扣件式钢管高大支模架坍塌事故分析及技术措施

    摘要：当前我国水平混凝土构件支模常采用扣件式钢管支模架，施工现场高大支模架坍塌事故时有发生。结合南京某高架桥、北京“西西”工程4号地项目和南京江宁某工程等高大支模架坍塌事故实例进行分析计算，证明事故发生的典型原因是支架本身有严重的构造缺陷，在此基础上提出保证顶部扣件抗滑承载力要求等避免坍塌事故的技术措施。

    关键词：扣件式脚手架；支模架；模板

    扣件式钢管模板高支撑体系在土木工程施工中应用广泛，但因对支模架体系受力性能认识不清、搭设构造不规范等导致的模板支架坍塌事故时有发生。如何有效防止发生高大支模架突发性整体坍塌事故一直是工程建设人员关注的热点，为此建设部规定了高大模板工程所指的对象为：水平混凝土构件模板支撑系统高度超过8m，或跨度超过18m，施工总荷载大于10kN/m²，或集中线荷载大于15 kN/m的模板支撑系统；并规定对高大支模工程应加强专项施工方案的编制及专家审查，以避免支架整体坍塌。

    1高大支模架基本受力特性

    扣件式钢管高大支模排架一般有两种受力模式：一是钢管排架顶部水平杆传力支模模式，梁或板等水平混凝土构件的自重和施工荷载通过底模下的木枋将荷载传至水平杆，水平杆又通过与立杆扣接的直角扣件将荷载传至立杆，如图1所示。试验表明当直角扣件的拧紧力矩达40～65N/m时，单扣件在12kN的荷载下会滑动，其抗滑承载力设计值可取8 kN；双扣件在20 kN荷载下会滑动，其抗滑承载力设计值可取12 kN［1］。对于钢管排架顶部水平钢管传力支模形式，其支架的承载力主要是由支架顶部水平钢管与立杆的扣件抗滑力决定的。二是钢管排架立杆顶端设可调托座传力支模模式，在钢管顶端插入Tr38、长度为600mm的可调托座，支架立杆呈轴心受压状态。这种支模方法在高架桥或其他连续箱梁桥施工中应用较多，其支架的承载力主要由支架的稳定承载力决定，如图2所示。

 

    2高大支模架坍塌事故分析

    2.1 钢管排架立杆顶端扣件滑脱的坍塌模式2004年南京某高架桥浇筑混凝土连续梁桥面时，近50m的桥面突然发生支模架整体坍塌，造成正在施工的数十名工人受伤。

    经查看坍塌的扣件式钢管支模架，其排架水平杆步高为1.6m，桥墩的墩梁处搭设架体的基本尺寸为双向600mm×600mm，纵向的箱室梁腹板部位的架体基本尺寸为600 mm×900 mm，板下基本尺寸为900 mm×900 mm，每根立杆每步的双向水平杆均不缺少，因此该架体构造基本完整［2］。

    由于顶部梁板下的150mm×150mm的大木枋均搁置在扣件钢管顶部的水平杆上，通过顶部支架节点的扣件摩擦力传递施工荷载，这种支模形式的支架承载力一般由顶部扣件抗滑力决定。调查结果表明，由于顶部传力双扣件的拧紧力矩不足，导致在混凝土浇筑至接近顶板基本完成时，因直角扣件节点抗滑力不足而发生支架整体下沉直至缓慢坍塌。

    2.2钢管排架顶部立杆伸出水平杆长度过大的坍塌模式

    2.2.1事故概况

    北京“西西”工程4号地项目中庭为处于地面上1-5层的一个共享空间，由于长25.2 m、宽16.8 m的扣件式钢管高支模架发生整体坍塌事故，造成施工人员8死21伤。该厅堂楼盖面积为423m²，为四周支承于框架梁上的预应力空心楼板（板厚550mm，折算厚度376mm，板内预埋￠400GBF管），南侧边梁KL17截面850 mm×950 mm、北侧边梁KL22截面1 000 mm×1 300 mm,东西两侧边梁K27和K30均为600 mm×600 mm，混凝土总量为198.6m³。基本架体间距1200×1200mm，步高1500mm，顶部插可调托（图3），总支模高度为21.8 m，插有可调托的立杆伸出顶层横向水平杆的长度为1 200～1 500 mm，扫地杆离地300～500 mm［3］。

    2.2.2支架坍塌计算分析

    按支架实际搭设尺寸建立有限元整体模型，计算支架的整体稳定性。计算假定如下：

    （1）模板支架结构为三维空间杆系结构，立杆支座与地面铰接；

    （2）水平杆与立杆之间半刚性连接，节点刚度系数取东南大学试验测试值；

    （3）忽略偏心作用，立杆顶端受轴心竖向力P；

    （4）节点刚度在结构失稳前保持不变，不考虑节点偏心作用。

 

    钢管壁厚按实测取3.0mm计算，立杆顶层悬臂端长度1 500 mm，弹性模量为2.06×105 N/mm²，钢材为Q235，水平杆与立杆为半刚性连接，其抗扭转刚度按拧紧力矩20N•m取为1.6×107N•mm/rad。

    计算模拟结果表明，模板支架由于立杆顶端局部侧移过大导致支架呈整体失稳破坏形式，其单根立杆稳定极限承载力Pcr=10.9 kN；而按该工程混凝土构件的尺寸，按荷载标准值组合，立杆轴力N=1.0 NGK+1.0NQK,NGK和NQK分别为恒荷载和活荷载在立杆中引起的轴力标准值，计算得出楼板下支架单根立杆N板=16.4kN；对比计算机模拟算得的极限承载力Pcr与实际支架立杆轴力标准值，说明由于支架顶部立杆伸出水平杆长度过大导致架体必然失稳破坏。

    2.2.3悬臂长度与支模架极限承载力的关系

    在其他构造条件与“西西”工程4号地项目构造一致的条件下，分别计算不同悬臂长度下支架整体稳定承载力极限值如表1所示。

 

    由表1可知，对于顶部设置可调托的扣件式钢管支模架，支架顶部承受轴心压力，悬臂长a=1.5 m的稳定承载力比悬臂长度a=0.3 m的稳定承载力降低约37％，因此位于支模排架顶部的立杆伸出水平杆的长度显著影响了支模架的稳定承载力。

    综上所述，该工程支架发生事故除未设置剪刀撑、扫地杆高度过大等搭设构造问题外，主要是轴心受压支架体系悬臂长度过大，最终导致支架整体坍塌。

    2.3立杆间每步水平杆单向交错设置的坍塌模式

    2.3.1事故概况

    2004年9月1日晚22时48分，江苏南京江宁某工程在浇筑2幢框架楼间9-13轴线廊道顶层屋面梁板混凝土时，发生了模板支架系统整体坍塌的恶性事故，造成作业人员22人伤亡。

    该工程坍塌的结构部分为东西两个教学楼的联络通道顶屋盖，跨度16m，楼板厚100mm，反梁尺寸为350 mm×1 200 mm，楼面结构自重213 t。扣件式钢管支模架总高18 m，搭设的架体平面基本尺寸为纵横向1 000 mm×1 000 mm，水平杆步高1 800 mm。事故发生后查看现场搭设情况，支架无扫地杆、无剪刀撑，东西向的水平杆每步均设，南北向的水平杆每三跨（每隔两根立杆）设置，如图3所示。

 

    2.3.2支架坍塌计算分析

    按支架实际搭设尺寸建立有限元模型，计算支架的整体稳定性。计算假定及有关计算参数同2.2.2。整体计算模拟表明，模板支架呈整体失稳破坏形式，其单根立杆极限稳定承载力Pcr=6.8 kN；而按该工程浇筑混凝土构件的尺寸，算得350mm×1200mm梁下支架立杆轴压力标准值N梁=7.5kN，因此支架设计存在承载力不足的问题。

    2.3.3设置双向水平杆与支模架极限承载力的关系

    在其他构造条件与本工程一致的条件下，计算得出每步均设双向水平杆支架整体稳定单根立杆可承受承载力极限值Pcr=10.1 kN，单向每三跨设置水平杆支架整体稳定承载力降低约30％。

    经测算该支模系统南北向水平杆仅搭设需用量的30％，造成50％的立杆仅东西方向受水平杆的约束作用。因此该支模系统整体坍塌的最直接原因为：由于未设置双向正交水平杆，导致模板支撑系统整体刚度严重不足而造成失稳坍塌。

    3避免高大支模架坍塌事故的技术措施

    从已发生的扣件式钢管高支模架坍塌事故案例分析看，发生整体坍塌的支架一般均具有严重的构造缺陷。在目前所用扣件、钢管质量普遍较差的条件下，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术措施具有重要的意义。

    （1）对于钢管排架顶部水平杆传力支模模式，避免支架坍塌的一个关键是验算顶部扣件抗滑移承载力是否满足要求，同时施工现场技术负责人检查顶部扣件拧紧力矩应为40～65N•m之间。

    （2）对于钢管排架立杆顶部设置可调托座传力支模模式，在满足基本搭设构造要求的前提下，应控制立杆超出顶部水平杆的悬臂长度不大于600mm。

    （3）支设高大支模架时，应注意不应缺少每步的双向水平杆，且扫地杆、竖向剪刀撑及水平剪刀撑等基本构造应完整，以保证不会因整体刚度不足导致支架坍塌破坏。