摘要：當前我國水平混凝土構件支模常采用扣件式鋼管支模架，施工現場高大支模架坍塌事故時有發生。結合南京某高架橋、北京“西西”工程4號地項目和南京江寧某工程等高大支模架坍塌事故實例進行分析計算，證明事故發生的典型原因是支架本身有嚴重的構造缺陷，在此基礎上提出保證頂部扣件抗滑承載力要求等避免坍塌事故的技術措施。

    關鍵詞：扣件式腳手架；支模架；模板

    扣件式鋼管模板高支撐體系在土木工程施工中應用廣泛，但因對支模架體系受力性能認識不清、搭設構造不規范等導致的模板支架坍塌事故時有發生。如何有效防止發生高大支模架突發性整體坍塌事故一直是工程建設人員關注的熱點，為此建設部規定了高大模板工程所指的對象為：水平混凝土構件模板支撐系統高度超過8m，或跨度超過18m，施工總荷載大于10kN/m²，或集中線荷載大于15 kN/m的模板支撐系統；并規定對高大支模工程應加強專項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。試驗表明當直角扣件的擰緊力矩達40～65N/m時，單扣件在12kN的荷載下會滑動，其抗滑承載力設計值可取8 kN；雙扣件在20 kN荷載下會滑動，其抗滑承載力設計值可取12 kN［1］。對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可調托座傳力支模模式，在鋼管頂端插入Tr38、長度為600mm的可調托座，支架立桿呈軸心受壓狀態。這種支模方法在高架橋或其他連續箱梁橋施工中應用較多，其支架的承載力主要由支架的穩定承載力決定，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梁橋面時，近50m的橋面突然發生支模架整體坍塌，造成正在施工的數十名工人受傷。

    經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600 mm×900 mm，板下基本尺寸為900 mm×900 mm，每根立桿每步的雙向水平桿均不缺少，因此該架體構造基本完整［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，通過頂部支架節點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。調查結果表明，由于頂部傳力雙扣件的擰緊力矩不足，導致在混凝土澆筑至接近頂板基本完成時，因直角扣件節點抗滑力不足而發生支架整體下沉直至緩慢坍塌。

    2.2鋼管排架頂部立桿伸出水平桿長度過大的坍塌模式

    2.2.1事故概況

    北京“西西”工程4號地項目中庭為處于地面上1-5層的一個共享空間，由于長25.2 m、寬16.8 m的扣件式鋼管高支模架發生整體坍塌事故，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應力空心樓板（板厚550mm，折算厚度376mm，板內預埋￠400GBF管），南側邊梁KL17截面850 mm×950 mm、北側邊梁KL22截面1 000 mm×1 300 mm,東西兩側邊梁K27和K30均為600 mm×600 mm，混凝土總量為198.6m³。基本架體間距1200×1200mm，步高1500mm，頂部插可調托（圖3），總支模高度為21.8 m，插有可調托的立桿伸出頂層橫向水平桿的長度為1 200～1 500 mm，掃地桿離地300～500 mm［3］。

    2.2.2支架坍塌計算分析

    按支架實際搭設尺寸建立有限元整體模型，計算支架的整體穩定性。計算假定如下：

    （1）模板支架結構為三維空間桿系結構，立桿支座與地面鉸接；

    （2）水平桿與立桿之間半剛性連接，節點剛度系數取東南大學試驗測試值；

    （3）忽略偏心作用，立桿頂端受軸心豎向力P；

    （4）節點剛度在結構失穩前保持不變，不考慮節點偏心作用。

 

    鋼管壁厚按實測取3.0mm計算，立桿頂層懸臂端長度1 500 mm，彈性模量為2.06×105 N/mm²，鋼材為Q235，水平桿與立桿為半剛性連接，其抗扭轉剛度按擰緊力矩20N•m取為1.6×107N•mm/rad。

    計算模擬結果表明，模板支架由于立桿頂端局部側移過大導致支架呈整體失穩破壞形式，其單根立桿穩定極限承載力Pcr=10.9 kN；而按該工程混凝土構件的尺寸，按荷載標準值組合，立桿軸力N=1.0 NGK+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準值，計算得出樓板下支架單根立桿N板=16.4kN；對比計算機模擬算得的極限承載力Pcr與實際支架立桿軸力標準值，說明由于支架頂部立桿伸出水平桿長度過大導致架體必然失穩破壞。

    2.2.3懸臂長度與支模架極限承載力的關系

    在其他構造條件與“西西”工程4號地項目構造一致的條件下，分別計算不同懸臂長度下支架整體穩定承載力極限值如表1所示。

 

    由表1可知，對于頂部設置可調托的扣件式鋼管支模架，支架頂部承受軸心壓力，懸臂長a=1.5 m的穩定承載力比懸臂長度a=0.3 m的穩定承載力降低約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定承載力。

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

    2.3立桿間每步水平桿單向交錯設置的坍塌模式

    2.3.1事故概況

    2004年9月1日晚22時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時，發生了模板支架系統整體坍塌的惡性事故，造成作業人員22人傷亡。

    該工程坍塌的結構部分為東西兩個教學樓的聯絡通道頂屋蓋，跨度16m，樓板厚100mm，反梁尺寸為350 mm×1 200 mm，樓面結構自重213 t�？奂�式鋼管支模架總高18 m，搭設的架體平面基本尺寸為縱橫向1 000 mm×1 000 mm，水平桿步高1 800 mm。事故發生后查看現場搭設情況，支架無掃地桿、無剪刀撐，東西向的水平桿每步均設，南北向的水平桿每三跨（每隔兩根立桿）設置，如圖3所示。

 

    2.3.2支架坍塌計算分析

    按支架實際搭設尺寸建立有限元模型，計算支架的整體穩定性。計算假定及有關計算參數同2.2.2。整體計算模擬表明，模板支架呈整體失穩破壞形式，其單根立桿極限穩定承載力Pcr=6.8 kN；而按該工程澆筑混凝土構件的尺寸，算得350mm×1200mm梁下支架立桿軸壓力標準值N梁=7.5kN，因此支架設計存在承載力不足的問題。

    2.3.3設置雙向水平桿與支模架極限承載力的關系

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

    經測算該支模系統南北向水平桿僅搭設需用量的30％，造成50％的立桿僅東西方向受水平桿的約束作用。因此該支模系統整體坍塌的最直接原因為：由于未設置雙向正交水平桿，導致模板支撐系統整體剛度嚴重不足而造成失穩坍塌。

    3避免高大支模架坍塌事故的技術措施

    從已發生的扣件式鋼管高支模架坍塌事故案例分析看，發生整體坍塌的支架一般均具有嚴重的構造缺陷。在目前所用扣件、鋼管質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措施具有重要的意義。

    （1）對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關鍵是驗算頂部扣件抗滑移承載力是否滿足要求，同時施工現場技術負責人檢查頂部扣件擰緊力矩應為40～65N•m之間。

    （2）對于鋼管排架立桿頂部設置可調托座傳力支模模式，在滿足基本搭設構造要求的前提下，應控制立桿超出頂部水平桿的懸臂長度不大于600mm。

    （3）支設高大支模架時，應注意不應缺少每步的雙向水平桿，且掃地桿、豎向剪刀撐及水平剪刀撐等基本構造應完整，以保證不會因整體剛度不足導致支架坍塌破壞。