扣件式鋼管高大支模架坍塌事故分析及技術(shù)措施

扣件式鋼管模板高支撐體系在土木工程施工中應(yīng)用廣泛，但因?qū)χ＜荏w系受力性能熟悉不清、搭設(shè)構(gòu)造不規(guī)范等導(dǎo)致的模板支架坍塌事故時(shí)有發(fā)生。如何有效防止發(fā)生高大支模架突發(fā)性整體坍塌事故一直是工程建設(shè)人員關(guān)注的熱點(diǎn)，為此建設(shè)部規(guī)定了高大模板工程所指的對(duì)象為：水平混凝土構(gòu)件模板支撐系統(tǒng)高度超過8m，或跨度超過18m，施工總荷載大于10kN/m2，或集中線荷載大于15kN/m的模板支撐系統(tǒng)；并規(guī)定對(duì)高大支模工程應(yīng)強(qiáng)化專項(xiàng)施工方案的編制及專家審查，以避免支架整體坍塌。

1高大支模架基本受力特性

扣件式鋼管高大支模排架一般有兩種受力模式：一是鋼管排架頂部水平桿傳力支模模式，梁或板等水平混凝土構(gòu)件的自重和施工荷載通過底模下的木枋將荷載傳至水平桿，水平桿又通過與立桿扣接的直角扣件將荷載傳至立桿，如圖1所示。試驗(yàn)說明當(dāng)直角扣件的擰緊力矩達(dá)40～65N/m時(shí)，單扣件在12kN的荷載下會(huì)滑動(dòng)，其抗滑承載力制定值可取8kN；雙扣件在20kN荷載下會(huì)滑動(dòng)，其抗滑承載力制定值可取12kN［1］。關(guān)于鋼管排架頂部水平鋼管傳力支模形式，其支架的承載力主要是由支架頂部水平鋼管與立桿的扣件抗滑力決定的。二是鋼管排架立桿頂端設(shè)可調(diào)托座傳力支模模式，在鋼管頂端插入Tr38、長度為600mm的可調(diào)托座，支架立桿呈軸心受壓狀態(tài)。這種支模方法在高架橋或其他連續(xù)箱梁橋施工中應(yīng)用較多，其支架的承載力主要由支架的穩(wěn)定承載力決定，如圖2所示。

2高大支模架坍塌事故分析

2.1鋼管排架立桿頂端扣件滑脫的坍塌模式2004年南京某高架橋澆筑混凝土連續(xù)梁橋面時(shí)，近50m的橋面突然發(fā)生支模架整體坍塌，造成正在施工的數(shù)十名工人受傷。

經(jīng)查看坍塌的扣件式鋼管支模架，其排架水平桿步高為1.6m，橋墩的墩梁處搭設(shè)架體的基本尺寸為雙向600mm×600mm，縱向的箱室梁腹板部位的架體基本尺寸為600mm×900mm，板下基本尺寸為900mm×900mm，每根立桿每步的雙向水平桿均不缺少，因此該架體構(gòu)造基本完整［2］。

由于頂部梁板下的150mm×150mm的大木枋均擱置在扣件鋼管頂部的水平桿上，通過頂部支架節(jié)點(diǎn)的扣件摩擦力傳遞施工荷載，這種支模形式的支架承載力一般由頂部扣件抗滑力決定。調(diào)查結(jié)果說明，由于頂部傳力雙扣件的擰緊力矩不夠，導(dǎo)致在混凝土澆筑至接近頂板基本完成時(shí)，因直角扣件節(jié)點(diǎn)抗滑力不夠而發(fā)生支架整體下沉直至緩慢坍塌。

北京“西西〞工程4號(hào)地項(xiàng)目中庭為處于地面上1-5層的一個(gè)共享空間，由于長25.2m、寬16.8m的扣件式鋼管高支模架發(fā)生整體坍塌事故，造成施工人員8死21傷。該廳堂樓蓋面積為423m2，為四周支承于框架梁上的預(yù)應(yīng)力空心樓板〔板厚550mm，折算厚度376mm，板內(nèi)預(yù)埋￠400GBF管〕，南側(cè)邊梁KL17截面850mm×950mm、北側(cè)邊梁KL22截面1000mm×1300mm,東西兩側(cè)邊梁K27和K30均為600mm×3。基本架體間距1200×1200mm，步高1500mm，頂部插可調(diào)托〔圖3〕，總支模高度為21.8m，插有可調(diào)托的立桿伸出頂層橫向水平桿的長度為1200～1500mm，掃地桿離地300～500mm［3］。

按支架實(shí)際搭設(shè)尺寸建立有限元整體模型，計(jì)算支架的整體穩(wěn)定性。計(jì)算假定如下：

〔1〕模板支架結(jié)構(gòu)為三維空間桿系結(jié)構(gòu)，立桿支座與地面鉸接；

〔2〕水平桿與立桿之間半剛性連接，節(jié)點(diǎn)剛度系數(shù)取東南大學(xué)試驗(yàn)測試值；

〔3〕忽略偏心作用，立桿頂端受軸心豎向力P；

〔4〕節(jié)點(diǎn)剛度在結(jié)構(gòu)失穩(wěn)前堅(jiān)持不變，不合計(jì)節(jié)點(diǎn)偏心作用。

×105N/mm2，鋼材為Q235，水平桿與立桿為半剛性連接，其抗扭轉(zhuǎn)剛度按擰緊力矩20N?×107N?mm/rad。

計(jì)算模擬結(jié)果說明，模板支架由于立桿頂端局部側(cè)移過大導(dǎo)致支架呈整體失穩(wěn)破壞形式，其單根立桿穩(wěn)定極限承載力Pcr=10.9kN；而按該工程混凝土構(gòu)件的尺寸，按荷載標(biāo)準(zhǔn)值組合，立桿軸力N=1.0NGK+1.0NQK,NGK和NQK分別為恒荷載和活荷載在立桿中引起的軸力標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算得出樓板下支架單根立桿N板=16.4kN；對(duì)比計(jì)算機(jī)模擬算得的極限承載力Pcr與實(shí)際支架立桿軸力標(biāo)準(zhǔn)值，說明由于支架頂部立桿伸出水平桿長度過大導(dǎo)致架體必定失穩(wěn)破壞。

在其他構(gòu)造條件與“西西〞工程4號(hào)地項(xiàng)目構(gòu)造一致的條件下，分別計(jì)算不同懸臂長度下支架整體穩(wěn)定承載力極限值如表1所示。

由表1可知，關(guān)于頂部設(shè)置可調(diào)托的扣件式鋼管支模架，支架頂部承受軸心壓力，懸臂長a=1.5m的穩(wěn)定承載力比懸臂長度a=0.3m的穩(wěn)定承載力降低約37％，因此位于支模排架頂部的立桿伸出水平桿的長度顯著影響了支模架的穩(wěn)定承載力。

綜上所述，該工程支架發(fā)生事故除未設(shè)置剪刀撐、掃地桿高度過大等搭設(shè)構(gòu)造問題外，主要是軸心受壓支架體系懸臂長度過大，最終導(dǎo)致支架整體坍塌。

2004年9月1日晚22時(shí)48分，江蘇南京江寧某工程在澆筑2幢框架樓間9-13軸線廊道頂層屋面梁板混凝土?xí)r，發(fā)生了模板支架系統(tǒng)整體坍塌的惡性事故，造成作業(yè)人員22人傷亡。

該工程坍塌的結(jié)構(gòu)部分為東西兩個(gè)教學(xué)樓的聯(lián)系通道頂屋蓋，跨度16m，樓板厚100mm，反梁尺寸為350mm×1200mm，樓面結(jié)構(gòu)自重213t?？奂戒摴苤＜芸偢?8m，搭設(shè)的架體平面基本尺寸為縱橫向1000mm×1000mm，水平桿步高1800mm。事故發(fā)生后查看現(xiàn)場搭設(shè)狀況，支架無掃地桿、無剪刀撐，東西向的水平桿每步均設(shè)，南北向的水平桿每三跨〔每隔兩根立桿〕設(shè)置，如圖3所示。

按支架實(shí)際搭設(shè)尺寸建立有限元模型，計(jì)算支架的整體穩(wěn)定性。計(jì)算假定及有關(guān)計(jì)算參數(shù)同2.2.2。整體計(jì)算模擬說明，模板支架呈整體失穩(wěn)破壞形式，其單根立桿極限穩(wěn)定承載力Pcr=6.8kN；而按該工程澆筑混凝土構(gòu)件的尺寸，算得350mm×1200mm梁下支架立桿軸壓力標(biāo)準(zhǔn)值N梁=7.5kN，因此支架制定存在承載力不夠的問題。

在其他構(gòu)造條件與本工程一致的條件下，計(jì)算得出每步均設(shè)雙向水平桿支架整體穩(wěn)定單根立桿可承受承載力極限值Pcr=10.1kN，單向每三跨設(shè)置水平桿支架整體穩(wěn)定承載力降低約30％。

經(jīng)測算該支模系統(tǒng)南北向水平桿僅搭設(shè)需用量的30％，造成50％的立桿僅東西方向受水平桿的約束作用。因此該支模系統(tǒng)整體坍塌的最直接原因?yàn)椋河捎谖丛O(shè)置雙向正交水平桿，導(dǎo)致模板支撐系統(tǒng)整體剛度嚴(yán)重不夠而造成失穩(wěn)坍塌。

3避免高大支模架坍塌事故的技術(shù)措施

從已發(fā)生的扣件式鋼管高支模架坍塌事故案例分析看，發(fā)生整體坍塌的支架一般均具有嚴(yán)重的構(gòu)造缺陷。在目前所用扣件、鋼管質(zhì)量普遍較差的條件下，分析高大支模架坍塌的原因，提出避免高大支模架坍塌事故的技術(shù)措施具有重要的意義。

〔1〕關(guān)于鋼管排架頂部水平桿傳力支模模式，避免支架坍塌的一個(gè)關(guān)鍵是驗(yàn)算頂部扣件抗滑移承載力是否滿足要求，同時(shí)施工現(xiàn)場技術(shù)負(fù)責(zé)人檢查頂部扣件擰緊力矩應(yīng)為40～65N?