混凝土模板扣件式钢管支撑架监测内容和部位的探讨

混凝土模板扣件式钢管支撑架监测内容和部位的探讨

董文生

广州建筑工程监理有限公司广州510030

摘要：长期以来，扣件式钢管模板支撑体系在建筑施工中已经得到广泛的应用，此类模板支撑架在我国大约占模架使用总量的70%，占据主导地位。模板支撑架的安全稳定是施工得以顺利进行的基本保证。文中通过对混凝土模板扣件式钢管支撑架结构破坏特点、计算方法、监测规定的回顾分析，提出对应支撑架不同破坏特点，建议选择适用的监测内容和部位。

关键词：混凝土模板；扣件式；钢管支撑架；监测

前言

混凝土模板扣件式钢管支撑架，目前广泛用于我国建筑业。然而作为临时结构物，它的重要性往往被人忽视，多年来模板支撑架事故频发。模板支撑架失稳坍塌多发生在混凝土浇筑时期，荷载的计算失误、立杆伸出水平杆长度过大、支撑架整体刚度不足等都会成为其失稳的原因。由于因素考虑不周全会直接导致扣件式钢管模板支撑架的设计和搭建存在安全隐患。因此，笔者近年参与的超过一定规模混凝土模板支撑工程专项方案专家论证过程中，对支撑架监测内容和部位进行分析。

一.支撑架监测研究内容

本文主要结合当前对扣件式钢管模板支撑架的研究进展，根据新规范对模板支撑架的相关规定对模板支撑架进行验算，利用有限元分析软件对模板支撑架体系的动力性能和动态响应做了相关分析，依据钢管模板支撑架自身特性和响应规律探讨了对其在使用过程中进行实时监测可行性。具体研究内容主要有以下几个方面:

1.1分析了近些年来扣件式钢管模板支撑架的工程事故，提出了对其深入研究的必要性;综述目前模板支撑架相关研究进展和研究成果，从荷载、计算模型、研究方法、试验进展各方面讨论了目前研究不足和待完善之处，引出本文研究方向。

1.2根据最新出台的《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》相关规定结合现行《建筑施工模板安全技术规范》，对混凝土结构施工的扣件式钢管模板支撑架的构建、设计和计算方法进行了总结，并以此作为建模分析的基础。

1.3利用ANSYS工程计算软件，对模板支撑架进行仿真建模，分析了其自振频率的影响因素以及随着混凝土浇筑的阶段性变化特点，对不同浇筑路径下架体动态特性进行比较，研究其自振频率的变化规律。并施加简谐荷载以模拟混凝土浇筑期泵管的脉冲作用，分析了模板支撑架的动力响应。

1.4选用有侧移框架半刚性节点模型通过数值计算讨论了模板支撑架在动力荷载作用下的动力稳定性以及水平荷载对动力稳定性的影响，并与静力分析结果相比较，结合相关试验研究成果对比分析;通过特征值屈曲分析提取模型低阶模态以模拟杆件初始弯曲和节点初始偏心，并分析此初始缺陷对模板支撑架动力稳定性的影响。

1.5结合目前交前沿的钢结构实时监测理论方法和技术，提出了对模板支撑架结构在混凝土浇筑期间进行实时监测的构想，并根据模板支撑架自身的性能特点讨论了相关的理论依据和可行性以及相关问题。混凝土浇筑期，模板支撑架会受动力荷载作用，如泵管产生的水平方向的周期性脉冲力、混凝土垂直落下时的瞬间冲力、振捣混凝土产生的振动作用等。本文主要研究动力荷载作用下模板支撑架的受力性能，利用ANSYS模拟混凝土浇筑期各杆件的内力响应，并从动力稳定性角度分析模板支撑体系整体稳定性，通过对内力、模态、变形位移等方面的分析得出实时监测的可行性方法。

二、扣件式钢管支撑架结构破坏特点的现有研究成果

2.1有关行业技术标准

2.1.1有关行业技术标准条文及其说明主要体现在《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ130-2011）第5.4“满堂支撑架计算”及其第5.4.1～5.4.6条款的条文说明上：满堂支撑架的立杆稳定性计算公式，虽然在表达形式上是对单根立杆的稳定计算，但实质上是对满堂支撑架结构的整体稳定计算。满堂支撑架有两种可能的失稳形式：整体失稳和局部失稳。整体失稳破坏时，满堂支撑架呈现出纵横立杆与纵横水平杆组成的空间框架，沿刚度较弱方向大波鼓曲现象，无剪刀撑的支架，支架达到临界荷载时，整架大波鼓曲。有剪刀撑的支架，支架达到临界荷载时，以上下竖向剪刀撑交点（或剪刀撑与水平杆有较多交点）水平面为分界面，上部大波鼓曲（图1），下部变形小于上部变形。所以波长均与剪刀撑设置、水平约束间距有关。

1-水平剪刀撑：2-竖向剪刀撑：3-失稳方向搭设，或立杆负荷不均匀，两种形式破坏，由于整体失稳，一般情况下，整体失稳是满堂支撑架的主要破坏形式。

当满堂支撑架以不等步距、立杆横距搭设，或立杆负荷不均匀时，两种形式的失稳破坏均有可能。

对整体稳定按式（5.2.6-1）、式（5.2.6-2）计算。为了防止立杆段失稳，规范除对步距限制外，尚在规范第5.4.5中规定对可能出现的薄弱立杆段进行稳定性计算。

2.1.2有关行业技术标准研究背景资料《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ130-2011）主编单位中国建筑科学研究院的宣讲资料介绍：

目前对高大满堂脚手架和满堂支撑架的研究尚少，对结构特性－特别是剪刀撑的数量及布置方式对结构承载力的影响认识不足，规范尚不能很好地总结归纳出不同架体立杆考虑整体稳定因素的计算长度系数的变化规律。

规范中架体的可计算范围：满堂支撑架立杆间距0.4～1.2m，架体高宽比≤2.0～2.5，结构跨数不少于4～8跨。

2.2工程实例资料，2004年广州某高速公路工程工地发生一起重大的超高支模坍塌事故，有一段高度约为12米、跨度为30m的高架桥在浇注混凝土过程中模板支撑系统发生严重坍塌，坍塌面积达1000余平方米，造成两人死亡多人受伤的重大安全事故。有关单位对该工程的施工方案进行验算复核，指出原支模方案的缺陷与错误，并且采用了有限元软件对满堂红脚手架模板支撑的受力情况进行了整体的分析计算，得到以下支撑杆件的轴力图2-3：

可见：竖向剪刀撑也有可能承受轴力。

三、关于满堂支撑架监测内容和部位发展的建议

从上述的研究成果可见，满堂支撑架预压或浇筑混凝土过程，架体的最大位移和杆件的最大应力，是架体整体失稳和局部失稳的重要指针数据，对其进行监测，已能验证计算是否正确、监控架体杆件是否临近破坏状态。因此，从经济的角度考虑，所谓关键杆件倾角、节点转角监测，实属锦上添花，并无必要性。另外，建议在以后规范修订过程中，拓宽满堂支撑架体的受压稳定试验范围，并运用合适的计算模型进行对比验证，明确竖向剪刀撑杆件是否需要纳入位移和应力监测范围。

四、结束语

通过对工程实例资料位移的跟踪观测施工方案进行验算复核，指出原支模方案的缺陷与错误，并且采用了有限元软件对满堂红脚手架模板支撑的受力情况进行了整体，及早判断和预防其失稳坍塌。因此，混凝土浇筑期模板支撑体系的稳定性以及对失稳的控制和实时监测，还需从薯理论上进一步研究。失稳监测构件的设计及其受力性能、安放位置、控制力的确定等习题的研究，仍需要从理论分析和实践验证两方面深入。

参考文献

[1]建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范。JGJ130-2011

[2]中国建筑科学研究院.建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范JGJ130-2011宣讲资料.2012

[3]王国君,蒋华祥.市政路桥施工特点及技术控制要点分析.新材料新装饰2014(5):362.

[4]阮善友.市政路桥施工特点及技术控制要点分析[J].建筑工程技术与设计2016(17):864.

[5]潘健桐.市政路桥施工特点及施工技术控制分析.房地产导刊2015(8):156.

[6]陈刚.某工程超高模板支撑系统坍塌事故分析.广州:华南理工大学,2006.