高大模板支架施工安全技術(shù)分析★

董 鋼 劉蘭清 曹得豪 陳至賢 司啟亮 張夢(mèng)想

(合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

1 概述

隨著建筑技術(shù)進(jìn)步，建筑結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，高凈空、大跨度建筑物日益普遍。為適應(yīng)大跨度高凈空鋼筋混凝土建筑的建筑安裝，混凝土模板支撐腳手架的架設(shè)高度和跨度也相應(yīng)增大，形成了高大模板支架(高支模)。十幾年來(lái)，高支模在搭設(shè)、使用及拆卸過(guò)程中倒塌事故時(shí)有發(fā)生，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成了極大的損失[1,2]，其使用的安全性受到人們廣泛關(guān)注。建設(shè)管理部門(mén)將高支模列為危險(xiǎn)性較大的分部分項(xiàng)工程，并給出嚴(yán)格界定[3,4]：搭設(shè)高度8 m及以上，或搭設(shè)跨度18 m及以上，或施工總荷載15 kN/m2及以上，或集中線荷載20 kN/m及以上的模板支撐系統(tǒng)定義為高支模。《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》規(guī)定[5]：“模板工程應(yīng)編制專(zhuān)項(xiàng)施工方案。滑模、爬模等工具式模板工程及高大模板支架工程的專(zhuān)項(xiàng)施工方案應(yīng)進(jìn)行技術(shù)論證”，進(jìn)一步加強(qiáng)房屋建筑工程“高支模”施工安全防范和監(jiān)督。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)建筑施工中支模架特別是高大支模架的倒塌事故頻繁發(fā)生，從住建部公布的2014年—2019年全國(guó)房屋市政工程生產(chǎn)安全較大及以上事故通報(bào)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可以看出[6]:隨著國(guó)家各級(jí)主管部門(mén)、行業(yè)主體對(duì)該問(wèn)題的重視，相繼規(guī)范修訂等技術(shù)措施的出臺(tái)，模板支撐倒塌事故有所減少，從調(diào)查統(tǒng)計(jì)中可以看出模板支撐倒塌事故數(shù)量2016年前后有明顯差異。但調(diào)查數(shù)據(jù)顯示單次模板倒塌事故造成的人員財(cái)產(chǎn)傷亡仍然很大，群死群傷的重大惡性事故仍然是模板倒塌事故的主要特征。總結(jié)事故原因，加強(qiáng)對(duì)高支模安全技術(shù)的分析和理解，對(duì)避免該類(lèi)事故發(fā)生具有重要意義。

2 引起高支模倒塌的主要原因

近年來(lái)鋼管支架已成為高支模普遍采用的形式，無(wú)論是扣件式、碗扣式還是承插盤(pán)式高支模架，引起其倒塌失穩(wěn)的根本原因是在高支模架拼裝、使用及拆卸時(shí)的鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問(wèn)題[6,7]。由于模板支撐屬于施工過(guò)程的支撐，其安全冗余度一般比較少，當(dāng)其中某個(gè)構(gòu)件出現(xiàn)失穩(wěn)破壞時(shí)，很容易造成架體側(cè)向位移、局部失穩(wěn)導(dǎo)致坍塌。通過(guò)對(duì)2014年—2019年高支模事故調(diào)查分析，引起高支模倒塌的主要原因如下：

1)高支模設(shè)計(jì)存在缺陷。按照相關(guān)規(guī)定和規(guī)范要求，在設(shè)計(jì)文件中應(yīng)注明涉及危險(xiǎn)性較大分部分項(xiàng)工程的重點(diǎn)部位，然而在設(shè)計(jì)文件中往往缺少這類(lèi)提示。支架的“高寬比”是高支模整體穩(wěn)定設(shè)計(jì)的重要控制指標(biāo)，在設(shè)計(jì)中存在因滿足施工便利在模板支撐系統(tǒng)中部預(yù)留寬度較大的通高空間，變相加大了支架的“高寬比”問(wèn)題，嚴(yán)重削弱模板支撐系統(tǒng)的剛度和整體穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)荷載取值不合理，規(guī)范對(duì)模板設(shè)計(jì)荷載作出的是一般性規(guī)定，但設(shè)計(jì)荷載應(yīng)考慮具體的施工工況予以調(diào)整和放大，在實(shí)際執(zhí)行中存在荷載取值小于現(xiàn)場(chǎng)施工荷載取值的隨意情況。承重立桿間距、水平步距、掃地桿距地面高度、架體上部自由端高度等設(shè)計(jì)內(nèi)容是高支模支架設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，應(yīng)按高支模實(shí)際構(gòu)造和荷載進(jìn)行穩(wěn)定和強(qiáng)度驗(yàn)算，在事故調(diào)查中出現(xiàn)了不滿足計(jì)算要求的較大尺寸，使支撐架穩(wěn)定性不足，承載力不夠，導(dǎo)致高支模倒塌。

2)高支模構(gòu)造不當(dāng)。高支模的合理構(gòu)造是設(shè)計(jì)所采用的計(jì)算模型條件，同時(shí)也是保證高支模安全的重要措施，設(shè)計(jì)和施工中高支模構(gòu)造措施必須遵循既有規(guī)范要求。在高支模倒塌事故中發(fā)現(xiàn)以下不當(dāng)構(gòu)造是高支模事故的重要原因：支撐架體結(jié)構(gòu)未抱柱抱梁，模板支撐系統(tǒng)缺少與既有建筑結(jié)構(gòu)間設(shè)置可靠拉接的構(gòu)造措施，架體側(cè)向穩(wěn)定性措施不足。立桿及縱橫向水平桿接頭在同一平面，架體穩(wěn)定的構(gòu)造措施無(wú)法保證。支撐架體在混凝土梁模板底部支撐體系未做加密處理，支撐梁模板的鋼管立桿頂部未使用可調(diào)托撐進(jìn)行頂撐。未在立桿每一步距處滿設(shè)縱橫向水平拉桿。架體內(nèi)未嚴(yán)格按規(guī)范要求設(shè)置水平剪刀撐、縱向剪刀撐和橫向剪刀撐。

3)高支模施工不規(guī)范。在高支模倒塌事故中普遍存在未按照規(guī)范搭設(shè)現(xiàn)場(chǎng)模板架。其中比較突出的問(wèn)題是高支模地基處理簡(jiǎn)單，有的僅僅是原狀回填，未進(jìn)行找平、壓實(shí)或灰土地基等方法處理，未按標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)置墊板和底座，未設(shè)置防水排水設(shè)施，使地基產(chǎn)生較大不均勻變形，相應(yīng)部位產(chǎn)生過(guò)大變形和附加應(yīng)力，引起高支模失穩(wěn)倒塌。大體量混凝土澆筑存在局部荷載集中嚴(yán)重，且未布置相應(yīng)變形監(jiān)控點(diǎn)，缺少對(duì)高支模架整體位移和局部桿件撓度變形實(shí)施安全監(jiān)控，導(dǎo)致事故發(fā)生。另外，梁柱板同時(shí)澆筑等澆搗順序不符合施工規(guī)范現(xiàn)象也是引起高支模倒塌的重要原因。高支模施工不規(guī)范還體現(xiàn)在未編制高支模專(zhuān)項(xiàng)施工方案或?qū)ｍ?xiàng)施工方案簡(jiǎn)單，編制深度不足等問(wèn)題，這也為高支模事故留下了安全隱患。

4)高支模材料不符合要求。在高支模倒塌事故現(xiàn)場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn)部分扣件質(zhì)量低下，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)劈裂、破壞的扣件，扣件老化，鋼管連接要求難以保證。支撐架所使用的鋼管壁厚未達(dá)到規(guī)范要求。材料質(zhì)量檢測(cè)報(bào)告缺失。

3 高支模安全技術(shù)分析

3.1 穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系

鋼管高支模架屬于空間鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問(wèn)題，架體設(shè)計(jì)首先是結(jié)構(gòu)體系應(yīng)滿足空間結(jié)構(gòu)的幾何穩(wěn)定，其基本要求是縱橫向任一排架體必須確保面內(nèi)面外幾何不變。由于縱橫桿與豎桿的連接件抗彎剛度限制以及連接件實(shí)際難以約束搭設(shè)后節(jié)點(diǎn)的初始微小轉(zhuǎn)動(dòng)，在實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)一般簡(jiǎn)化為鉸接連接[8]。在鉸接計(jì)算模型下，水平桿和豎桿構(gòu)成的豎向架體以及縱橫水平桿構(gòu)成的水平架體均為平行四邊形的鉸接幾何不穩(wěn)定形態(tài)，在構(gòu)造上需增加約束。

對(duì)于豎向架體，如圖1所示，形成空間幾何不變體系首先需保持不動(dòng)地面支撐，面內(nèi)幾何不變體系構(gòu)成依賴(lài)于面內(nèi)斜撐及剪刀撐連接，或在其側(cè)面設(shè)置不動(dòng)鉸支座連接的側(cè)向支撐。面外穩(wěn)定則依賴(lài)穩(wěn)定的側(cè)向支撐。對(duì)于水平架體，當(dāng)考慮水平面內(nèi)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)時(shí)，需在水平架體內(nèi)設(shè)橫向剪刀撐約束以形成幾何不變體系并抵抗水平扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

因此，高支模縱橫向支撐設(shè)置、水平支撐設(shè)置與已有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的側(cè)向連接以及經(jīng)過(guò)處理的穩(wěn)固地基是形成穩(wěn)定的高支模結(jié)構(gòu)體系的重要措施，為了提高高支模穩(wěn)定的冗余度，除滿足設(shè)計(jì)計(jì)算要求外還須根據(jù)規(guī)范要求設(shè)置多道安全防線。穩(wěn)定的高支模結(jié)構(gòu)體系是高支模核心安全技術(shù)措施，由此類(lèi)問(wèn)題引起的高支模倒塌事故在歷年事故調(diào)查中占有相當(dāng)比例。在設(shè)計(jì)、施工及構(gòu)造處理時(shí)需根據(jù)高支模具體特征符合相應(yīng)計(jì)算力學(xué)簡(jiǎn)圖，嚴(yán)格按相關(guān)規(guī)范執(zhí)行。

3.2 豎桿的穩(wěn)定驗(yàn)算

對(duì)于高支模架，豎桿的穩(wěn)定問(wèn)題是高支模整體安全的關(guān)鍵問(wèn)題。按歐拉公式，對(duì)于細(xì)長(zhǎng)直桿軸心受壓其承載能力Fcr由下式確定:

其中，EI為桿件的抗彎剛度；l為直桿長(zhǎng)度;μ為細(xì)長(zhǎng)桿兩端約束系數(shù)。在鉸接模型高支模中，一般存在兩種約束形式：其一為兩端為鉸接約束，系數(shù)μ取為1；其二對(duì)于軸心受壓模板支架立桿頂部伸出部分近似視為一段固結(jié)一段自由約束，系數(shù)μ取2。當(dāng)然在實(shí)際高支模設(shè)計(jì)中，μ值的選取還綜合了立桿偏心受荷及影響腳手架整體失穩(wěn)的各種因素。

由以上分析可知：高支模立桿與水平桿的節(jié)點(diǎn)需設(shè)置縱橫兩個(gè)方向水平桿，否則在未設(shè)置方向其計(jì)算長(zhǎng)度將為另一個(gè)方向的n倍，n為在該方向未設(shè)置水平桿的步距數(shù)，按最不利設(shè)計(jì)則豎桿其承載能力將大大降低。在模板支架立桿頂部伸出部分長(zhǎng)度應(yīng)限制，否則其計(jì)算長(zhǎng)度也將大大超出設(shè)計(jì)要求。在模板支架立桿底部應(yīng)滿設(shè)掃地桿，否則底部立桿約束將近似為一段固結(jié)一段懸臂的形式，其承載能力也將大大降低。

3.3 荷載取值

建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范及混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范對(duì)模板支撐的恒荷載和活荷載的取值做了相關(guān)規(guī)定，對(duì)混凝土澆搗荷載也給出相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式。然而在高支模施工中，施工荷載具有隨機(jī)性和偶發(fā)性，高支模荷載取值為一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題。

為了保證高支模在荷載取值的合理性，一方面在按規(guī)范規(guī)定的荷載取值基礎(chǔ)上應(yīng)充分考慮施工中混凝土澆搗時(shí)混凝土堆積高度、現(xiàn)場(chǎng)施工材料的堆積、施工人員及設(shè)備荷載等因素，經(jīng)過(guò)論證選取合理荷載值進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。另一方面在施工過(guò)程中嚴(yán)格按照論證的施工方案進(jìn)行施工，并實(shí)時(shí)做好相應(yīng)監(jiān)測(cè)，保證高支模工作全階段模板荷載在計(jì)算荷載范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

高支模安全問(wèn)題，直接關(guān)系到人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，受到社會(huì)的廣泛關(guān)注。通過(guò)對(duì)2014—2019模板支撐安全事故的調(diào)查，從高支模設(shè)計(jì)、施工、構(gòu)造要求及管理方面總結(jié)了近年來(lái)高支模板倒塌原因，并從力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)理論方面探討了事故成因，分析了高支模設(shè)計(jì)施工的安全技術(shù)要求。主要結(jié)論如下：

1)設(shè)計(jì)、施工及過(guò)程管理等多個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)處理不當(dāng)都有可能導(dǎo)致高支模失穩(wěn)或倒塌的嚴(yán)重后果。高支模安全生產(chǎn)要求各方責(zé)任主體嚴(yán)格按照國(guó)家、行業(yè)規(guī)范規(guī)程規(guī)定執(zhí)行，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)各方協(xié)調(diào)與監(jiān)督，確保高支模設(shè)計(jì)、施工與管理符合高支模實(shí)際的工況。

2)鋼管高支模屬于空間桿系結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)體系和桿件的穩(wěn)定性是其安全技術(shù)的核心問(wèn)題。在滿足整體穩(wěn)定和桿件穩(wěn)定安全的前提下，應(yīng)通過(guò)適當(dāng)增設(shè)支撐以及與穩(wěn)定的墻、梁柱的連接增加其安全冗余度，避免當(dāng)某個(gè)構(gòu)件出現(xiàn)失穩(wěn)破壞時(shí)，造成架體整體坍塌。