碗扣式鋼管支架及模板的設計和計算

李　芳

(北京市交通委員會路政局門頭溝公路分局, 北京 102300)

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碗扣式鋼管支架及模板的設計和計算

李芳

(北京市交通委員會路政局門頭溝公路分局, 北京 102300)

【摘要】文章通過在建工程模板支架的坍塌事故引出應正確運用規范標準設計碗扣式鋼管支架的議題。通過對相關規范和標準的分析，指出了如何選擇荷載及其組合和如何選擇計算公式及其相應的系數，又通過工程實例詳細介紹了支架的設計計算，以合理的設計確保模板支架的安全使用。

【關鍵詞】模板支架；碗扣式腳手架；工程實例；設計；安全

建筑施工中每年都發生多起因模板支架不安全引起在建工程坍塌的事故，可見模板支架是建筑工程領域發生安全事故的重大危險源，必須嚴格控制。如何確保模板支架體系的安全，成為建筑施工安全管理的重點和難點?，F結合工程實例，詳細介紹如何依據規范和標準設計和計算碗扣式鋼管支架和模板，確保在建工程不因鋼管支架和模板的承載力不足而坍塌。

1工程實例概況

某橋梁全長107 m，橋梁全寬9.5 m，上部結構為4孔(22+28×2+22) m連續現澆C50預應力混凝土箱梁，下部結構為柱式橋墩、肋板式橋臺，鉆孔灌注樁基礎。橋墩上無蓋梁，橋臺肋板上為蓋梁?，F澆箱梁長100 m，梁高1.6 m，橫斷面為單箱單室，頂板寬9.5 m，底板寬4.5 m，腹板寬0.68 m；每跨跨中設一橫隔板，厚度均為0.5 m，端橫梁梁寬1.2 m，中支點橫梁寬2 m。

2荷載的選取與組合

在JGJ 162-2008《建筑施工模板安全技術規范》、JGJ 166-2008《建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術規范》和JTG/T F50-2011《公路橋涵施工技術規范》中都分別有相關規定，但荷載的名稱和組合稍有差異，不利于直接引用，現結合工程實踐經驗綜合規范做一匯集。

2.1荷載的種類和取值

模板、支架的設計應考慮的各項荷載如下：

(1)模板、支架自重G1k；“應根據模板及支撐架施工設計方案確定。10 m以下的支撐架可不計算架體自重”[1]；碗扣式鋼管腳手架主要構配件質量可由規范JGJ 166-2008中“表3.2.5主要構配件種類、規格及質量”查得；

(2)新澆鋼筋混凝土自重G2k；“對普通鋼筋混凝土可采用25 kN/m3，對特殊混凝土應根據實際情況確定”[1]；

(3)施工人員及設備、材料等荷載Q1k；規范JGJ 166-2008中模板支撐架的“按均布活荷載1.0 kN/m2”[2]；規范JGJ 162-2008中“當計算模板和直接支撐模板的小梁時，均布活荷載可取2.5 kN/m2，再用集中荷載2.5 kN進行驗算，比較兩者所得的彎矩取其大值；當計算直接支撐小梁的主梁時，均布活荷載標準值可取1.5 kN/m2；當計算支架立柱及其它支撐結構構件時，均布活荷載標準值可取1.0 kN/m2(與JGJ 166-2008中的一致)”[2]；

(4)澆筑和振搗混凝土時產生的荷載Q2k；規范JGJ 166-2008中模板支撐架的“可采用1.0 kN/m2”[1]；規范JGJ 162-2008中“對水平面模板可采用2 kN/m2，對垂直面模板可采用4 kN/m2，且作用范圍在新澆筑混凝土側壓力的有效壓頭高度之內”[2]；

(6)設于水中的支架所承受的水流壓力、波浪力、流冰壓力、船只及其它漂流物的撞擊力Q6；

(7)其它可能產生的荷載，如風荷載(wk)、雪荷載、冬季保溫設施荷載等Q7；風荷載可由規范JGJ 166-2008中“4.3 風荷載”里公式“wk=0.7μzμsw0”確定，而規范JGJ 162-2008中的風振系數βz=1而不是0.7，為安全起見可采用βz=1。

2.2荷載的組合

2.2.1極限狀態

(1)對于承載能力極限狀態，應按荷載效應的基本組合采用，并應采用“γ0S≤R”設計表達式進行模板設計，式中γ0為結構重要性系數，其值按0.9采用(符合臨時結構要求)。

(2)對于正常使用極限狀態應采用標準組合，并應按“S≤C”設計表達式進行設計。

2.2.2荷載效應組合的設計值S

在不同的規范里有不同的公式，詳見表1。

規范JGJ 162-2008中的公式由來應是國標《建筑結構荷載規范》，因此準確的公式應是GB 50009-2012的公式。

2.2.3荷載組合

在不同的規范里有不同的公式，詳見表2。

表1　 荷載效應組合的設計值S

表2　不同的規范里的荷載組合公式

由國標GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》可知，JTG/T F50-2011《公路橋涵施工技術規范》中的荷載組合是較全面和正確的。

3實例計算

根據工程實例，選取中支點h×b=1 600 mm×2 000 mm橫梁為例，設定一些條件進行計算設計。在設計時先設定支架間距進行驗算，根據驗算結果相應調整間距滿足極限狀態和構造要求，這樣計算較為簡便。

梁底主梁擬采用橫向擺放的150 mm×150 mm方木，間距是900 mm；小梁擬用縱向的100 mm×100 mm方木，間距是200 mm；木材抗彎強度設計值fm=11 MPa，抗壓和承壓強度設計值fc=10 MPa，順紋抗剪強度設計值fv=1.4 MPa，木材彈性模量E=1.0×104MPa，木材自重6 kN/m3。 模板擬用15 mm厚混凝土用膠合板。

滿堂碗扣式鋼管支架采用標準φ48 mm×3.5 mm鋼管，支架立桿橫向間距0.6 m、縱向間距0.9 m。

以架體高度是否超過10 m和有無水平荷載(主要是風荷載)分為4個計算模型：架體高度不超過10 m和無水平荷載、架體高度不超過10 m和有水平荷載、架體高度超過10 m和無水平荷載以及架體高度超過10 m和有水平荷載?，F以架體高度不超過10 m和無水平荷載以及架體高度超過10 m和有水平風荷載為例設計計算。

3.1架體高度不超過10 m和無水平荷載

設支架高度8 m，立桿采用LG-120,則步距為h=1.2 m，可調托撐采用KTC-60則立桿伸出頂層水平桿長度a=0.4 m，可調底座KTZ-60高0.4 m；架體剪刀撐等構造措施均滿足規范要求。

3.1.1荷載計算

G1k=0.04+6×(3×0.1×0.1×0.9+0.15×0.15×0.6)÷(0.6×0.9)=0.49 kN/m2；

梁的鋼筋含量一般都不小于2 %，自重取26 kN/m3，G2k=1.6×26=41.6 kN/m2；

Q1k取1.0 kN/m2，Q2k采用1.0 kN/m2，其余荷載均為0。

由永久荷載控制：N=1.35×(0.49+41.6)+1.4×0.7×(1.0+1.0)=56.821+1.96=58.781 kN/m2；

中間每根立桿的荷載范圍為0.6 m寬和0.9 m長，則S=N×0.6×0.9=58.781×0.6×0.9=31.742 kN。

3.1.2立桿承載力計算

以立桿最上一節為計算桿件。

由γ0S≤R和N≤φAf得0.9S≤φAf：

若支架采用舊鋼管，則28.6 kN≤57.9×0.85=49.3 kN，仍滿足要求。

3.1.3底托下鋪木板承載力計算

單桿最大壓力為28.6 kN，底托底面積：15×15=225 cm2。

底托下傳壓強：σ1=28.6×1000÷22500=1.27 MPa<0.95fc=0.95×10=9.5 MPa滿足使用要求。

3.1.4地基承載力計算

支架立柱下鋪4 m×0.25 m×0.05 m木板，每塊木板上(4 m長)支撐7根柱腿。

單柱荷載：P=28.6 kN木板下傳壓強：

fg=7×28.6×1000÷(4×0.25)+6×1000×0.05≈0.20×106Pa=0.20 MPa

基礎使用壓路機碾壓密實后澆筑10 cm厚C20混凝土，抗壓強度遠大于木板下傳壓強0.20 MPa，故能滿足使用要求。

3.2架體高度超過10 m和有水平荷載

設支架高度11 m，立桿采用LG-120,則步距為h=1.2 m，可調托撐采用KTC-45則立桿伸出頂層水平桿長度a=0.1 m，可調底座KTZ-45高0.1 m；架體剪刀撐等構造措施均滿足規范要求。

3.2.1荷載計算

3.2.1.1模板體系

G1k=0.04+6×(3×0.1×0.1×0.9+0.15×0.15×0.6)÷(0.6×0.9)=0.49 kN/m2；G2k=41.6 kN/m2；

Q1k取1.0 kN/m2，Q2k采用1.0 kN/m2，其余荷載均為0。

由永久荷載控制：N=1.35×(0.49+41.6)+1.4×0.7×(1.0+1.0)=56.754+1.96=58.781 kN/m2；

中間每根立桿的荷載范圍為0.6 m寬和0.9 m長，則

S=N×0.6×0.9=58.781×0.6×0.9=31.742 kN·m。

3.2.1.2支架

碗扣式鋼管支架構配件的質量由JGJ 166-2008表3.2.5可得：立桿LG-120(φ48×1200)7.05 kg，橫桿HG-60(φ48×600)2.47 kg、HG-90(φ48×900)3.63 kg，可調托撐KTC-45(T38×6)7.01 kg、可調底座KTZ-45(T38×6)5.82 kg。

3.2.1.3風荷載

基本風壓取北京市R=10的0.3 kN/m2，地面粗糙度按B類考慮則取風壓高度變化系數μz=1.00，風荷載體形系數取μs=1.3φ0=1.3×0.8=1.04(依據JGJ 166-2008第4.3.2條1取值)，則

wk=βzμsμzw0=1.0×1.04×1.00×0.3=0.312 kN/m2

梁高1.6 m，梁底模板、方木梁高和托撐高0.015+0.1+0.15+0.1=0.365 m，設梁上安全護欄高1.2 m，則：

w=1.2×0.9w0=1.2×0.9×0.312=0.337 kN

w1=(1.6+0.365+1.2)×0.9w0=3.165×0.9×0.312=0.889 kN

wv1=2w1=2×0.889=1.778 kN

ws1=2.236w=2.236×0.889=1.988 kN

3.2.2立桿承載力計算

最下一節下端面受力最大。

N2為支架自重；Qw為風荷載。

Nmax=S+N2+Qw

=31.742+1.566+7.027=40.335 kN

由γ0S≤R和N≤φAf得0.9S≤φAf：

若支架采用舊鋼管，則36.30 kN≤74.68×0.85=63.48 kN，仍滿足要求。

3.2.3底托下鋪木板承載力計算

單桿最大壓力為36.30+0.9×1.35×5.82×9.8÷1000=36.37 kN，底托底面積：15×15=225 cm2。

底托下傳壓強：σ1=36.37×1000÷(225×100)=1.62 MPa<0.95fc=0.95×10=9.5 MPa滿足要求。

3.2.4地基承載力計算

支架立柱下鋪400 cm×25 cm×5 cm木板，每塊木板上(4 m長)支撐7根柱腿。

單柱荷載：P=36.37 kN

木板下傳壓強：

fg=7×36.37×1000÷(4×0.25)+6×1000×0.05=0.25×106Pa=0.25 MPa。

基礎使用壓路機碾壓密實后澆筑10 cm厚C20混凝土，抗壓強度遠大于木板下傳壓強0.25 MPa，故能滿足使用要求。

3.2.5斜桿扣件連接強度驗算

4預壓

4.1支架預壓

依據JGJ/T 194—2009《鋼管滿堂支架預壓技術規程》第5.2.1條“支架預壓荷載不應小于支架承受的混凝土結構恒載與模板重量之和的1.1倍”[3]和第5.2.2條“支架預壓區域應劃分成若干預壓單元，每個預壓單元內實際預壓荷載強度的最大值不應超過該預壓單元內預壓荷載強度平均值的110%。每個預壓單元內的預壓荷載可采用均布形式”[3]，可知預壓荷載不小于支架承受的混凝土結構恒載與模板重量之和的1.1×110%=1.21倍。

4.1.1架體高度不超過10 m和無水平荷載

N=0.9×56.781×0.6×0.9=27.60 kN，取預壓荷載是1.3N=35.87 kN，是承載力的35.87÷49.3×100%=73%，大于施工時的受力28.6 kN，達到超載預壓檢驗目的。

4.1.2架體高度超過10 m和有水平荷載

N=27.60+0.9×1.35×9×(2.47+3.63+7.05)×9.8÷1000=29.01 kN，取預壓荷載是1.3 N=1.3×29.01=37.71 kN，是承載力的37.71÷63.48×100%=59%，是施工受力36.30 kN的104%，超載預壓檢驗不明顯，宜適當增大預壓荷載。

若預壓荷載取支架承受的混凝土結構恒載與模板重量之和的1.3倍，不會超出支架承載力，支架是安全的。

4.2支架基礎預壓

依據JGJ/T 194—2009《鋼管滿堂支架預壓技術規程》第4.2.1條“支架預壓荷載不應小于支架基礎承受的混凝土結構恒載與鋼管支架、模板重量之和的1.2倍”[3]，當預壓荷載是支架基礎承受的混凝土結構恒載與鋼管支架、模板重量之和的1.3倍時：

4.2.1架體高度不超過10 m和無水平荷載

fg=7×35.87×1000÷(4×0.25)+6×1000×0.05≈0.25×106Pa=0.25 MPa，超過施工時0.20 MPa的125%，達到超載預壓檢驗目的。

4.2.2架體高度超過10 m和有水平荷載

fg=7×37.71×1000÷(4×0.25)+6×1000×0.05≈0.26×106Pa=0.26 MPa，是施工時0.25 MPa的104%，超載預壓檢驗不明顯，宜適當增大預壓荷載。

預壓不會超出基礎承載力，基礎是安全的。

5結束語

模板和碗扣式鋼管支架在不同的規范和標準里有不同的設計計算荷載、系數和公式，應依據規范和標準的等級和效力確定；荷載效應以荷載最不利組合比較確定最大值，選取適當大的預壓荷載達到預壓效果。

參考文獻

[1]JGJ 166-2008 建筑施工碗扣式腳手架安全技術規范[S].

[2]JGJ 162-2008建筑施工模板安全技術規范[S].

[3]JGJ/T 194-2009鋼管滿堂支架預壓技術規程[S].

【文獻標志碼】B

【中圖分類號】TU731.2

[作者簡介]李芳(1984～)，女，碩士研究生，工程師，主要從事路橋施工、路橋檢測造價等方面工作。

[定稿日期]2015-10-26