 N/ mm2小于[f] =205.000，滿足要求。

6 施工控制要點

（1）依據建設部關于印發《危險性較大的分部分項工程安全管理辦法》的要求，認真編腳手架搭設專項方案，經總包組織專家論證后組織實施;

（2）腳手架搭設前，嚴格落實技術交底制度，將論證后的搭設方案向作業班組交待清楚，要求操作工人簽字確認并書面下發，以便班組施工中有搭設依據;

（3）在施工過程中，技術和安全管理人員要實施監控，確保設計方案不折不扣的落到實處，對搭設材料也要嚴格檢查、驗收，嚴禁未經驗收或驗收不合格的材料投入使用，從源頭上控制施工質量，確保施工安全;

（4）精心設計混凝土澆筑方案，確保模板支架施工過程中均衡受載，最好采用由中部向兩邊擴展的分層澆筑方式；

（5）嚴格控制實際施工荷載不超過設計荷載，對出現的超過最大荷載要有相應的控制措施，鋼筋等材料不能在支架上方堆放；

（6）在框架砼澆筑過程中，要派人檢查支架和支承情況，發現下沉、松動和變形情況及時解決。

7 結論

延長石油安源化工項目中懸浮床和熱高分兩大關鍵設備框架，通過快捷、精確的軟件設計和科學、周密的實施，砼澆筑后，腳手架安全平穩，未發現任何變形，按期實現了主體封頂，為下一步設備順利安裝創造了條件。

1 建筑施工手冊 2003年9月 第四版

2 建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范 JGJ130- 2011

3 軟件使用說明

4 延長石油安源化工煤焦油加氫項目VCC 裝置建筑結構施工圖紙