高支撑架及单面支模在工程中的应用

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摘要：本文结合工程实例对地下空间框架结构高大支撑架、单面模板及支撑系统的主要施工要点、模板体系的受力验算以及整体支撑架稳定性验算等计算方法进行探讨。 

关键词：地下空间 高支撑架 单面支模 稳定性  1 工程概况  本工程属于地下空间工程，施工时需保证地面的交通正常通行，其特殊性决定了在基坑施工时只能采用直切坡深基坑开挖的方式进行。  基础：采用c40条形基础，全线贯通设置。基础主要断面形式有2000*1500和1600*1200两种。  墙柱结构：靠基岩侧为剪力墙体，要求进行原槽砼浇筑。其中底层外侧墙体墙厚800；内侧墙体墙厚400，每6米增设1000*1000柱子，且在轻轨轨下梁设置加强墙体，墙厚1000，宽3m；底层层高约6-8m。负二层外侧墙体墙厚400，每6m增设800*1000柱子；中间轴线柱网布置间距为6米，断面尺寸1000*1000；负二层层高约7m-9m。负一层外侧墙体墙厚400，每6米增设800*1000柱子；中间轴线柱网布置间距为6m，断面尺寸1000*1000；负一层层高约7-9m。  2 高支撑架的施工设计要求  2.1 模板支架的构造要求  2.1.1 立柱构造及其平面布置设计要求:①梁模板高支撑架的立柱可视设计荷载情况采用单立杆或双立杆；②立杆之间必须按步距满设双向水平杆，确保其在两个方向(x，y)均具有足够的设计刚度；③采用双立杆时，一般应采用同一方向的双杆布置，以适应水平杆的设置要求；④当梁板荷载相差较大时，梁下和板下可采用不同的立杆间距，但只宜在一个方向变距、而另一方向不变距，以确保水平杆件的连续设置要求。  2.1.2 立杆步距的设计要求：①当架体构造荷载（自重）在立杆不同高度段所引起的轴向力变化不大时，可采用等步距设置；当中部有加强层或支架很高，使其轴向力沿高度分布的变化较大时，可采用“下小上大”的变步距设计，但步距的变化不宜过多（见图2）；②一般情况下，模板支架的步距以0.9-1.5m为宜，不宜超过1.5m。本工程满堂架支模架步距取1.2m。  2.1.3 整体性构造层设置，当支撑架的的高度较高(例如高度大于等于6m)或者横向高宽比≥6l时，为了加强其构架的整体刚度，应视需要设置一至数道整体性水平加强层（见图1），有两种形式①单水平加强层，即每隔2-3m沿水平结构层设置水平斜杆或剪刀撑，且必须与立杆相连接，设斜杆的框格数量应大于该水平层框格总数的1/3（见图2）；②双水平加强层，在支撑架的顶部和中部每隔10-15m设置双水平加强层，在其间的四周和中部每隔10-15m设竖向斜杆，形成连接上下水平层的构造桁架。在任何情况下，高支撑的顶部和底部（扫地杆的设置层）必须加设整体性水平加强层。  ■  图2 模板支架的竖向构造  2.1.4 剪刀撑设置:沿支架四周外立面应满设剪刀撑，中部视需要并依构架框格的大小，每隔10-15m设1道。  2.1.5 顶部承载支撑点设计:最好在立杆顶部装设支托板，支托底板至支架顶层横杆的高度不宜大于0.4m。当支撑点位于顶层横杆时，应尽量靠近立杆，且不宜大于200mm。  2.2 梁板模板支架的搭设和使用要求  2.2.1 搭设要求:①严格按设计尺寸搭设，立杆和水平杆的接头均应错开在不同的框格层中设置；②确保立杆的垂直偏差和横杆的水平偏差小于规范规定；③斜杆应尽量与立杆连接，节点构造符合规范规定；④地基支座的设置和承载力均应满足设计要求。  2.2.2 施工使用要求:①精心设计砼浇筑方案，确保模板支架均衡受载；②严格控制实际施工荷载不超过设计荷载，在施工中设专人对施工荷载进行监控；③在确保安全的前提下，在浇筑开始后，派人检查支架及其支承情况，发现有下沉、松动和变形情况时，及时予以解决。  2.3 结构脚手架模板的搭设及要求  2.3.1 材料的选择及要求  2.3.1.1 支撑架：采用碗扣式钢管脚手支撑架。  2.3.1.2 搭设要求。①严格按照设计尺寸搭设，立杆和水平杆的接头均应错开布置，斜杆或剪刀撑尽量与立杆连接，节点构造符合相应规范规定。②当立杆所受竖向力特别大时，除验算立杆稳定外还应验算地基支座承载力或板的抗冲切承载力。本工程立杆均支承在硬质岩面或砼面板上，可不验算地基承载力。  2.3.2 施工使用过程中的管理。①梁板模板支撑系统的方案设计至关重要，必须建立在较为精确的计算基础上，绝不能仅靠经验进行施工。②严格控制实际施工荷载不超过设计荷载，在荷载设计时应考虑出现的最大荷载，并提出控制要求，在施工中设专人对施工荷载进行监控。③在施工使用过程中派专人进行检查维护，坚持信息化施工管理，将可能出现的不利情况从技术管理上得到控制，确保施工安全。  3 单面模板及支撑系统设计计算  3.1 荷载分析及计算参数的选用 ①模板及支架自重标准值2.5kn/m2。②钢筋砼自重标准值(按每m3砼含量计算) 25.0kn/m3。③振捣砼对水平模板产生的荷载标准值2.0kn/m2；对垂直模板产生的荷载标准值4.0kn/m2。④施工人员及设备荷载标准值:取均布活荷载2.5kn/m2。⑤模板及支架荷载分系数。  ■  3.2 材料选择 碗扣式脚手支架作模板支承支架。钢管采用ф48×3.5，其截面特性:a=489mm，i=12.19cm，截面模量w=5.08cm，回转半径i=1.58cm。  顶板模板采用2cm厚胶木模板，50*100mm方木作楞。  3.3 材料力学性能及几何参数  ■  支撑架计算按扣件式钢管脚手支架计算参数进行。由于碗扣式钢管脚手架的试验临界荷载一般均比扣件式钢管脚手架提高15%以上，因此当按扣件式脚手架计算参数进行设计满足要求时，碗扣式支架也必然满足要求且更可靠。  3.4 侧墙模板设计及验算 由于外墙模板只能采取单面支模原槽浇筑，需利用顶板的支撑架作为侧向支撑。并且在侧墙砼浇筑时，两侧砼侧墙同时同步浇筑，将支撑架作为不可变体系进行考虑。因此侧向模板支撑设计须在顶板支撑架的基础上进行加密设计。具体搭设参数需在本支撑架的基础上按侧向模板设计进行搭设。  3.4.1 模板及支架设计参数。模板设计：模板采用1.8cm厚胶木模板，立档采用50*100方木（松木），立档间距@200，横档采用φ48*3.5双钢管，横档间距@600。  支撑架设计：由于侧墙采用原槽砼浇筑，侧墙需单面支模，且由于防水要求，业主和设计要求不设对拉螺杆（避免破坏防水层），侧墙模板只能利用顶板满堂支撑架作为侧墙模板的对向水平支撑。横向水平支撑在原有满堂支撑架的基础上进行加密。纵、横向水平支撑杆步距@600，水平横向间距@600。  3.4.2 模板及支架验算。  3.4.2.1 荷载设计值。①混凝土侧压力。标准值：根据施工手册查计算式如下：f=0.22γct0β1β2v1/2或f=γch（计算结果取较小值）  式中：f为新浇混凝土对模板的最大侧压力（kn/m2）；γc为钢筋砼的重力密度（取值25kn/m3）；t0新浇砼的初凝时间(h)；[可采用t0=200/(t+15)计算（t为砼的温度，取t=15℃）可得t0=6.7h]；v为砼的浇筑速度（取v=1.5m/h）；h为砼侧压力计算位置处至新浇筑砼顶面的总高度（取h=7.0m）；β1为外加剂影响修正系数（砼掺外加剂取1.2）；β2为砼坍落度影响修正系数（泵送砼取1.15）  根据以上参数计算新浇筑砼产生的侧压力  f1=0.22×25×6.7×1.2×1.15×1.51/2=62.28kn/m2  f2=25×7.0=175kn/m2  砼侧压力设计值取f=f1×分项系数×折减系数  =62.28×1.2×0.9=67.26kn/m2  ②倾倒砼时产生的水平荷载（查施工手册得p1=4 kn/m2）。倾倒砼时产生的水平荷载设计值p=p1×分项系数×折减系数=4×1.4×0.9=5.04kn/m2  ③荷载组合。作用于侧模板上总面荷载q=f+p=67.26+5.04=72.3kn/m2  3.4.2.2 侧墙模板体系验算。①胶合模板承载力验算。（按五垮连续梁计算，计算跨度l=200mm），计算简图如下：取胶合模板单位宽度b=1000mm，厚度取值h=16mm计算(现场材料实际厚度不足18mm)。其弹性模量取值e=6500×0.9=5850n/mm2。  胶合模板截面特征：抵抗矩w=1/6×bh2=42667mm3。  惯性矩i=1/12×bh3=341333mm4。  化为线均布荷载q=q×b/1000=72.3kn/m。  ■  800mm厚单面侧墙模板受力简图 (按五跨等跨连续梁计算)  mmax=-0.105ql2 vmax=-0.606ql ωmax=0.644（ql2*l2）/（100ei）  a.最大弯矩mmax=0.105ql2=0.105×72.3×0.22=  0.304kn*m  产生的最大应力σmax=mmax/w=0.304×106n*mm/  42667mm3=7.125n/mm2  胶合模板容许应力查施工手册计算得[σ]=20/1.55  =12.9n/mm2  计算结果σmax=7.125n/mm2﹤[σ]=12.9n/mm2满足要求。  b.最大绕度ωmax=0.644ql4/(100ei)=0.644×72.3n/  mm×2004/(100×5850×341333)=0.37mm  模板结构的容许绕度查施工手册计算德[ω]=200/250=0.8mm  计算结果ωmax=0.37mm﹤[ω]=0.8mm满足要求。  ②模板竖向50×100木方立档@200mm承载力验算。（按五跨连续梁计算，计算跨度l=600mm），计算简图如下：取单根50×100木方进行受力计算，考虑现场材料实际尺寸不足，因此取b=40mm，h=90mm进行计算。  其弹性模量取值e=9000×0.8=7200n/mm2  50×100方木截面特征：抵抗矩w=1/6×bh2=54000mm3。  惯性矩i=1/12×bh3=2430000mm4。  化为线均布荷载q=q×200/1000=14.46kn/m。  ■  5*100小木楞受力简图 (按五跨等跨连续梁计算)  mmax=-0.105ql2 vmax=-0.606ql ωmax=0.644（ql2*l2）/（100ei）  a.最大弯矩mmax=0.105ql2=0.105×14.46×0.62=  0.547kn*m  产生的最大应力σmax=mmax/w=0.547×106n*mm/  54000mm3=10.12n/mm2  查施工手册计算50×100方木容许应力得：  [σ]=11×0.8×1.3=11.44n/mm2  计算结果σmax=10.12n/mm2﹤[σ]=11.44n/mm2满足要求。  b.最大绕度ωmax=0.644ql4/(100ei)=0.644×14.46n/  mm×6004/(100×7200×2430000)=0.69mm  模板结构的容许绕度查施工手册计算德[ω]=600/250=2.4mm  计算结果ωmax=0.69mm﹤[ω]=2.4mm满足要求。  ③模板横向2φ48×3.5钢管横档@600mm承载力验算。（按五垮连续梁计算，计算跨度l=600mm），计算简图如下：取2φ48×3.5钢管进行受力计算，查施工手册得  其弹性模量取值e=206000n/mm2  2φ48×3.5钢管截面特征：抵抗矩w=2×5080=10160mm3  惯性矩i=2×121900=243800mm4  化为线均布荷载q=q×600/1000=43.38kn/m  ■  2?准4.8*3.5钢管大楞受力简图 (按五跨等跨连续梁计算)  mmax=-0.105ql2 vmax=-0.606ql ωmax=0.644（ql2*l2）/（100ei）  a.最大弯矩mmax=0.105ql2=0.105×43.38×0.62=  1.64kn*m  产生的最大应力σmax=mmax/w=1.64×106n*mm/  10160mm3=161.42n/mm2  查施工手册计算φ48×3.5钢管容许应力得：  [σ]=205×0.9=184.5n/mm2  计算结果σmax=161.42n/mm2<[σ]=184.5n/mm2满足要求。  b.最大绕度ωmax=0.644ql4/(100ei)=0.644×43.38n/  mm×6004/(100×206000×243800)=0.72mm  模板结构的容许绕度查施工手册计算德[ω]=600/250=2.4mm  计算结果ωmax=0.72mm<[ω]=2.4mm满足要求。  3.4.2.3 满堂支撑架稳定性验算。在本工程中，由于两边地通道侧墙采用的单面支模进行沿槽浇筑砼，在对侧墙模板定位时采用碗扣式钢管搭设满堂支撑架，以承受侧墙砼的侧压力对满堂支撑架的水平横杆产生的水平推力，浇筑侧墙砼时两侧采用对称浇筑，砼浇筑时的高差不得大于50cm，以保证满堂支撑架对称受力，以免造成侧墙模板及满堂支撑架的整体位移。因此将满堂支撑架作为几何不变体系对水平横杆进行稳定验算。  ①水平横杆受力计算。支撑侧墙模板的水平横杆间距为@600mm×600mm，与模板2φ48×3.5钢管水平横档之间采用顶托连接，则单根水平支撑横杆所承受的力为：n=q×0.6×0.6=72.3kn/m2×0.6m×0.6m=26.03kn。  ②长细比“λ”计算。查施工手册得λ=l0/i；l0=k1k2l01； l01=h+2a  式中：h为满堂架水平横杆歩距（由于承受水平推力，立杆间距为@600×600，故取值h=600mm）。a为水平支撑杆端头伸出立杆中心线至模板支撑点的长度（取a=300mm）。k1、k2为计算长度系数（查施工手册分别取值k1=1.243；k2=1.026）。i为φ48×3.5钢管的回转半径（取值i=15.8mm）。  根据以上公式及参数计算长细比=k1k2（h+2a）/i=1.243×1.026×(600+2×300)/15.8=97。  ③容许荷载计算  根据公式[n]=ψaf  式中ψ为稳定系数（根据“λ=97”查施工手册得ψ=0.611）。a为φ48×3.5钢管截面积（取值a=489mm2）。f为φ48×3.5钢管设计抗压强度（取值f=205n/mm2）。  根据以上公式及参数计算单根水平支撑容许荷载为：  [n]=ψaf=0.611×489×205=61250n=61.25kn。  计算结果n=26.03kn﹤[n]=61.25kn满足要求。  4 结束语  通过该工程的实际施工直至完工，严格的按照上述要求进行实施和检查验收，能满足使用要求，不存在爆模及墙体变形情况。  参考文献:  [1]杜建华，吴娇媚，卢颖.多点支撑加固坦拱桥技术研究[j].价值工程.2011(06)  [2]白山巍.浅析扣件式钢管脚手架模板支撑失效[j].价值工程. 2010(34).  [3]吴亚金.论逆作法现场建筑施工与监控[j].中小企业管理与科技(下旬刊).2010(08).