高陂塘排澇渠高支模強(qiáng)度計(jì)算研究

秦 輝

（廣東省水利水電第三工程局有限公司，廣東 東莞 523000）

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑工程在水利工程中的比重日益增大。然而，目前由于高支模施工技術(shù)的不成熟，會(huì)導(dǎo)致施工過(guò)程中出現(xiàn)模板坍塌的現(xiàn)象，因此提高高支模強(qiáng)度設(shè)計(jì)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)綜合性能具有有效的提升作用[1-3]。

魏圣華[4]對(duì)框剪結(jié)構(gòu)梁板柱的高支模體系做出設(shè)計(jì)，并明確相關(guān)施工技術(shù)措施；邵魯現(xiàn)[5]對(duì)建筑工程中應(yīng)用廣泛的高支模施工技術(shù)進(jìn)行了研究；李紅生[6]對(duì)高支模架體選型、支承體系驗(yàn)算、施工工藝、搭設(shè)安全控制要點(diǎn)、模板安裝、拆除及經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了詳細(xì)闡述分析；徐明昱等[7]闡述了超大跨度柱和高支模區(qū)域外腳手架施工技術(shù)；張健[8]針對(duì)高支模施工技術(shù)進(jìn)行了研究，結(jié)合工程實(shí)例討論了高支模施工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)；蔣玲鋒[9]針對(duì)房建土建工程中高支模施工技術(shù)的應(yīng)用情況展開(kāi)研究，分析新時(shí)期背景下高支模施工技術(shù)的管控要點(diǎn)；郭強(qiáng)[10]針對(duì)高支模設(shè)計(jì)跨度大、樓層高、面積廣等特點(diǎn)，對(duì)高支模施工過(guò)程中的作用力進(jìn)行了研究；謝龍棖[11]闡述了房建工程高支模施工技術(shù)核心特征，分析了在模板安裝、樓面安裝、框架設(shè)置及高支模拆除等方面的技術(shù)控制要點(diǎn)；劉艷梅[12]研究了高支模施工技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)；薛衛(wèi)瑩等[13]從安裝模板體系與材料選擇、安裝施工方案及數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)、高支模體系安裝3個(gè)方面研究了大型框架結(jié)構(gòu)建設(shè)施工的高支模安裝技術(shù)。

本文以高陂塘排澇渠拆除移建工程為例，詳細(xì)闡述了頂板模板、側(cè)墻模板和支承體系的設(shè)計(jì)方案，對(duì)危險(xiǎn)部位的板、模板和支承系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)算，研究成果可為相關(guān)工程提供參考。

1 工程概況

高陂塘排澇渠拆除移建工程位于廣東省北江干流英德市上游白石窯樞紐左岸，在現(xiàn)狀高陂塘防護(hù)堤位置新建二線(xiàn)船閘上游引航道，將高陂塘防護(hù)堤向東南側(cè)移建。新建排澇渠位于原排澇渠東南側(cè)，走向與原高陂塘排澇渠大致平行，工程樁號(hào)K0+000—K0+090段穿堤箱涵采用4 m×4 m布置，全涵長(zhǎng)90 m，箱涵頂板厚度600～700 mm，墻厚700 mm，凈高4 m。其中，穿堤箱涵閘室段采用4 m×7.93 m布置，長(zhǎng)12 m，底板厚1 200 mm，頂板厚300 mm，墻厚1 000 mm，凈高7.93 m，分2 次澆筑混凝土，每次澆筑墻高約4 m。頂板模板板面荷載≥15 kN/m2，為超重高大模板。穿堤箱涵鋼筋，如圖1所示。

圖1 穿堤箱涵鋼筋

2 方案設(shè)計(jì)

該方案設(shè)計(jì)包括頂板模板、側(cè)墻模板和支承體系3個(gè)主要方面。

（1）頂板模板。采用18 mm厚的膠合板，主楞使用Ф48 mm×3.5 mm 的鋼管沿箱涵長(zhǎng)度方向布置，并安裝在U形支架上；次楞選用規(guī)格為100 mm×100 mm的木枋，與主楞垂直布置于箱涵。

（2）側(cè)墻模板。采用500 mm×600 mm×55 mm的組合鋼模，水平主楞沿墻高度設(shè)置若干道，使用2根Ф48 mm×3.5 mm 的鋼管，間距為500～600 mm，每隔450～500 mm 沿主楞方向設(shè)置1 道M12～M14 對(duì)拉螺桿，在其端部采用雙螺母（或三字扣）鎖緊；豎向次楞采用Ф48 mm×3.5 mm鋼管，間距為200～300 mm，緊貼在組合鋼模上。

（3）支承體系。采用Ф48 mm×3.5 mm 的滿(mǎn)堂支架，水平設(shè)上、中、下3道對(duì)撐，以校正側(cè)墻模板垂直度，立桿頂端加可調(diào)U 形頂托以調(diào)整模板高程。立桿間距范圍在（0.6～0.8）m×（0.8～1.0）m，剪刀撐間隔為2.0～3.0 m；掃地桿離地0.25 m，并預(yù)留檢測(cè)通道。

在計(jì)算模板支座承載力時(shí)，材料的斷面尺寸將按施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)折減。箱涵頂板700 mm厚模板及支架設(shè)計(jì)參數(shù)、箱涵側(cè)墻模板設(shè)計(jì)參數(shù)、穿堤箱涵擴(kuò)大頭處1 500 mm頂板模板（樁號(hào)K0+000—K0+090 段穿堤箱涵頂板）及其支承系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)、跌水井頂板300 mm厚模板及支架設(shè)計(jì)參數(shù)、跌水井側(cè)墻模板設(shè)計(jì)參數(shù)，詳見(jiàn)表1—5。

表1 箱涵頂板700 mm厚模板及支架設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 穿堤箱涵擴(kuò)大頭處1 500 mm頂板模板及其支承系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

表4 跌水井頂板300 mm厚模板及支架設(shè)計(jì)參數(shù)

表5 跌水井側(cè)墻模板設(shè)計(jì)參數(shù)

3 高支模驗(yàn)算分析

需要對(duì)危險(xiǎn)部位的板、模板和支承系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算的部位包括700 mm 頂板（支模高度6.5 m）、700 mm厚側(cè)墻、擴(kuò)大頭1 500 mm板、300 mm頂板（支模高度15.88 m）和1 200 mm 厚側(cè)墻。因篇幅所限，本文只對(duì)700 mm 頂板驗(yàn)算進(jìn)行探討分析。

（1）模板支架參數(shù)。橫向間距（排距）、縱向間距分別為0.60 、0.80 m，步距設(shè)置為1.50 m，豎桿上端制高點(diǎn)與模板支承點(diǎn)之間的長(zhǎng)度設(shè)置為0.30 m，模板支架應(yīng)當(dāng)搭設(shè)在6.5 m高度左右，且鋼管的規(guī)格要控制在Φ48 mm×3.5 mm 左右。利用方木進(jìn)行板底支承，采用可調(diào)托座進(jìn)行立桿承重連接。

（2）荷載參數(shù)。模板與木板的自重為0.500 kN/m3，鋼筋與混凝土的自重為25.500 kN/m3，施工荷載值為2.000 kN/m2。

（3）材料參數(shù)。采用方木進(jìn)行板底支承，面板為膠合板，厚度為18 mm。面板的彈性模量、抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值分別為9 500、13 N/mm2，方木的彈性模量、抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值分別為9 000、1.4 N/mm2。

（4）托梁材料。鋼楞的彈性模量、抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值分別為206 000、205 N/mm2。

模板支架立面，如圖2 所示。頂板支承架荷載計(jì)算單元，如圖3所示。

圖2 模板支架立面

圖3 頂板支承架荷載計(jì)算單元

3.1 模板面板計(jì)算

模板面板是受彎構(gòu)件，應(yīng)采用三跨連續(xù)梁驗(yàn)算面板，截面抵抗矩和截面慣性矩驗(yàn)算公式為：

式中：W為截面抵抗矩（mm3）；b、h分別為面板的寬和高（mm）；I為截面慣性矩（mm4）。

面板最大彎矩計(jì)算公式為：

式中：M為最大彎矩（kN·mm）；q為線(xiàn)荷載（kN/mm）；l為桿件長(zhǎng)度（mm）。

面板最大應(yīng)力計(jì)算公式為：

式中：σ為最大應(yīng)力（N/mm2）；其余變量含義同上。

由式（4）計(jì)算得出面板的最大應(yīng)力值為4.225 N/mm2，而面板的抗彎設(shè)計(jì)值為13 N/mm2，前者小于后者，故面板的最大應(yīng)力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

面板撓度計(jì)算公式為：

式中：v為面板最大撓度（mm）；E為剛度（N/m）；其余變量含義同上。

由式（5）計(jì)算得出面板的最大撓度為0.218 mm，而面板的最大允許撓度為1.2 mm，前者小于后者，故面板的最大撓度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.2 模板支承方木計(jì)算

模板支承方木的計(jì)算依照三跨連續(xù)梁的方式進(jìn)行，各參數(shù)計(jì)算采用式（1）—（5）。模板支承方木的最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果為0.551 N/mm2，而抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為13.000 N/mm2，故方木的最大應(yīng)力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；支承方木最大撓度v計(jì)算結(jié)果為0.098 mm，而最大允許撓度[v]為2.4 mm，故支承方木最大撓度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

除需滿(mǎn)足上述要求外，支承方木還需滿(mǎn)足截面抗剪強(qiáng)度要求，其計(jì)算公式為：

式中：τ 為最大剪應(yīng)力（N/mm2）；V為最大剪力（kN）；b0、h0分別為方木的寬和高（mm）。

由式（6）計(jì)算得出方木的最大剪應(yīng)力為0.414 N/mm2，而其抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.4 N/mm2，故支承方木截面抗剪強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。支承方木計(jì)算示意，如圖4所示。

圖4 支承方木計(jì)算示意

3.3 托梁材料計(jì)算

托梁采用2根Φ48 mm×3.5 mm鋼管，其計(jì)算采用三跨連續(xù)梁（集中載荷）的方式進(jìn)行。根據(jù)式（1）—（6）計(jì)算得出W=8.986 cm3，I=21.566 cm4，集中荷載P通過(guò)縱向板底支承向外傳遞，其傳遞力大小為4.855 kN；最大彎矩Mmax、最大變形Vmax、最大支座力Qmax、最大應(yīng)力σ 分別為1.052 kN·mm、0.845 mm、14.06 kN、117.07 N/mm2；最大應(yīng)力計(jì)算值、壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值分別為117.07、205 N/mm2，應(yīng)力計(jì)算值小于壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，故托梁材料能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。此外，托梁最大撓度僅為0.845 mm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。托梁參數(shù)計(jì)算示意，如圖5—8所示。

圖5 托梁計(jì)算示意

圖6 托梁彎矩計(jì)算示意

圖7 托梁變形計(jì)算示意

圖8 托梁剪力計(jì)算示意

在模板支承柱載荷（軸向載荷）設(shè)計(jì)中，對(duì)框架支承施加的載荷分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)。靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式為：

式中：NG為靜荷載（kN）；NG1為腳手架自重（kN）；NG2為模板自重（kN）；NG3為頂板與鋼筋混凝土自重（kN）。

立桿軸向壓力設(shè)計(jì)值和穩(wěn)定性計(jì)算公式分別為：

式中：N為立桿軸心壓力設(shè)計(jì)值（kN），N=14.264 kN；NQ為活荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN），取1.92 kN；σ0為立桿受壓強(qiáng)度計(jì)算值（N/mm2）；φ為軸心受壓立桿穩(wěn)定系數(shù)，本設(shè)計(jì)長(zhǎng)細(xì)比l0/i=195，查表得到φ=0.189；A為桿件截面面積（mm2）。

由式（9）計(jì)算得出立桿受壓強(qiáng)度計(jì)算值σ0為178 N/mm2，小于立桿抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值205 N/mm2，故立桿滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

在較高高度、較大跨度或較大承載力搭設(shè)支承性模板體系中，高支模的強(qiáng)度仍然是當(dāng)前的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。施工中，因模架倒塌而引發(fā)的傷亡事故多有報(bào)道，在一定程度上破壞了施工安全，也損害了施工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益。本文為探討高支模強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法，以高陂塘排澇渠拆除移建工程為例，詳細(xì)闡述了頂板模板、側(cè)墻模板和支承體系的設(shè)計(jì)方案，對(duì)危險(xiǎn)部位的板、模板和支承系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)算。研究結(jié)果表明，本文提出的設(shè)計(jì)方法符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，可為相關(guān)高支模設(shè)計(jì)工程提供借鑒與參考。