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建筑施工之脚手架结构模板支撑架的构造和设计
采用脚手架杆配件搭设模板支撑架是常见的施工方法之一。此类模板支撑架( 主要是梁板模板支撑架) 承受的荷载作用既不同于, 又显著大于相应的脚手架, 必须加强构造和按脚手架结构进行设计和计算, 以满足施工要求和确保使用安全。
本节主要介绍采用脚手架杆配件搭设的、 按脚手架结构计算的模板支撑架。
5-3-1 脚手架结构模板支撑架的类别和一般构造
5-3-1-1 脚手架结构模板支撑架的类别和构造要求
1．类别
用脚手架材料能够搭设各类模板支撑架, 包括梁模、 板模、 梁板模和箱基模等, 并大量用于梁板模板的支架中。在板模和梁板模支架中, 支撑高度＞4.0m者, 称为”高支撑架”, 有早拆要求及其装置者, 称为”早撑模板体系支撑架”。
扣件式、 碗扣式和门式钢管脚手架材料均可用于构造模板支撑架, 并各具特点。按其构造情况可作以下分类:
( 1) 按构造类型划分
1) 支柱式支撑架( 支柱承载的构架) ;
2) 片( 排架) 式支撑架( 由一排有水平拉杆联结的支柱形成的构架) ;
3) 双排支撑架( 两排立杆形成的支撑架) ;
4) 空间框架式支撑架( 多排或满堂设置的空间构架) 。
( 2) 按杆系结构体系划分
1) 几何不可变杆系结构支撑架( 杆件长细比符合桁架规定、 竖平面斜杆设置不小于均占两个方向构架框格的1/2的构架) ;
2) 非几何不可变杆系结构支撑架( 符合脚手架构架规定, 但有竖平面斜杆设置的框格低于其总数1/2的构架) 。
( 3) 按支柱类型划分
1) 单立杆支撑架;
2) 双立杆支撑架;
3) 格构柱群支撑架( 由格构柱群体形成的支撑架) ;
4) 混合支柱支撑架( 混用单立杆、 双立杆、 格构柱的支撑架) 。
( 4) 按水平构架情况划分
1) 水平构造层不设或少量设置斜杆或剪力撑的支撑架;
2) 有1或数道水平加强层设置的支撑架, 又可分为:
a．板式水平加强层( 每道仅为单层设置, 斜杆设置≥1/3水平框格) ;
b．桁架式水平加强层( 每道为双层, 并有竖向斜杆设置) 。
另外, 单双排支撑架还有设附墙拉结( 或斜撑) 与不设之分, 后者的支撑高度不宜大于4m。支撑架的所受荷载一般为竖向荷载, 但箱基模板( 墙板模板) 支撑架则同时受竖向和水平荷载作用。
2．设置要求
支撑架的设置应满足可靠承受模板荷载、 确保沉降、 变形、 位移均符合规定、 绝对避免出现坍塌和垮架的要求, 并应特别注意确保以下三点:
( 1) 承力点应设在支柱或靠近支柱处, 避免水平杆跨中受力;
( 2) 充分考虑施工中可能出现的最大荷载作用, 并确保其仍有2倍的安全系数;
( 3) 支柱的基底绝对可靠, 不得发生严重沉降变形。
3．构造的一般要求
( 1) 梁模板支撑架的构造型式
梁模板支撑架的常见构造形式有以下5种( 图5-94) :
1) 由劲性支柱( 如4根立杆的”格构柱”、 双立杆的”梯形柱”和”粗管柱”等) 加多层水平拉杆和剪力撑构成的”支柱式结构”, 其支撑( 架) 高度超过4m时, 应视需要加设侧向( 出平面) 斜撑( 即”抛撑”) ;
2) 由密设( 取较小的立杆纵距) 的单立杆与水平杆、 斜杆或剪刀撑构成的单排( 片式) 构架, 支架高度不宜超过4m, 并视需要设置侧向斜撑;
3) 由单列多层门架与相应的水平架、 交叉支撑、 纵向扫地杆、 封口杆( 设于首层门架底部的横向扫地杆) 和纵向水平加强杆构成的单列门式支撑架, 其构造相近于双排立杆支架。在需要时加设外侧长剪刀撑;
4) 由相互交错或交错重叠布置的双列多层门架与相应交叉拉杆和以扣件连接的纵向水平杆、 扫地杆、 封口杆组成的双列重叠门式支撑架, 其构造相近于四排立杆支架。在需要时加设外侧长剪刀撑;
5) 采用单立杆或双立杆的双排模板支架。

图5-94 梁模板支撑架构造形式
1) 劲性支柱构造; 2) 密设单立杆排架构造; 3) 单列门架构造;
4) 交错重叠双列门架构造; 5) 双排支架构造
1-侧向支撑; 2-扫地杆; 3-封口杆; 4-交错间隔布置门架;
5-交错重叠布置门架; 6-门架上部加强杆; 7-门架顶面加强杆
3) ～5) 三种形式支架的高度一般不宜大于10m, 否则应考虑采取扩座( 即加宽底部构造, 以加强其整体稳定性) 措施。当支架边侧有相距较近( 例如≤2.0m) 的墙体结构可供设置附墙拉结时, 支架高度能够超过10m。
( 2) 梁板模板支撑架的构造形式
梁板模板支撑架是梁模板支撑架和( 楼) 板模板支撑架的组合, 构成整体空间框架( 图5-95) 。当楼板梁( 框架梁、 肋梁、 井字梁) 的截面和梁间距较大时, 需要梁下支撑立杆的间距显著小于板下支撑立杆的间距, 即需要采用支架立杆的变距布置; 当楼板梁的截面和梁间距较小时, 则常可采用支架立杆的等距布置。而采用等距布置, 但即使不同的立杆( 单立杆、 双立杆、 组合立杆) 时, 也能适应梁和板的荷载相差较大的情况。

图5-95 梁板模板支撑架构造形式
A-几何不可变杆系结构; a-非几何不可变杆系结构; B-有水平加强层; m-变杆距; n-变步距
高度≤4m者, 称为”普通梁板模板支撑架”, 高度＞4m者, 称为”梁板模板高支撑架”, 高支撑架需要相应缩小构架的柱距( 立杆纵距、 横距) 、 步距( 水平杆竖向间距) 和增加斜杆、 剪刀撑的设置, 当高度超过10m时, 还应视需要设置一到数层水平加强层构造。
梁板模板支撑架, 采用整体空间框架结构时的构造形式, 按4种构架因素组合, 可形成表5-82所示的14种。
空间框架结构支架的构造因素和构造形式 表5-82
支架构造因素
代号
支架构造形式
1．几何不可变杆系结构
A
①ABMN; ⑧abmn;
2．非几何不可变杆系结构
a
②ABMn; ⑨abmN;
3．有水平加强构造层
B
③ABmn; ⑩abMN;
4．无水平加强构造层
b
④Abmn; ⑪BMN;
5．立杆等距( 双向或单向)
M
⑤AbMN; ⑫aBMn;
6．立杆不等距( 双向或单向)
m

⑬aBmn;
⑦AbMn;
7．水平杆等步距( 各层)
N
⑥BAbmN;
8．水平杆变步距( 各层)
n

⑭原表有移动, 看不清。
( 3) 梁模板、 梁板模板支撑架构造的一般要求
梁和梁板模板支撑架的构造参数需经验算确定, 其初选参数应符合表5-83和表5-84的构造要求。
梁模板支撑架构造的一般要求 表5-83
构造形式
构造的一般要求
劲性支柱构造
①劲性支柱( 双立杆或格构柱) 的宽度b1宜≤梁宽b＋300mm;
②劲性支柱的纵距la和水平杆的步距h宜不大于1.2m( 双立杆) 或1.5m( 格构柱) ;
③扫地杆距楼地面的高度h0宜≤300mm;
④直接承受荷载的立杆及其顶托( 座) 伸出顶水平杆之上的自由高度( 至托座板面) h1宜≤400mm;
⑤剪刀撑应满高设置, 视需要设置顶部第2道水平杆;
⑥支架高度不宜＞6m。当架高H≥4m时, 应设置侧向斜撑;
⑦所有杆件( 立杆、 水平杆、 斜杆) 之间相接处均应用扣件连接紧固( 拧紧扭力矩为40～60N·m)
密设单立杆排架
⑧立杆不宜采用避厚＜3.5mm的薄壁钢管;
⑨支架高度应≤4m;
⑩必须设置侧向斜撑, 斜角α＝45°～60°, 支点高度应位于＞3/5H处;
立杆间距≤1.0m;
水平杆步距宜≤1.0m;
剪刀撑满高设置。其它同③④⑦
单列门架构造
梁模板荷载宜直接作用于门架立杆上或立杆与加强杆之间。当梁模板荷载居于门架中部时, 应采取增设门架上部加强杆或托梁件( 将跨中荷载传于立杆上) , 严禁门架单侧支柱受力;
除两侧均交叉支撑和每层满设水平架外, 首层门架设扫地杆( 纵向) 和封口杆( 横向) , 各层门架立杆对接处均设水平加强杆;
在顶层门架上部加设一道双向水平加强杆( 类似扫地杆和封口杆) ;
外侧满设剪刀撑
交错重叠双列门架构造
两列门架横向交错( 使梁的荷载落于双列门架所形成的内立杆之间) 和纵向间距( 相邻门架间距为0.5la) 或重叠( 门架排距为la) ;
交叉支撑满设;
水平加强杆设于门架两边侧立杆和中部门架横梁之上;
长剪刀撑视需要设置
单( 双) 立杆双排支架
立杆横距lb≤11.0m;
立杆纵距la≤1.5m;
支架高度不宜＞8m, 当架高≥6m时, 应设侧向斜撑。其它同③④⑤⑦
梁板模板支撑架构造的一般要求 表5-84
序次
构造要求事项
几何不可变杆系结构
非几何不可变杆系结构
支架高度
≤4m
＞4m
≤4m
＞4m
1
设斜杆( 含剪刀撑) 的框格占构架框格总数的比例
≥1/2
＜1/2
2
扫地杆
双向满设
双向满设
3
立杆杆距la、 lb
≤1.5m
≤1.2m
≤1.2m
≤1.0m
4
水平杆步距h
≤1.5m
≤1.2m
≤1.2m
≤1.0m
5
水平加强层设置
不设
顶部、 底部和变步距处等
不设
顶部、 底部和变步距处等
6
水平加强层间距
-
6～8m
-
6～8m
注: 1．水平加强层的作用为加强支架整体刚度和分布不均匀的集中荷载, 其下的竖向斜杆一般只设于周边;
2．非几何不可变杆系结构的剪刀撑和斜杆设置不低于相应脚手架的构造规定;
3．依承载需要和计算结果决定是否采用变杆距和变步距。
5-3-1-2 脚手架结构模板支撑架的一般构造
1．使用碗扣架材料搭设的模板支撑架
用碗扣式脚手架系列构件能够组装各种类型的支撑架。其一般组架结构见图5-96, 由立杆垫座( 或立杆可调座) 、 立杆、 顶杆、 可调托撑以及横杆和斜杆( 或斜撑、 剪刀撑) 等组成。使用不同长度的横杆可组成不同立杆间距的支撑架。当所需要的立杆间距与标准横杆长度( 或现有横杆长度) 不符时, 可采用两组或多组组架交叉叠合布置, 横杆错层连接( 图5-97) 。

图5-96 支撑架结构

图5-97 支撑架交叉布置
对于楼板等荷载较小, 但支撑面积较大的模板支架, 一般不必把所有立杆连成整体, 可分成几个独立支架, 只要高宽( 以窄边计) 比小于3: 1即可, 但至少应有两跨( 即三根立杆) 连成一整体。对一些重载支撑架或支撑高度较高( 大于10m) 的支撑架, 则需把所有立杆连成一整体, 并根据具体情况适当加设斜撑、 横托撑或扩大底部架( 图5-98) 。

图5-98 重载支撑架构造
可调横托撑可用作侧向支撑( 图5-99) , 应与横杆相对, 并两侧对称设置。

图5-99 横托撑设置构造
位于支架外侧面的斜杆可设于节点处。但支架中间立杆节点处的碗扣中因已有横杆装入, 可装于立杆的其它碗扣接头中( 见图5-98中的2、 4跨斜杆) 或采用扣件式钢管杆件。
支架高度≤4m的普通模板支撑架的一般构造示于图5-100中。

图5-100 以板为主的布置方式
碗扣架由于杆件轴心受力、 杆件和节点间距定型、 整架稳定性好和承载力大, 而特别适合于构造超高、 超重的梁板模板支撑架, 用于高大厅堂( 如电视台的演播大厅、 宾馆门厅、 剧院等) 、 结构转换层和道桥工程施工中。图5-101所示即为一箱型截面桥梁模板的支撑架, 其设计荷载达30kN/m2, 立杆沿桥梁横向布置, 依上部荷载要求采用变杆距( 0.6m、 0.9m、 1.2m和1.5m) , 纵向采用等杆距, 以利于水平杆的设置。当施工期间要求不断交通时, 可视需要留出车辆通道( 图5-102) , 对通道两侧荷载显著增大的支架部分则采用密排( 杆距0.6～0.9m) 设置, 亦可用格构式支柱组成支墩( 图5-103) 或支撑架( 图5-104) 。格构式支撑柱由立杆、 顶杆和0.30m横杆组成( 横杆步距0.6m) , 在其底部设支座( 有普通垫座、 可调垫座和转角座, 转角座用于斜支撑柱的底座) , 顶部设可调座( 图5-105) 。支撑柱的允许荷载随高度的加大而降低: H≤5m时为140kN; 5m＜H≤10m时为120kN; 10m＜H≤15m时为100kN。当支撑柱间用横杆连成整体时, 其承载能力将会有所提高。当使用转角座时, 应用地锚将其固定牢固。以上构造形式均可在有相应需要的建筑工程中应用。

图5-101 现浇箱型截面钢筋混凝土桥梁模板支撑架

图5-102 不中断交通的桥梁支撑架

图5-103 栓焊钢梁支撑墩

图5-104 由支撑柱组成的支撑架构造

图5-105 支撑柱构造
2．使用门架材料搭设的模板支撑架
用门架构造模板支撑架时, 其构架根据施工要求和荷载情况确定, 其构造形式按其用途大致有以下几种:
( 1) 作梁模板支撑
1) 门架垂直于梁轴线的标准构架布置。即按1.8m间距, 两侧面装交叉支撑, 门架横梁上架设顺木方以支撑梁底模板( 图5-106a) , 侧模支撑可按一般梁模构造、 经过斜撑杆传给支撑架, 为确保支撑架稳定, 可视需要在底部加设扫地杆、 封口杆和在门架上部装上水平架。
2) 门架平行于梁轴线的两排布置。排距根据需要确定, 一般为0.8～1.2m, 排间装以适合的交叉支撑或以横杆连接固定, 同排门架间用大横杆连接固定( 图5-106b) 。

图5-106 梁模板支撑布置
( a) 垂直于梁轴线布置方式; ( b) 平行于梁轴线布置方式
1-门架; 2-交叉支撑; 3-梁; 4-模板; 5-小楞; 6-托梁; 7-调节梁; 8-水平加固杆
3) 门架垂直于梁轴线的交错布置。这种布置可使梁的集中荷载作用点避开门架的跨中, 以适应大型梁的支撑要求。布置形式能够采用叠合或错开, 即用两对( 架距0.9m) 或3对( 架距0.6m) 门架按标准构架尺寸交错布置并全部装设交叉支撑, 并视需要在纵向和横向设拉杆连接固定和加强( 图5-107) 。

图5-107 梁模板支撑的门架交错布置
( a) 立面图; ( b) 两对门架重叠布置; ( c) 两对门架交错布置; ( d) 3对门架交错布置
1-门架; 2-交叉支撑
( 2) 作梁、 板模板支撑
楼板的支撑可按满堂脚手架构造, 梁的支撑可按上述构造, 在设计时注意它们之间的整体组合和拉结。
3．使用扣件架材料搭设的模板支撑架
由于扣件式钢管脚手架材料具有可任意组合的突出特点, 因此, 能够按设计要求组装成各种形式和承载要求的模板支撑架, 本节和本章均有相应图示可供读者参考。
5-3-2 脚手架结构模板支撑架的设计计算
5-3-2-1 脚手架结构模板支撑架的设计计算要求
1．模板支撑架的结构工作特点
无论是梁模板、 楼板模板或梁板模板支撑架, 当采用脚手架杆件搭设, 即采用脚手架结构时, 一般都具有以下结构工作特点:
( 1) 模板支架以承受竖向荷载的压力作用为主, 支架的工作安全主要受其整体或单肢立杆的稳定承载能力控制;
( 2) 在各种结构和构造的模板支架中, 无论是显形的受压柱( 钢管柱、 格构柱等) 或是隐形的受压柱( 即将单元支架或支架段就视为一轴心受压杆件) , 其稳定承载能力取决于压杆的柔度( 即杆件的计算长细比λ) 和结构的约束条件;
( 3) 计算压杆的柔度λ随立杆步距h, 立杆顶端的自由长度h1、 支架的高度H及高宽比H/B的增大而增大, 而约束条件则介于两端铰支( μ＝1.0) 与一端固定、 一端自由( μ＝2.0) 之间, 受构架尺寸、 杆件线刚度、 斜杆和附着拉结杆件设置以及杆件连接( 结) 的紧固程度( 如扣件的拧紧程度) 等因素的影响;
( 4) 不考虑支架各立杆( 柱) 之间的帮忙( 即应力重分布) 作用。试验表明, 下部采用双立杆的脚手架, 主立杆荷载自单、 双立杆的交接处往下传7步后才能完全达到平均受力, 双立杆的间距只有0.2m左右, 而支架立杆的间距为0.6～1.5m, 虽也会有些帮忙作用, 但难以量定, 因此不予考虑。当需要调整相差过大的立杆荷载时, 可采用变杆距或合理确定模板荷载传力点( 即模板支架的支承点) 的办法加以解决。
2．模板支撑架的设计计算要求
( 1) 设计计算项目
1) 受压杆件稳定性验算( 包括支柱、 单肢立杆和支架整体稳定性, 其中支架的整体稳定性一般都转化为对其长度为步距h的立杆段的稳定性验算) ;
2) 直接承受模板荷载并将其传给立杆的水平杆件和构造( 组合梁、 桁架梁等) 及其连接件的验算( 承压、 受弯、 受弯以及扣件抗滑等) ;
3) 支座、 基础和地基验算。
( 2) 荷载计算
梁、 板和梁板模板支架参与计算的荷载项及其取值见表5-85。
梁板模板支架参与计算的荷载项及其取值 表5-85
荷载项目
编号
名称
荷载标准值
1
模板及支架自重
按设计图纸实算。肋形楼板模板的自重可取: 0.5kN/m2( 木模) ; 0.75kN/m2( 组合钢模)
2
新浇混凝土自重
普通混凝土取24kN/m2, 其它混凝土取其实际的重力密度。当混凝土堆料高度超过100mm时, 按实际高度计算
3
钢筋自重
按设计图纸实算。一般梁板结构可取: 1.1kN/m2( 楼板) ; 1.5kN/m2( 梁)
4
施工荷载( 人员及设备自重)
计算支架立柱及其它支承结构构件时取1kN/m2
5
振捣混凝土荷载
荷载组合
对水平模板可取2kN/m2
梁模板支架组合1、 2、 3、 5; 板和梁板模板支架组合1、 2、 3、 4、 5
( 3) 设计计算要求
总的要求为: 构造合理、 受力明确、 荷载算够、 验算合格。其中应特别注意以下几点:
1) 模板荷载的作用点应尽量布置在立杆之上( 经过使用立杆顶托撑或其它构造措施) 或尽量靠近立杆, 以消除或减小偏心作用;
2) 强度和稳定验算, 应分别达到相当于单一系数法设计中安全系数K≥1.5和K≥2.0的要求;
3) 立杆的基础( 地) 应有足够的承载能力, 且在受载后不得出现超过10mm( 或设计限定值) 的沉降。基地的楼板时, 其下应视需要设置支撑;
4) 支架的结构和构造中不得出现低于验算条件的薄弱部位。否则, 应按薄弱部位( 即最不利受力条件) 的荷载和构造参数进行验算;
5) 确保节点构造、 斜杆和其它整体性、 加强性杆件的设置符合设计要求, 使支架具有稳定的结构;
6) 严格控制和确保施工中的实施荷载及其分布不超过设计值。
5-3-2-2 扣件式钢管梁板模板支撑架的稳定性计算
采用扣件式钢管脚手架材料搭设的梁板模板支撑架( 以下简称”扣件梁板模板支架”) 的工作受其稳定承载能力控制。
1．《扣件架规范》对模板支架计算的规定
”模板支架计算”是《扣件架规范》后增加的一节, 共作了3条4款规定, 包括要求模板支架的荷载、 压缩变形和抗倾覆计算应符合《混凝土结构工程施工及验收规范》( GB 50204-92) ( 注: 这是该规范的规定, 而所用标准现已改为《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB 50204- ) 的规定, 支架立杆轴向力设计值N和立杆计算长度l0的计算式。
将《扣件架规范》中式( 5.6.2-3) 所确定的l0以l01表示, 则有:
l01＝h＋2a ( 5-83)
式中 h——支架立杆步距;
a——立杆上端伸出顶层横杆中心线至模板支撑点的长度。
《扣件架规范》给出的模板支架轴向力设计值N的计算式( 5.6.2) 与用于脚手架计算的式( 5.3.2) 是相同的, 前者取l01＝2h＋a, 而后者取l01＝k1μh。当支架的构造和约束条件与双排脚手架相同时, 则l01应当与l0相同, 即l01＝l0, 则有:
h＋2a＝k2μh
a＝h( k1μ-1) /2 ( 5-84)
当l01≥l0时, 其K≥2.0, 可满足安全要求; 当l01＜l0时, 其K＜2.0, 则安全度不够。当将kμ＝1.155×( 1.5～1.8) ＝1.732～2.079代入( 5-84) 式时, 要使得按式( 5-83) 计算的支架立杆钓设计稳定承载能力具有K＞2.0的安全度, 就必须使a≥( 0.367～0.54) h, 即当h＝1.8m时, 需让a≥0.66～0.97m, 而这又恰与限制a的初衷相违背。之因此出现这一问题, 就是在借用英国标准时, 忽视了必须满足K≥2.0的要求。按照《扣件架规范》的计算规定, 在a＜( 0.367～0.54) h时, 就会出现不能满足K≥2.0要求的结果。鉴于这一存在问题, 在计算模板支架时, 需要对式( 5-83) 式作必要的调整, 以确保使用安全。
2．两类构架梁板模板支架立杆计算长度l0的确定
按两类构架的情况, 分别采用相适合的支架立杆计算长度l0的计算式:
几何不可变杆系结构支架:

m1、 m2——考虑扣件式钢管脚手架稳定约束条件中连墙杆和纵向水平杆作用的调整系数, 见表5-88。当支架的边排立杆有附墙连结时, 其靠边两排立杆按实际的附墙连结情况考虑, 其内各排立杆按无附墙连结考虑; 当支架边排无附墙连结时, 横向立杆排数≥5排的支架按”两步三跨”边墙考虑, 横向立杆排数≤4排的支架按”三步三跨”连墙考虑。
模板支架立杆计算长度调整系数k1 表5-86
步距h( m)
h≤0.9
0.9＜h≤1.2
1.2＜h≤1.5
1.5＜h≤2.1
k1
1.243
1.185
1.167
1.163

3．梁板模板支撑架的稳定承载能力和验算步骤
( 1) 梁板模板支架立杆的稳定承载能力
《编制建筑施工脚手架安全技术标准的统一规定》确定的脚手架整体稳定性的一般设计表示式, 将稳定系数φ和结构重要性系数γ0( ＝0.9) 均归入式子右端的抗力项, 即:

以上公式右端就是支架的材料抗力Rd( ＝φAf) , 当立杆为φ48×3.5普碳钢管, 其A＝489mm2, f＝205N/mm2, 则有:
Rd＝100.245φ ( kN) ( 5-93)
支架立杆稳定承载能力Rd的数值列入表5-89中。由表中能够看出: 当支架高度不变时, l0由1.35变化到3.36, 即增加到其2.49倍时, Rd减小至其l0＝1.35时的22.01%～23.8%: 当l0不变时, 随着高度由4m增加到40m, 其Rd为H0＝4m时的77.8%～84.17%。

( 2) 设计验算步骤
1) 计算模板底梁( 楞) 以上荷载的标准值;
2) 依模板构造和荷载情况初选支架立杆布置间距( 等间距或变间距) ;
3) 按以下式子粗算立杆轴力的设计值N':

按以上设计计算步骤, 一般均可实现合格要求, 可避免在盲目情况下先确定构架尺寸所造成的重复调整问题。因为, 如果在第3步已发现N'值偏大时, 即应调整杆距。
5-3-2-3 碗扣式钢管模板支撑架的设计计算
碗扣式钢管模板支撑架的杆件之间为轴心相交、 构件的整体性和刚度较好, 且碗扣节点具有良好的受力性矩, 因而具有比扣件式钢管脚手架和支撑架较高的稳定承载能力, 特别适合用于构造各类重荷载的模板支撑架。
1．碗扣式钢管模板支撑架承载能力的试验值
碗扣式钢管脚手架在研制及其使用过程中, 相继作过一些单元和多元架体试验, 其荷载均为加在架体顶部, 工作条件更近于支撑架的情况, 虽不够系统, 但从表5-90所列的试验结果中, 仍可初步得出以下认识:
碗扣式钢管支架的试验承载能力 表5-90

注: 1．室内试验为正规试验, 采用千斤顶在架体顶部施压; 室外试验采用设于地面的张拉机、 钢丝绳经导向滑轮在顶部施压;
2．破坏形式为整体或局部( 1～2根立杆) 失稳;
3．”节点”斜杆为装设于立杆和横杆节点碗扣上的斜杆, ”非节点”斜杆为装于其它立杆碗扣上的斜杆;
4．⑥号的剪力撑设置方式见图5-57。
( 1) 极限荷载随斜杆设置量的增加而提高
沿纵向( la) 两侧面设节点斜杆的③和四个侧面都设节点斜杆的④的极限荷载, 分别比不设斜杆的①提高了37%和173%, 四侧设置节点斜杆者, 其立杆的极限荷载达74.4～92.5kN, 相当于φ＝0.772～0.923。
( 2) 设置非节点斜杆的作用甚微
设置非节点斜杆的②的极限荷载仅比①提高了约3%。
( 3) 有辅助构架者, 承载力提高
三跨架⑥的极限荷载比单元架①提高了37.61%, 3排双跨架( 4个平面单元, 受力单元居角部) ⑮和的极限荷载比单元架⑫提高了55.56%; 3排3跨架( 6个平面单元, 受力单元距纵向的中部) 的极限荷载比⑫提高了71.67%, 比⑮提高了10.36%。经分析, 辅助构架中与负载单元立杆直接以横杆相连的每根”帮忙”立杆只分担了4.5kN( 即占⑫立杆荷载45kN的10%) 。因此, 负荷单元极限承载力的提高应主要来自: 1) 立杆约束条件的改变( 由角立杆变为边立杆或中立杆) ; 2) 负载单元架架体刚度和稳定性的提高。比较⑫与①的结果, 也可看出粗短架体比细长架体具有更高的承载力。
( 4) 设连墙撑的作用明显
设连墙撑⑥的极限荷载比⑤( 不设连墙撑) 提高了22%( 但这是双排架的试验结果, 随着架体排数的增加, 其作用将相应降低) 。
( 5) 极限荷载随步距的减小而增大
平面单元尺寸相同的⑩、 ⑪和⑫, 步距1.2m的⑩的极限荷载是步距＝1.8m的⑬的152.22%, 而步距＝0.6m的⑪更是⑬的242.22%, 其单立杆承载达到了109kN, 已接近其承载能力的标准值γdRd( ＝1.165×100.25kN) , 虽然并无斜杆设置。说明当斜杆的设置角度偏小时( 此时为21.16°) , 已不起什么作用。
2．碗扣式钢管模板支撑架设计计算结果与试验值的符合程度
当碗扣式钢管模板支撑架亦采用与扣件式钢管支架基本相同的式子, 即在计算立杆的计算长度low时;
对于”几何不可变杆系结构”支架, 取:

从表5-91所列计算值与试验值的比较中能够看出:
碗扣式钢管支架设计和试验承载能力的比较 表5-91

( 1) 室外试验的支架高度为9m左右, 支架的结构刚度和约束条件相对较弱, 极限荷载的试验值与计算值的比较结果为:
1) 无斜杆和两侧面有斜杆设置的单元架( 属于”非几何不可变杆系结构”支架) 室外试验的极限荷载为按”3步3跨”连墙计算的计算值的1.87～2.39倍, 平均达到K＝2.20, 高于设计安全保证要求的2.026( ＝2×1.013) ; 而按”2步3跨”连墙计算时, 则平均达到K＝1.73;
2) 无斜杆的双排3跨架( 即单元架两边有辅助架) 的K＝2.23, 与两侧设斜杆的单元架的K( ＝2.33) 相近; 而有连墙构造的无斜杆双排3跨架的K＝2.79, 其与2.23的比值为1.251, 而有两侧斜杆单元架与无斜杆单元架的比值为2.33/1.87＝1.246, 两者非常相近, 说明两侧面设斜杆时, 起作用相当于加设连墙构造;
3) 设置四侧斜杆的单元架( 属于”几何不可变杆系结构”构架) , 其试验极限荷载为计算值的3.33和3.86倍, 平均K＝3.60。
( 2) 室内试验的支架高度为5m左右, 约为室外试验支架高度的一半, 由于支架的结构刚度和约束条件显著加强, 因而极限荷载提高, 其分析结果为:
1) 无斜杆单元架按”3步3跨”连墙计算时K＝4.27, 按”2步2跨”连墙计算时, K也达到了3.28( 为室外试验的221.6%) ;
2) 四侧斜杆单元架的K达到4.06, 为室外试验的112.8%;
3) 3排立杆的多单元架的K值, 按”3步3跨”连墙计时达到5.7, 按”2步3跨”连墙计时, 也达到4.4, 分别将其μ1w值乘以0.85或0.80系数后, K值仍可达到3.25和2.9。
以上分析结果表明, 3排以上的支架可按”2步3跨”连墙计算, 并可按支架高度调低μ1w的取值。
3．碗扣式钢管模板支撑架设计的要点和参考资料
( 1) 构造要求
1) 支架的步距h应不大于1.8m, 立杆的纵距la和横距lb应不大于1.5m, 且h/la和h/lb必须≥1.0;
2) 支架立杆在顶层横杆之上的伸出长度a≤0.5( μ1w－1) h, 且应尽量减小;
3) 双排支架的两个长向外侧面和多排( 3排以上) 支架的四周外侧面均应设置不少于占其1/3框格的节点斜杆;
4) 各层横杆和扫地杆必须双向满设。
( 2) 设计计算要点
由于绝大多数碗扣式钢管支撑架的斜杆设置数量不会达到占其框格总数的一半, 属于”非几何不可变杆系结构”构架, 但其稳定承载能力显著高于扣件式钢管脚手架, 因此, 在计算规定上作必要的调整, 要点如下:
1) 双排碗扣式钢管支撑架, 按”3步3跨”连墙计算; 3排以上碗扣式钢管支撑架按”2步3跨”连墙计算;
2) 碗扣式钢管支撑架稳定性验算中立杆计算长度系数μ1w按表5-22查出并按以下情况乘以相应的调整系数后使用;
a.双排支架, 当斜杆设置的框格数≥1/3 支架框格总数时, 取调整系数为0.95; ＜1/3框格总数时不调。
b.多排支架( 斜杆设置符合上述构造要求) , 当支架高度≤4m时, 取调整系数为0.85; 当支架高度＞4m时, 取调整系数为0.9。
( 3) 设计验算步骤
1) ～3) 同前述扣件式钢管支架的验算步骤;
4) 确定初设支架立杆的μ'1w, 按表5-92计算;
碗扣式钢管支架立杆μ'1w的计算式 表5-92

5-3-2-4 门式钢管模板支撑架的设计计算
用门式钢管脚手架搭设的模板支撑架, 由于各层门架之间为平接, 使得由多层单列门架构成的支架的横向( 门架平面方向) 刚度较差。在支架较高且无连墙撑设置时, 较易产生过大的侧向变形( 大波鼓曲失稳) , 使其承载能力显著降低。而门式钢管脚手架的稳定性计算取门架立杆的计算长度系数为1, 即, , ( I0、 A1和h1、 I1分别为门架立杆的毛截面惯性矩和毛截面积与加强杆的高度和毛截面积) , 当取k＝1.17, h0和i分别取1.93m和1.525cm( 立杆为φ42×2.5) 与1.90m和1.652( 立杆为φ48×3.5) 时, 其λ、 φ和Rd分别为148、 0.316、 20.08kN和135、 0.371、 37.19kN, 后者大致相当于表5-93所列μ'h＝1.8的4m高普碳钢管支架立杆的稳定承载力( Rd＝37.2) , 而该表μ'h＝1.92的Rd为33.3, 仅为其90%。为安全起见, 将门式钢管脚手架的稳定承载能力乘以0.9的降低系数作为门式钢管支撑架的稳定承载力设计值, 列于表5-93中。
门式钢管支撑架的稳定承载能力 表5-93

当按前述方法确定的门架立杆荷载的设计值N≤表5-93的Rd时, 即为验算合格。