不同标准下高大模板支撑体系安全性与经济性分析

不同标准下高大模板支撑体系安全性与经济性分析

朱昌龙

中国三冶集团有限公司，辽宁 鞍山 114039

摘要：扣件式钢管脚手架为高大模板工程广泛使用的临时支撑体系。目前，我国发布了多项扣件式钢管脚手架相关的国家和行业标准，在实际项目方案设计中，通常会选择某一项标准对模板支撑体系进行安全计算，而各标准在安全验算和构造要求上存在一定差异，导致支撑体系的安全储备和材料性能利用率不同。

本文将根据六项相关现行国家和行业标准，以A工程高大模板支撑体系专项设计为例，对多标准下同一支撑体系的安全性和经济性进行分析，提出在进行高大模板支撑体系设计中，多项标准下的安全技术建议。

关键词：高大模板；安全性；支撑体系；构造；经济性

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1.前言

随着人们对生活空间和功能的要求不断提高，涌现出越来越多的大跨、超高、超重等超规模高大模板现浇混凝土工程施工。钢筋混凝土工程施工过程中，经常使用扣件式、盘扣式、碗扣式或各种承插型钢管支架等模板支撑体系，其中，扣件式钢管支撑体系因其搭拆灵活、经济实用、承载力高等特点，应用较为广泛，伴随着发生的支撑体系坍塌事故亦时有发生，造成大量的人员伤亡和经济损失，因而国家出台了相关标准，来规范支撑体系的施工管理，减少事故发生。目前，与扣件式钢管支撑体系的相关的常用国家和行业标准有六项，分别是《建筑施工模板安全技术规范》JGJ162-2008[1]（下文简称标准Ⅰ），《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130-2011[2]（下文简称标准Ⅱ），《混凝土结构工程施工规范》GB50666-2011[3]（下文简称标准Ⅲ），《建筑施工临时支撑结构技术规范》JGJ300-2013[4]（下文简称标准Ⅳ），《建筑施工脚手架安全技术统一标准》GB51210-2016[5]（下文简称标准Ⅴ），《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术标准》T/CECS699-2020[6]（下文简称标准Ⅵ），六项标准在荷载组合、支撑体系稳定性验算和构造要求等方面存在一些差异。

工程项目中，往往会基于某一项标准进行方案设计，保证了安全但忽略了更经济的方案。本文利用工程常用的品茗施工云安全计算软件，对A工程高大模板支撑体系进行专项设计，分析不同标准下支撑体系的安全储备情况和材料利用性能情况，给出一些合理选择标准的建议。

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2.多标准下扣件式支撑体系差异对比分析

2.1 稳定性验算差异对比分析

2.1.1 荷载效应组合差异对比

1.荷载效应组合中，标准Ⅰ和标准Ⅱ采用的结构重要性系数γ0取0.9；标准Ⅲ规定，对重要的模架宜取γ0≥1.0，对一般的模架宜取γ0≥0.9；标准Ⅳ不考虑γ0，默认取1.0；标准Ⅴ和标准Ⅵ规定，支撑架安全等级为Ⅰ级时，取γ0=1.1，安全等级为Ⅱ级时，取γ0=1.0。高大模板支撑体系在搭设和使用过程中，影响其承载能力和稳定性的不确定因素很多，易引发安全事故，对人的生命、经济或社会影响较大，当γ0取0.9时，荷载控制的效应设计值有所降低，对架体安全储备有一定影响；取γ0≥1.0，计算的荷载效应设计值偏安全，架体安全储备值能保持在一定范围内。

2.荷载分项系数取值，标准Ⅰ和标准Ⅱ采用γG=1.2，γQ=1.4；标准Ⅲ采用γG=1.35，γQ=1.4；标准Ⅳ和标准Ⅴ规定，进行稳定性验算，当由永久荷载控制时，γG=1.35、γQ=1.4，当由可变荷载控制时，γG=1.2、γQ=1.4；标准Ⅵ规定，强度稳定性验算时，γG=1.3、γQ=1.5。《建筑结构可靠性设计统一标准》GB50068-2018[7]是建筑进行建筑结构可靠性设计的基础标准，各种结构的可靠性设计均应符合该标准规定的基本准则，当作用效应对承载力不利时，γG=1.3、γQ=1.5，仅标准Ⅵ满足现行标准的规定。其他标准进行修订时会依据现行的可靠性标准修改分项系数取值。

2.1.2 架体稳定性验算差异对比

立杆稳定性验算中，标准Ⅰ和标准Ⅲ长细比计算时，采用步距为计算长度；标准Ⅱ和标准Ⅵ长细比计算引入立杆计算长度附加系数k和立杆计算长度系数μ两个系数，并考虑顶部立杆段和非顶部立杆段根据计算结果取不利值；标准Ⅳ稳定性验算考虑了剪刀撑的设置，长细比计算引入立杆计算长度系数μ、扫地杆高度与悬臂长度修正系数βa和高度修正系数βH三个系数。标准Ⅴ规定立杆长细比λ值应按脚手架相关的国家现行标准计算，品茗云计算安全软件中采用的是标准Ⅱ的相关规定来计算λ。

2.2 构造要求差异对比分析

2.2.1 水平杆布置差异对比

标准Ⅰ规定，可调支托底部的立杆顶端应沿纵横向设一道水平杆，当层高在8~20m时，在最顶步距两水平拉杆中间应加设一道水平拉杆；当层高大于20m时，在最顶两步距水平拉杆中间分别增设一道水平拉杆[1]。标准Ⅴ规定，安全等级为Ⅰ级的支撑脚手架顶层两步范围内架体纵横杆宜按减小步距加密设置[5]。其他标准对水平杆布置无特殊要求。

2.2.2 立杆顶部自由端长度差异对比

标准Ⅰ要求螺杆伸出钢管顶部不得大于200mm，其立杆顶端应设一道纵横向水平拉杆；标准Ⅱ、标准Ⅲ、标准Ⅳ和标准Ⅵ要求螺杆伸出钢管的长度不大于300mm，可调托座伸出顶层水平杆的悬臂长度不大于500mm，即立杆顶端下200mm范围内应设一道纵横水平拉杆；标准Ⅴ要求可调螺杆的外伸长度不大于300mm，未明确可调托座伸出顶层水平杆的悬臂长度。

2.2.3 立杆容许长细比差异对比

标准Ⅰ规定支架立柱[λ]=150；标准Ⅱ规定满堂支撑架[λ]=210；标准Ⅲ和标准Ⅳ规定受压构件支架立柱[λ]=180；标准Ⅴ标准未明确[λ]限值，品茗云安全计算软件中[λ]=210；标准Ⅵ规定满堂支撑架[λ]=210。

2.2.4 剪刀撑设置差异对比

标准Ⅱ和标准Ⅵ剪刀撑布置分为普通型和加强型，对水平剪刀撑的间距和竖向剪刀撑的宽度做了规定。其他标准在水平剪刀撑布置上基本一致，竖向剪刀撑宽度稍有差异。

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3.多标准下扣件式支撑体系安全性与经济性分析

3.1 高大模板支撑体系实例计算

3.1.1 工程实例概况

A工程图书馆位于吉林省长春市，建筑面积10893m2，框架结构，高支模区域为展览区上空屋面梁板部位，以其中屋面板模板支撑体系设计为例进行安全计算。此区域底板标高为-0.11m，顶板标高为18.4m，底、顶板厚均为100mm，C30混凝土，支模高度为18.51m。

模板采用15mm厚木胶合板，次楞采用50×80mm木方，主梁采用∅48×2.8mm双钢管，立杆采用∅48×2.8mm钢管。

3.1.2 高大模板支撑体系设计

高支模区域顶板模板支撑体系设计参数见下表：

表2 模板支撑体系设计参数表

表3 荷载设计表

表4 荷载系数表

3.2 高大模板支撑体系安全性和经济性分析

利用品茗云安全计算软件对面板、小梁和主梁进行强度和挠度验算，对立杆进行稳定性验算，对比不同标准下的安全储备值和各类材料性能利用率。

3.2.1 不同标准下高大模板支撑体系安全性分析

1.面板验算

对模板进行抗弯强度和挠度两个指标的验算，计算出各标准下模板受到的荷载控制效应设计值和安全储备见下表。

表5 面板抗弯强度和挠度验算结果对比分析表

上述抗弯验算结果中，标准Ⅲ~标准Ⅴ计算的值最小，安全储备最大，达到85.11%；标准Ⅰ和标准Ⅱ计算的值最大，安全储备亦达到了50.21%。

2.小梁验算

对小梁（木方）进行抗弯、抗剪强度和挠度三个指标的验算，计算出各标准下小梁受到的荷载控制效应设计值和安全储备见下表。

表6 小梁强度和挠度验算结果对比分析表

上述抗弯和抗剪验算结果中，标准Ⅲ~标准Ⅴ计算的值最小，安全储备最大，达到71.49%（抗弯）和72.56%（抗剪）；标准Ⅰ和标准Ⅱ计算的值最大，安全储备偏小，抗弯强度的安全储备仅为16.76%，抗剪强度安全储备为21.49%。

3.主梁验算

对主梁（双钢管）进行抗弯、抗剪强度和挠度三个指标的验算，计算出各标准下主梁受到的荷载控制效应设计值和安全储备见下表。

表7 主梁强度和挠度验算结果对比分析表

上述抗弯和抗剪验算结果中，标准Ⅰ~标准Ⅴ计算的值相同，安全储备为56.67%（抗弯）和89.86%（抗剪）；标准Ⅵ计算的值比其他标准稍大，安全储备为54.5%（抗弯）和89.33%（抗剪）。

4.立杆验算

对立杆稳定性指标进行验算，计算出各标准下立杆受到的荷载控制效应设计值和安全储备见下表。

表8 立杆稳定性验算结果对比分析表

上述稳定性验算结果中，标准Ⅳ计算结果最大，且超过了抗压强度设计值，若按照此标准进行立杆稳定性验算，为满足稳定性要求，需要再减小立杆间距验算才可通过。标准Ⅴ和标准Ⅵ计算结果满足要求，但安全储备均较低；标准Ⅰ和标准Ⅲ计算结果最小，安全储备为63.45%。

3.2.1 不同标准下高大模板支撑体系经济性分析

材料性能利用率是材料所承受的效应值与其抗力设计值的比值。当材料性能利用率在0%~20%（包含）时，说明其安全性高，经济性差；当材料性能利用率在20%~80%（包含）时，说明其安全性和经济性均比较合理；当材料性能利用率在80%~100%（包含）时，说明其安全性低，经济性好。

1.面板的经济性分析

面板验算中，标准Ⅰ和标准Ⅱ材料性能利用率为49.79%，安全储备为50.21%，安全性和经济性相对合理。其他标准材料性能利用率均为15%左右，安全储备在80%以上，反映出其安全储备非常充分，经济性稍差。

2.小梁的经济性分析

小梁验算中，标准Ⅰ和标准Ⅱ材料性能利用率最高达83.24%，安全储备仅为16.76%，经济性较好，但安全性差。其他标准材料性能利用率均为30%左右，安全储备在70%以上，安全性和经济性相对合理。

3.主梁的经济性分析

主梁验算中，所有标准的材料性能利用率均在45%左右，安全性和经济性相对合理。

4.立杆的经济性分析

立杆稳定性验算中，标准Ⅰ和标准Ⅲ材料性能利用率为36.54%，标准Ⅱ材料性能利用率为65.40%，安全性和经济性相对合理。标准Ⅴ材料性能利用率为88.14%，标准Ⅵ材料性能利用率为91.50%，安全储备均在15%以下，安全性差，经济性较好。标准Ⅳ材料性能利用率高达240%，安全储备为-140.5%，要确保安全，需要减小立杆间距计算偏保守。

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4.结论与建议

4.1 结论

本文进行了支撑体系在不同标准下稳定性验算要求和构造要求的差异对比分析，利用品茗云安全计算软件基于A工程图书馆高支模区域进行了安全验算，对其安全性和经济性进行了分析，得出如下结论：

1.不同标准下的扣件式高大模板支撑体系，在荷载组合、稳定性验算、构造要求上存在差异，导致其安全性和经济性不同，工程应用中，应合理选用标准，在确保安全的基础上，有良好的经济性。

2.在立杆容许长细比、立杆顶部自由端长度和水平杆布置要求上，标准Ⅰ的规定相对严格；剪刀撑布置的要求上，标准Ⅱ和标准Ⅵ的规定相对严格；构造设置上，应选用相对严格的构造要求，为高大模板支撑体系保持安全稳定提供有力保障。

3.面板验算，标准Ⅰ和标准Ⅱ的安全储备和材料性能利用率均在50%左右，安全性和经济性合理，其他标准安全储备在15%左右，材料性能利用率在80%以上，安全性差，经济性好。小梁验算，标准Ⅰ和标准Ⅱ的安全储备为16.76%，材料利用率为83.24%，安全性差、经济性好；其他标准安全储备在70%左右，材料性能利用率在30%左右，安全性和经济性比较合理。主梁验算，所有标准的安全储备和材料性能利用率均在40%~60%之间，安全性和经济性合理。立杆稳定性验算，标准Ⅰ和标准Ⅲ的安全储备和材料性能利用率在35%~70%之间安全性和经济性相对合理。标准Ⅴ和标准Ⅵ安全储备在15%以下，材料性能利用率超过85%，安全性差，经济性较好。标准Ⅳ材料性能利用率高达240%，安全储备为-140.5%，要确保安全，需要减小立杆间距。

4.2 建议

结合前文分析，标准Ⅰ在荷载组合、安全储备情况和材料性能利用率方面均比较合理，建议进行支撑体系设计时，选用此标准作为主要计算依据。值得注意的是，在荷载组合时，应按现行《建筑结构可靠性设计统一标准》GB50068-2018[7]进行γ0、γG和γQ的取值。

在进行方案论证前，应进行当地论证专家对计算依据的倾向性调查，做好应对准备，确保方案的安全性和经济性均在合理范围内。

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致  谢

参考文献

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ162-2008.建筑施工模板安全技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2008

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ130-2011.建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2011

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50666-2011.混凝土结构工程施工规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2011

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ300-2013.建筑施工临时支撑结构技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2013

[5]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB51210-2016.建筑施工脚手架安全技术统一标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2016

[6]中华人民共和国住房和城乡建设部.T/CECS699-2020.建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2020

[7]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50068-2018.建筑结构可靠性设计统一标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2018

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