高密模板支撐架施工超厚混凝土關鍵技術問題分析

楊 帆，李林山，夏志強

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都 610081)

1 問題的引入

白鶴灘水電站左岸尾閘室豎井混凝土使用高密模板支撐架作為混凝土澆筑承重排架，實現了采用排架承重的情況下一次性混凝土澆筑厚度達6．9m的創舉，遠遠突破了現行規范——《扣件式鋼管腳手架規范》［1］對于使用承重排架進行混凝土澆筑的最大厚度的限制，取得了良好的經濟效益。但在實際運用時，模板支撐架仍存在諸多不確定因素:①排架設計因人而異，排架搭設及其使用規范性不夠;②沒有形成一套完整的、適用于水利水電工程建筑的規范和管理體系;③對混凝土澆筑速度要求較嚴格;④模板拉筋的布置要求以及拉筋與排架間的受力分配;⑤合理進行施工通道布置;⑥連墻件形式選擇不一。盡管該法存在上述不確定因素，但在工期緊張，采用其他澆筑手段施工成本較大的情況下，仍不失為一個很好的方法。筆者結合白鶴灘水電站左岸尾閘室混凝土襯砌澆筑中成功運用的承重排架，把本次施工中的關鍵要素進行了系統總結，可供類似工程參考。

2 工程實例

2．1 工程概況

白鶴灘水電站左岸尾水隧洞檢修尾閘室長250m，最大高度87．025m，共布置4個尾水閘門井，單個閘門井長 23．7m，寬 9．1 ～10．2m，澆筑高度62m，共分為10層澆筑，其中頂拱以下共分3層，分層高度為2～16．6m，為導流洞與尾閘井交叉段，采用模板支撐架進行混凝土澆筑施工。若考慮混凝土在澆筑期間達不到初凝狀態，則鋼模板上約承受6．9m厚混凝土壓力，發生在起拱位置。如此超大厚度的混凝土澆筑施工，對模板支架的承載力要求非常高。普通模板支撐架立桿間距一般為 0．9 ～1．2m，步距一般在 1．2 ～1．8 m，若按普通模板支撐架設計，結構穩定性就不能滿足承載力要求。為此，在排架設計時，采取“小跨距、低步距”加密措施，立桿間距為0．6m×0．75m，步距為0．9m，形成“高密”模板支撐架。

2．2 設計參數

針對尾閘井下部現場實際情況，高密模板支撐架的設計參數如下:

(1)架管采用 φ48．3 ×3．6mm 鋼管，搭設高度22m(高程574～596m)，詳見圖1。

(2)立桿步距 h=0．9m。

(3)立桿間距:縱距(沿導流洞洞軸線方向)la取0．6 ～0．9m，承重部位為0．6m，不承重部位為0．9m，兩側延伸至頂拱加載區投影范圍4跨，延伸部位的立桿間距為0．75m。橫距(垂直于導流洞洞軸線方向)lb取為0．75m。

(4)靠邊墻內立桿距離導流洞邊墻50cm、掃地桿距離地面20cm設置。

(5)連墻件:連墻件采用調節螺栓與導流洞左右側邊墻抵死，從底層一步一跨布置。

(6)爬梯:爬梯從導流洞上游面設置，爬梯與地面的角度為30°～45°，爬梯一直延伸至頂拱附近。爬梯步距不超過30cm，踏步采用焊接鋼踏或并排架管，扶手兩側均設置安全防護網。

(7)拋撐:本高密模板支撐架搭設時考慮到沿導流洞水流方向上下游為臨空面，采用拋撐進行支撐，后期則視情況拆除。

圖1 尾閘室混凝土承重排架結構設計示意圖

(8)剪刀撐:垂直于水流向設置6排橫向剪刀撐，間距3～4．35m，寬3．75m。平行于水流向設置5 排縱向剪刀撐，間距3．75 ～4．5m，寬3．75 m。在水平面上，最底層設置一道水平剪刀撐，門洞上部一層設置一道水平剪刀撐，往上每隔5．4 m設置一層剪刀撐，寬3．75m。剪刀撐采用旋轉扣件固定在與之相交的水平桿或立桿上，旋轉扣件中心線至主節點的距離不宜大于150mm。所有剪刀撐角度均在45°～60°之間。

(9)本承重架位于左岸尾閘室導流洞內(不考慮風壓力)。

(10)立桿支撐面:對地面清理后，沿水流方向按立桿間距布置平［10槽鋼，立桿放置在槽鋼內部。

(11)立桿縱距承重部位為0．6m，非承重部位為0．9m。因為承重部位立桿縱距為0．6m，故計算時縱距 la=0．6m，橫距 lb=0．75m。

3 架體設計

3．1 設計原則與架體組成

3．1．1 設計原則

設計高密模板支撐架時，應充分考慮工程進度、質量和安全要求，同時應在安全允許范圍內最大程度地降低投資成本。

(1)模板支撐架架體結構設計力求做到安全可靠，造價經濟合理。

(2)應滿足現場施工條件及施工使用時限要求，在所使用期間內具有足夠的耐久性、安全性。

(3)選用材料時，應滿足《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》JGJ130-2011的要求。

(4)結構選型時，應力求做到受力明確，構造措施到位，升降搭拆方便，便于檢查驗收。

3．1．2 架體組成

本工程使用的高密模板支撐架主要由底支座、立桿、水平桿、水平剪刀撐、垂直剪刀撐(雙向)、扣件、腳手板、安全網等部件組成。水平桿在縱橫向與立桿采用直角扣件連接。水平剪刀撐與水平桿形成45°到60°的夾角，并通過轉角扣件與立桿連接。垂直剪刀撐與立桿形成45°到60°夾角，并通過轉角扣件與立桿連接。

相對單、雙排腳手架而言，高密模板支撐架在縱橫平面尺寸相近，縱距、橫距、步距均較小，立桿數量較多。從構造上看，其空間穩定性優于單雙排腳手架，但因豎向荷載比腳手架大得多，所以豎向、水平支撐構造也較單、雙排腳手架嚴密。

3．2 主要設計要點

3．2．1 基礎設計

高密模板支撐架由于立桿受力極大，底支座如果直接座落在基礎面上，立桿底部應力過于集中，容易造成基礎塌陷或失穩，因此設計時必須對其引起足夠的重視，采取有效的減壓措施對立桿底部進行減壓。本工程立桿底部均采用［10槽鋼作為墊板，增大了立桿與新澆混凝土面的受力面積，有效減小了立桿對基礎的壓力。

3．2．2 掃地桿與頂層橫桿的設計

掃地桿、頂層橫桿是加強立桿整體穩定性、增強水平向連接強度的構件。從力學角度上看，掃地桿和頂層最后一根橫桿本質上屬于同種受力構件，在不考慮排架架體內力的情況下，排架是一個整體受力結構，假設將排架整體翻轉180°，原來的掃地桿即為翻轉后的頂層橫桿，因此，這兩者的受力狀態和形式是一致的。為了讓設計人員、施工管理人員有一個量化認識，體會掃地桿、頂層橫桿的重要性，筆者在文中引用了沈勤［2］等人的研究成果(圖2)。

圖2 掃地桿設置對結構承載力影響示意圖

從圖2中可以看出，掃地桿的設置對整個架體的穩定承載力起著重要作用，若不設置掃地桿或掃地桿設置過高，將大大削弱支架的承載能力，故高密模板支撐架掃地桿應采用直角扣件固定在距鋼管底端不大于20cm處的立桿上。本工程取值亦為20cm。

3．2．3 立桿設計

《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》JGJ130-2011允許單雙排架、滿堂腳手架頂層立桿與下一層立桿采取搭接方式，其余立桿均采用對接方式。但對于高密模板支撐架來說，偏心距產生的彎矩極大，不容忽略。因此，任何一根立桿都不宜采取搭接方式。

3．2．4 水平桿設計

水平桿分為縱向水平桿和橫向水平桿。對于施工排架，無論是單雙排架還是滿堂施工架，水平桿既可對接，也可搭接。對于高密模板支撐架，水平桿的連接方式應根據其具體受力情況而定。

當水平向受到軸向力時，應采用對接。垂直于尾閘室邊墻的水平桿盡管采用調節螺桿與巖壁抵死，但在邊墻澆筑混凝土時，其將產生側向壓力，側壓力經模板傳遞至調節螺桿再轉移到垂直于邊墻上的水平桿上，此時該桿應作為軸心受壓構件考慮，其受力機理和立桿是一致的，應進行荷載計算。

3．2．5 連墻件

通過調節螺桿與邊墻固定牢靠，逐層逐跨布置，當有側墻混凝土時，調節螺桿一方面作為軸心受壓構件，在澆筑時將混凝土側壓力傳遞到橫桿上，澆筑后可作為與墻體連接構件，用以提高架體整體穩定性。

3．2．6 剪刀撐

剪刀撐斜桿的接長應采用搭接，搭接長度不應小于1m，并采用3個旋轉扣件固定。端部扣件蓋板的邊緣至桿端距離不應小于100mm。剪刀撐斜桿應用旋轉扣件固定在與之相交的橫向水平桿的伸出端或立桿上，旋轉扣件中心線至主節點的距離不應大于150mm。

根據規范要求，本模板支撐架立桿縱、橫距為(0．6 ×0．6)m ～(0．9 ×0．9)m 時，在架體外側周邊及內部縱橫向每隔5跨應由底層至頂層設置連續豎向剪刀撐，剪刀撐與外側全立面連續設置剪刀撐。

本模板支撐架橫向設置6排剪刀撐，間距3～4．35m，寬3．75m?？v向設置5 排剪刀撐，間距3．75 ～4．5m，寬3．75m。水平面上，底層設置一道水平剪刀撐，門洞上部一層設置一道水平剪刀撐，往上每隔5．4m設置一道剪刀撐，寬3．75 m。

4 高密模板支撐架的計算要點

4．1 鋼管參數的確定

盡管在新的《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》JGJ130-2011中取消了φ51×3鋼管，將原規范(JGJ130-2001)中φ48×3．5的腳手架用鋼管改為φ48．3×3．6，但目前受建筑市場規范度不夠，φ48×3．5的標準鋼管購置和租賃較為困難，φ48．3×3．6的鋼管更不多見，市場上多為壁厚2．8～3mm不等的φ48鋼管。在對不同規格的鋼管進行比對分析后，算出壁厚2．8mm和3．5mm的φ48鋼管截面積、慣性矩、截面模量相差約16% ～20%。根據計算公式，在荷載和步距等相同的情況下，不同鋼管的水平桿抗彎強度、立桿穩定承載力相差較大。因此，腳手架承載力的計算必須有針對性，不能簡單的按規范要求套用鋼管參數，否則極可能導致承載力不足而發生腳手架坍塌事故。

4．2 計算時主要荷載的選擇

基本荷載主要包括:

(1)模板及圍囹自重，可取值3kN/m2;

(2)新澆混凝土自重，通?？砂?4～25kN/m3選取;

(3)鋼筋重量，通常按1kN/m計算;(4)施工均布荷載，可取值2kN/m2;(5)振搗混凝土產生的荷載，可取值1kN/m2;

(6)新澆混凝土側壓力與混凝土振搗、澆筑速度、凝固速度等因素有關，計算時，一般認為混凝土處于流體狀態;

(7)特殊荷載:風荷載，可按照《建筑結構荷載規范》GB20009-2012取值，洞內可不考慮風荷載的影響。

橫向模板荷載組合為(1)+(2)+(3)+(4)+(5)+立桿每延米計算自重，豎向模板荷載組合為(5)+(6)。

4．3 支撐架立桿需要驗算的部位

按照規范規定的構造所搭設的滿堂架，在極限荷載作用下，其可能的破壞形式分為三種:以水平剪刀撐設置層為反彎點沿剛度較弱方向的架體“S”型大波整體失穩，架體較大步距間立桿段的局部彎曲失穩以及頂步距立桿段的局部彎曲失穩［1］。因此，對于立桿的整體、步距較大處的受力單元、立桿頂部及底部懸伸段均需進行受力計算。通常情況下，架體的極限承載力由架體大波整體失穩時的承載力值確定。當架體的步距過大時，其立桿段的穩定承載力可能低于整體失穩時的承載力。當滿堂架的頂步距過大或頂步距以上立桿懸伸長度過大，其立桿段的穩定承載力可能低于整體失穩時的承載力。

4．4 高密模板支撐架立桿計算長度

以不組合風荷載為例，立桿穩定性的計算公式為:

式中 φ為軸心受壓構件的整體穩定系數，由考慮腳手架整體穩定因素的換算長細比λo查表確定;N為軸向力;A為材料截面積;f為鋼管抗壓強度;lo為立桿計算長度;i為慣性半徑;k為滿堂支撐架立桿計算長度附加系數;h為步距;a為立桿伸出頂層水平桿中心線至支撐點的長度，應≯0．5 m，當0．2m＜a＜0．5m 時，按線性插入值確定;u1、u2為考慮滿堂支撐架整體穩定因素的單桿計算長度系數。

按照以上步驟，可以驗算所計算部位立桿的穩定性，所得lo取較大值。

5 結論與展望

5．1 結 論

(1)為了有效減少偏心距對架體結構的不利影響，模板支撐架立桿必須采用對接扣件連接，與邊墻垂直的水平桿由于受到軸心側壓力，亦應采用對接扣件。

(2)高密模板支撐架在進行超高超厚(大于1．5m)混凝土施工時，基礎應采用降壓措施，如采用墊板或墊槽鋼等手段，以緩減基礎壓力。

(3)模板與立桿頂部應通過調節螺桿傳力，以便于對模板體型進行微調，同時可確保立桿不受偏心荷載的影響。

(4)在現場條件允許的情況下，合理增設承重模板拉模筋，通過拉筋與排架聯合承載，可大大提高排架的安全系數。

(5)合理的澆筑速度是確保模板支撐架整體穩定的重要因素，在進行排架設計時需考慮該因素并提出控制指標。

5．2 展 望

本工程使用的高密模板支撐架各參數均經過合理的設計及驗算，施工過程中也非常重視安全問題，取得了良好的經濟效益。但模板支撐架形式不一，不確定因素較多，且本工程使用的地點均在洞內，并沒有考慮風荷載帶來的不利影響;另外，由于混凝土初凝產生的拱效應也無法準確進行度量，僅把該部分作為安全貯備。目前有關模板支撐架的計算理論尚不完善，在設計時，合理的簡化、嚴格地把握設計、施工程序、施工過程實時監控，是目前確保施工安全的主要手段。隨著新型腳手架、模板支架體系和計算機軟件的進一步發展，將促使這一領域逐步實現標準化。

［1］ 建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范，JGJ130-2011［S］．

［2］ 沈 勤，胡長明，車佳玲．搭設參數對扣件式鋼管模板支架整體穩定性影響的數值分析［J］．工業建筑，2005，40(2):7-11．

［3］ 陳斌，金志高，李繼剛．腳手架與模板支架安全計算中若干問題的探討［J］．四川建筑科學研究，2008，34(5):189-191．

［4］ 混凝土結構工程施工質量驗收規范，GB50204-2002)［S］．