扣件式钢管模板高支架坍塌事故典型案例分析,同欣科技（品茗广东）客户服务中心 王剑,高支模稳定性验算一直是行业工作中讨论的重点。由于现行规范的针对性不足，对由于立杆存在偏心以及水平力存在导致的失稳研究不够深入。近年来发生的多起扣件式钢管模板支架倒塌事故引起了国内外专家学者的极大关注。,工作背景,南京（江苏） 2000年10月25日 6人死亡、35人受伤杭州（浙江） 2002年07月25日 4人死亡、20人受伤马山（广西） 2004年06月28日 3人死亡、11人受伤柳州（广西） 2005年01月04日 5人死亡、 2人受伤北京 2005年09月05日 8人死亡、21人受伤鹿寨（广西） 2006年04月21日 2人死亡、 4人受伤南宁（广西） 2007年02月12日 7人死亡、 7人受伤郑州（河南） 2007年09月06日 7人死亡、17人受伤侯马（山西） 2007年11月25日 3人死亡、 6人受伤合肥（安徽） 2008年01月21日 1人死亡、11人受伤,长沙（湖南） 2008年04月30日 8人死亡、 3人受伤蚌埠 （安徽） 2008年05月03日 3人死亡 、 4人受伤大通（青海） 2008年07月25日 7人死亡、30人受伤崇左（广西） 2008年09月10日 1人死亡、 7人受伤东兴（广西） 2008年10月05日 2人受伤东营（山东） 2008年10月29日 4人死亡、13人受伤巢湖（安徽） 2008年12月06日 1人受伤上海 2008年12月21日 3人死亡、 7人受伤西宁（青海） 2009年01月15日 2人死亡,随着近年来各地施工模板支架的相继垮塌 人们开始质疑现行计算体系的正确性,引发讨论的失稳现象（一）,2007年2月12日广西医科大学图书馆二期工程工地模板倒塌，调查人员在事故现场发现大量脱落的扣件。此现象表明扣件在立杆失稳前松脱的可能性存在。,竖向内力是原因吗? 竖向内力不会引起立杆的压缩变形，又因力是竖向的，架顶在水平方向上的侧移与其无直接关系。,当立杆沿水平杆杆轴方向传递水平力时，水平杆上的对接扣件无法承受拉力而松脱；当立杆沿垂直于水平杆的方向向水平杆传递水平力时，水平杆上产生弯矩，对接扣件无法承受弯矩而松脱。扣件松脱可以造成塌架。,水平荷载因何产生？,思考,1、模板支架计算时，要不要考虑立杆偏心的影响 ；如果要考虑，在计算模型中如何体现？2、模板支架计算时，水平力的作用如何考虑，水平力和垂直作用力对架体稳定各自带来什么影响？3、计算模型中高宽比因素如何考虑?如何抵消因搭设高度过高对支架体系稳定性带来的不利影响?,一、水平力产生及其影响,1 水平力产生的原因 2 在水平力作用下的立杆计算模型 3 立杆在水平力作用下的稳定性计算,1 、水平力产生的原因,作用在模板高支架上的水平力有： 1）风荷载； 2）泵送砼及推车导致的水平侧向力； 3）由于立杆偏心产生的水平静力；,1）水平静力R偏心存在使立杆倾斜。水平杆支持斜立杆使其不倾倒所产生水平静力，由作用力与反作用力定律可知，斜立杆对水平杆施加了水平力，其值与R相等，方向相反。 R的值可由力矩平衡条件求得 ：,杆件有初弯曲。因反复使用，立杆、水平杆均有初弯曲，在支架搭设过程中，杆件的初弯曲导致立杆偏离预定位置而形成斜立杆。为使立杆不偏离预定位置，有部分立杆被强拉入排入列，捣制混凝土时，振动力使扣件松动，立杆偏离预定位置形成斜立杆。 施工中的偏差。底立杆的偏差、往上接长各杆段的偏差均有发生，并且带有很大的随机性，也造成立杆倾斜。,偏心产生的原因,2）风荷载及水平侧向力,布料杆在输送混凝土时的冲击荷载 可能是造成垮塌的诱发荷载,2 、水平力作用下立杆计算模型,对于水平力Q作用下的连续梁，用位移法或力矩分配法求解，可求得全梁弯矩图，进而求得各支座反力。,1）最大弯矩值出现在顶节点处，从上往下，每节点的弯矩值约等于上一节点弯矩值的1/4，历4跨之后，在节点4衰减到0.004Qa，已可忽略不计。2）最大支座反力出现在顶节点处，从上往下，从R1开始，每节点的支座反力值 约等于上一节点支座反力值的1/4，历4跨之后，在节点4衰减到 ,已可忽略不计。,3 、水平力作用下的架体失稳破坏型式,当架体在重压之下开始改变几何形状，逐渐偏离原来的平衡位置时（整架侧移、局部侧移、架顶扭转），扣件与杆件间产生越来越大的摩擦力。当此摩擦力最终被外力克服时，扣件松脱或破碎，水平杆无法约束立杆，发生散架。之后立杆发生压弯破坏，接着便是全架倒塌。 若架体中不设置竖向剪刀撑体系，在水平力作用下，架顶便发生瞬间侧移或扭转，架体的几何不变性随即消失。,4 、考虑水平力作用下的模板高支架稳定性计算方法,由于水平力对模板高支架的不利影响主要集中在架顶区域，所以水平侧向力对架体稳定性影响除了产生附加弯矩外，还以附加轴力的形式出现，对架体整体侧向稳定带来不利影响。,风线荷载qw的计算,qw,对于整体侧向力计算可采用简化方法计算： (1)若风荷载沿模板支架横向作用，如右图所示，取整体模板支架的一排横向支架作为计算单元，作用在计算单元模板上的水平线荷载设计值为：, k 风荷载标准值(N/mm2)； la 立杆迎风面间距(mm)。 0.9 风荷载组合系数。,风荷载标准值K 应按下列公式计算： K =0.7zszw0 其中基本风压值w0应按该规范D.4中n=10年的规定采用(由于模板使用时间短暂)，并取风振系数z=1。,对比原规范：其标准值按建筑结构荷载规范 （GB50009）的规定采用，其中基本风压除按 不同地形调整外，可乘0.8临时结构调整系数.即 风荷载标准值: K =0.8zszw0基本风压值w0取n=50年,验算模板支架整体抗倾覆性,风线荷载引起的计算单元立杆附加轴力按线性分布确定，如右图所示。最大附加轴力N1,标准值表达式为：,计算单元立杆附加轴力线性分布,Mw 风荷载产生的弯矩标准值。按下式计算：h 步距；lb 与迎风面垂直方向立杆间距(mm)。 0.9抗倾覆验算折减系数;,验算点处立杆附加轴力Ni按最大轴力N1及线性分布图确定。,不组合风荷载时组合风荷载时N-计算立杆轴向力设计值 -轴心受压构件的稳定系数 -长细比， =l0/i,立杆稳定性计算规范JGJ162,立杆轴向力计算(组合风荷载时 ),模板高支架搭设高度对稳定性带来的影响,按JGJ162计算公式，立杆的计算长度取l0=h ,在工程实践中，通常h=1.5m于是立杆的计算长度一般为：无论架高几许，立杆的计算长度均为1.5m，对4.5m高的低架如此，对67m高的超高架也是如此，对任何高度的架体均如此。这个的取值能反映67m超高架的受力状况吗？,根据杜荣军的文献“扣件式钢管模板高支撑架的设计和使用安全”(施工技术，2002年第31卷第3期第3-8页)，,其中： 1、计算长度lo取纵横水平拉杆的最大步距。最大步距不得大于1.8m，步距相同时采用底层步距。2、,规范JGJ162有关说明,比较JGJ130:l0=h+2a,高宽比的影响,考察一底端固定，上端自由的立杆，当其上端受一水平力Q作用时，上端的水平侧移为：杆的水平侧移与水平力Q成正比，与立杆高度的立方成正比，而与立杆抗弯刚度的3倍成反比。换言之，杆越高，抗侧移能力越差，刚度越大，抗侧移能力越强。这对于单立杆如此，对于整架而言也如此。对于整个架体，EI就是整架 的抗侧移刚度。,规范JGJ162有关说明,横向高宽比5 时（超高支模体系）,为了加强其构架的整体刚度,应视需要通过设置外连装置设置一至数道整体性水平加强层。,计算原理总结:,1、模板支架计算必须考虑水平荷载作用。2、水平力对模板高支架的不利影响主要集中在架顶区域，所以水平侧向力对架体稳定性影响除了产生附加弯矩外，还以附加轴力的形式出现，对架体整体侧向稳定带来不利影响。3、对于整体侧向力计算可采用简化为风荷载沿模板支架横向作用。,4、立杆轴向力计算,5、实际案例计算,结果分析：,新旧规范差异及审核要点,2009年1月15日青海省西宁市在建高架桥工地模板倒塌（下图），支架内部无剪刀撑体系支撑，顶部在水平方向上有侧移，表明支架是几何可变体系，架体不能支持立杆正常工作。,引发讨论的失稳现象（二）,用支架计算公式计算，确认立杆稳定了，并不等于支架就安全了。支架的稳固，除立杆必须稳定之外，尚需要合理的构造措施，以确保支架架体的几何不变性。如何才能保证支架架体的几何不变性？,扣件式钢管模板高支架安全管理与构造要求,三 节点的力学性质和几何不变体系,1、刚节点：,2、铰节点：,3.1 什么是几何不变体系？,从结构力学的机动分析可知，由3条链杆和3个铰链构成的三角形为几何不变的基本单元。,在外力作用下，几何不变体内任意两点之间是不会有相对位移的。,3.2 几何可变架体与几何不变架体,在某一个平面上无三角形几何不变单元作支撑的支架，在此平面上呈几何可变状态。反之，若在该平面上有三角形几何不变单元作支撑，支架在此平面上呈几何不变状态。,3.3 空间几何不变单元,若有三个维度的三角形不变单元支撑（六个面上均设置剪刀撑，形成剪刀撑体系），此支架就是空间几何不变架体，它六个面中的任何一面均不变形。一个单元的几何不变架体称为几何不变六面单元。,3.4 关于模板支撑几何不变体系,不能简单通过增加水平杆和立杆解决几何可变问题。,竖向剪刀撑可约束架顶侧移（立面图）,水平剪刀撑可约束架顶扭转（平面图）,架体内设置 三向剪刀撑体系，架体成为几何不变体,建筑施工模板安全技术规范JGJ 1622008第6.2.4条第5款:,请大家比较JGJ130-2001，这两部规范的上述条目所展示的模板支架体系(6.8.2条)，哪一条所规定的是几何不变体系，哪一条所规定的是几何可变体系？,几何不变体系构造 6.2.4：满堂模板和共享空间模板支架立柱,在外侧周圈应设由下至上的竖向连续式剪刀撑; 中间在纵横向应每隔10m左右设由下至上的竖向连续式剪刀撑，其宽度适宜为46m，并在剪刀撑部位的顶部、扫地杆处设置水平剪刀撑。,模板支撑系统四周均设剪刀撑,6.2.4：剪刀撑杆件的底端应与地面顶紧，夹角适宜为4560度。当建筑层高在820m时，除满足前述规定外，还应在纵横向相邻的两竖向连续式剪刀撑之间增加之字斜撑，在有水平剪刀撑的部位，应在每个剪刀撑中间处增加一道水平剪刀撑。,6.2.4：当建筑层高超过20m时，在满足前述规定的基础上，应将所有之字斜撑全部改为连续式剪刀撑。,四、施工构造措施,4.1、水平杆的接长：所有支架的扫天杆（最顶端水平横杆）以及在扫天杆往下h范围内和危险区域范围内的水平杆采用搭接接长，禁止对接；,JGJ 130规定搭接长度不应小于1000 mm，用3个扣件固定；JGJ 162规定搭接长度不应小于500 mm，用2个扣件固定。建议搭接长度不应小于700 mm，是考虑在此长度上布置3个扣件已有足够的位置，规定用3个扣件固定是因为危险区域的水平杆、剪刀撑等不但承受轴向力，而且还承受弯矩作用，如果仅用2个扣件固定，一旦其中一个松脱，该杆随即失去作用，架体在该位置上变形。,2 剪刀撑采用搭接接长； 3 立杆应采用对接接长，相邻两立杆的接头不应在同一步高内。,板立柱间距梁立柱间距,板立柱间距2x梁立柱间距,2h,从架顶往下6m范围内应加强防范:,的高大作业平台支架和高大模板支架 中危险区域,加密剪刀撑：危险区域加密水平剪刀撑。扫天杆位置应设置1道水平剪刀撑，往下再设1道，间距为h，共设2道，全平面设置；支架内部应分别设置纵横两向竖直剪刀撑，间距为：沿支架纵、横向每 设一道。每道竖直剪刀撑均为全高全长设置；沿柱高每楼层至少设1道连墙(抱柱)装置。楼层高于4 m的，按每4m设1道。,