插銷式鋼管支架內(nèi)力分析

1、插銷式鋼管支架內(nèi)力分析for man30插銷式鋼管支架內(nèi)力分析林伊寧(廣西建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站)摘要模板支架中存在水平動內(nèi)力，插銷式鋼管支架的插銷在水平動內(nèi)力作用下不能自鎖。關(guān)鍵詞水平動內(nèi)力 自鎖 引言現(xiàn)行理論和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于模板支架的計算公式不適用于模板支架計算，其力學(xué)模型是錯誤的。模板支架解體是架中的水平內(nèi)力引發(fā)架體變形，進(jìn)而導(dǎo)致節(jié)點破壞引發(fā)的，不是立桿失穩(wěn)引發(fā)的。將立桿失穩(wěn)視為模板支架倒塌的原因而忽略對架體變形的防范，是現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)所犯的致命性錯誤，也是國內(nèi)外模板支架不斷倒塌的根源所在。以上內(nèi)容詳見本文的附件走出模板支架結(jié)構(gòu)理論的誤區(qū)一文。本文對模板支架內(nèi)力的分析，摒棄現(xiàn)行的錯誤力學(xué)模

2、型，使用能真實反映支架內(nèi)力分布狀況的連續(xù)梁力學(xué)模型。1. 模板支架內(nèi)力分析模板支架結(jié)構(gòu)如圖1所示。支架中的立桿是依靠水平桿的支持維持平衡的，若將立桿視為連續(xù)梁，水平桿便是該梁的支座。因立桿有微小擺動，所以由水平桿所構(gòu)成的支座是彈性支座(如圖2a所示)。又因彈性支座不易分析，用剛性支座代替彈性支座并不影響對支架內(nèi)力的定性，所以采用剛性支座連續(xù)梁力學(xué)模型對支架進(jìn)行內(nèi)力分析。在圖1所示支架中任取一條立桿AG，建立力學(xué)模型如圖2b所示。圖2中作用在立桿頂端的荷載有2個：P是施工荷載，偏心距為e；Q是水平荷載，由風(fēng)力、泵送混凝土的水平力，推車等外力引起。圖1 模板支架結(jié)構(gòu)示意圖1模板；2頂層水平桿；3掃

3、地桿；4立桿；5次頂層水平桿；6豎直剪刀撐 a 彈性支座的立桿連續(xù)梁力學(xué)模型 b 剛性支座的立桿連續(xù)梁力學(xué)模型圖2 支架立桿的連續(xù)梁力學(xué)模型將P和Q分別作用在立桿上，求得如圖3a和圖3b所示的立桿彎矩圖和支座反力分布圖，圖中的支座反力便是水平桿的內(nèi)力。a 偏心力P作用下的立桿彎矩和支座反力圖b 水平力Q作用下的立桿彎矩和支座反力圖圖3 用連續(xù)梁力學(xué)模型分析支架中水平內(nèi)力的分布情況將圖3a和圖3b的數(shù)據(jù)疊加，便得知支架中水平內(nèi)力的分布情況：(1) 支架中水平內(nèi)力最大的桿件是頂層水平桿(支座B)或次頂層水平桿(支座C)。準(zhǔn)確地說，代表風(fēng)荷載、泵送混凝土、推車等外力的水平荷載Q是時有時無，時大時小的

4、，相應(yīng)地，最大水平內(nèi)力在有Q并且Q很大時出現(xiàn)在頂層水平桿上，無Q或者Q不大時則出現(xiàn)在次頂層水平桿上；(2) 支架中的最大水平內(nèi)力是動態(tài)的，是動荷載引起的動內(nèi)力，它會在頂層水平桿和次頂層水平桿上無規(guī)律地交替出現(xiàn)。2. 插銷式鋼管支架內(nèi)力分析水平桿對立桿的支持力是支架中的水平內(nèi)力。如上節(jié)所述，架中的最大水平內(nèi)力存在于支架的頂層水平桿和次頂層水平桿中。水平桿對立桿的支持是通過節(jié)點實現(xiàn)的，對于插銷式支架，則是通過節(jié)點上承插口與插銷之間的傳力來實現(xiàn)的(如圖4a所示)。當(dāng)立桿向水平桿施加拉力或推力時，附著于立桿的承插口對插銷上與其接觸的兩個接觸面分別施加正壓力R和N(如圖4b所示)。R和N分別垂直于插銷的

5、兩個接觸面，其中R是水平的，N是傾斜的。因插銷的一個面是豎直的，與承插口豎直面的接觸為面接觸，所以R是面接觸力；而插銷的另一個面是傾斜的，與承插口豎直面僅有一點可以接觸，所以N是點接觸力。 a節(jié)點構(gòu)造b插銷的受力情況 1插銷；R承插口所施加的水平正壓力；N承插口所施加的傾斜正壓力；NxN的水平分力；NyN的豎向分力圖4 插銷式鋼管支架的節(jié)點構(gòu)造及插銷的受力情況將N分解為水平分力Nx和豎向分力Ny，可以推知：(1) Nx與R構(gòu)成水平方向的暫時平衡；(2) 因為N是點接觸力，承插口的摩擦力不存在(或可忽略不計)，沒有力與Ny構(gòu)成平衡，于是Ny將插銷往上推，當(dāng)Ny是動內(nèi)力時，插銷將一下一下地被逐步推

6、離承插口，而從上節(jié)可知，Ny正是動內(nèi)力的分力。這就是插銷在支架中總是插不穩(wěn)，而需要工人不斷用錘子敲緊的原因，其力學(xué)本質(zhì)是作用在插銷上的力構(gòu)成一個不平衡力系，致使插銷無法自鎖。有一種插銷式鋼管支架的插銷是固定在水平桿之上的，其節(jié)點受力情況也類似，這里不另分析。3. 插銷式鋼管支架的使用案例以下是使用插銷式鋼管支架的兩個案例。(1) 案例1國家游泳館水立方工地2007年4月，筆者參加建設(shè)部在北京召開的關(guān)于十一五期間推薦和淘汰建筑材料、建筑技術(shù)專家論證會。會上專家建議淘汰插銷式鋼管支架，此舉引起生產(chǎn)廠家代表的強烈反對。廠家代表要求專家到水立方工地實地考察。在水立方工地上，但見架上有幾個人在不斷敲擊插

7、銷，我們專家組11個人徒手共撥出了28個插銷。隨后，專家一致簽名要求淘汰插銷式鋼管支架。(2) 案例2廣西壯族自治區(qū)成立50周年慶典主會場2008年12月，筆者奉命檢查廣西壯族自治區(qū)成立50周年慶典主會場的安全狀況。會場的背景架用插銷式鋼管支架搭設(shè)(如圖5所示)，背景由360幅分畫面構(gòu)成，由360名演員一起翻動分畫面，實現(xiàn)背景切換，另360名演員在畫面切換的間歇時間作表演。排練時筆者在支架上檢查，在畫面切換和演員更替瞬間，支架發(fā)生強烈晃動，筆者手中的照相機被震落。此時支架架頂發(fā)生了大變形，支架隨時可能解體，筆者隨即建議停止排練。廣西建設(shè)廳廳長聞訊趕到現(xiàn)場，他親自徒手撥出了3個插銷。隨后大會組委

8、會取消了架上的畫面切換和表演。圖5 廣西壯族自治區(qū)成立50周年慶典主會場背景架4. 結(jié)論模板支架、作業(yè)平臺支架、演出支架以及一切有人員活動的支架中存在水平動內(nèi)力，插銷式鋼管支架的插銷在水平動內(nèi)力任用下不能實現(xiàn)自鎖。插銷松動會導(dǎo)致節(jié)點破壞，節(jié)點壞則支架塌。所以，有人員活動的支架應(yīng)禁止使用插銷式鋼管支架。2010年2月8日附件：走出模板支架結(jié)構(gòu)理論的誤區(qū) 林伊寧(廣西建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站)摘要 現(xiàn)行施工模板支架結(jié)構(gòu)理論的核心立桿穩(wěn)定計算的力學(xué)模型是錯誤的。立桿穩(wěn)定不是支架穩(wěn)固的充分條件，致使模板倒塌的第一位因素也不是支架中的立桿失穩(wěn)。走出理論誤區(qū)，以幾何不變結(jié)構(gòu)理論指導(dǎo)工程實踐，是確保模板安全

9、的根本所在。關(guān)鍵詞 力學(xué)模型 立桿穩(wěn)定 節(jié)點破壞 幾何不變 0 引言現(xiàn)行的施工模板支架結(jié)構(gòu)理論的核心立桿穩(wěn)定計算的力學(xué)模型是錯誤的，此錯誤使得理論背離了客觀實際，使得構(gòu)建在此理論基礎(chǔ)之上的現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)存在重大錯誤，引導(dǎo)人們在工程實踐中走入誤區(qū)。本文深挖現(xiàn)行理論的錯誤根源，指出現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)普遍存在的錯誤，指出JGJ 162-2008建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范存在的4個原則性錯誤，提出解決方案，但尚存未解決的問題有待探索。現(xiàn)行的模板支架結(jié)構(gòu)理論是一個誤區(qū)1.1 支架計算所用的力學(xué)模型是歐拉公式的力學(xué)模型模板支架的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圖1 模板支架結(jié)構(gòu)示意圖1模板；2封頂桿；3掃地桿；4立桿；5水平

10、桿；6豎直剪刀撐因為支架中的立桿是壓桿，所以按現(xiàn)行理論設(shè)計支架時，需對立桿作穩(wěn)定性計算，然后根據(jù)計算結(jié)果判斷立桿是否穩(wěn)定，進(jìn)而確定支架結(jié)構(gòu)是否安全。計算公式為：式子左邊第2項是風(fēng)荷載在立桿中產(chǎn)生的內(nèi)力。為使問題簡化，分析風(fēng)荷載為零的情況，此時上式成為： (a)式(a)是將壓桿穩(wěn)定歐拉公式(下文簡稱歐拉公式)的穩(wěn)定容許應(yīng)力曲線修改后得到的，即式(a)來源于歐拉公式。所以式(a)的力學(xué)模型就是歐拉公式給出的壓桿穩(wěn)定力學(xué)模型(如圖2、圖3所示)。臨界應(yīng)力歐拉公式的統(tǒng)一表達(dá)式為： (b)式(b)中的L是壓桿的原長，L是壓桿的計算長度，工程中計算長度用l0表示，即l0=L，按照不同的支承情況，取不同的值

11、。例如：對于如圖2所示頂端自由底端固定的立桿，式(b)中的=2，即其計算長度取值為l0L=2a； 圖2 頂端自由底端固定的立桿 圖3 兩端均為鉸支座的立桿對于如圖3所示兩端均為鉸支座支承的立桿，式(b)中的1，其計算長度取值為l0L=1×h= h ?，F(xiàn)行國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用式（a）對支架立桿作穩(wěn)定性計算，并規(guī)定了立桿計算長度的取值：1) 將立桿頂部長度為a的可調(diào)頂托伸出段的計算長度取值為l02a；2) 將立桿中一個步高h(yuǎn)的計算長度取值為l0h 。作如此取值的實質(zhì)，是將圖1的支架結(jié)構(gòu)用圖2、圖3的力學(xué)模型來表達(dá)。（注：式（a）來源于歐拉公式，以及歐拉公式的邊界條件和導(dǎo)出過程見1979年版

12、高等學(xué)校試用教材，孫訓(xùn)方等主編的材料力學(xué)下冊第十章。）1.2 歐拉公式力學(xué)模型的支座力學(xué)特征注意圖2、圖3的支座力學(xué)特征。1) 圖2支座的力學(xué)特征如圖4所示，固定端處有： 立桿截面轉(zhuǎn)角B= 0； 約束力矩MB= eP0； 支座的水平約束力RBx= 0； 支座的豎向約束力RBy=P0。2) 圖3支座的力學(xué)特征如圖5所示，上下兩端的鉸支座處有： 立桿截面轉(zhuǎn)角B0、C0； 約束力矩MB= MC= 0； 支座的水平約束力RBx= RCx= 0；支座的豎向約束力RcyP0 圖4 頂端自由底端固定 圖5 兩端鉸支座立桿征立桿的支座力學(xué)特征 的支座力學(xué)特本節(jié)所列支座的力學(xué)特征，是導(dǎo)出歐拉公式的邊界條件，附合

13、這些邊界條件的立桿才能運用歐拉公式進(jìn)行計算，否則不能運用歐拉公式計算。因為式(a)來源于歐拉公式，所以只有符合本節(jié)所列支座力學(xué)特征的立桿，方可運用式(a)進(jìn)行計算。1.3 支架立桿穩(wěn)定性計算的力學(xué)模型錯誤圖1中AF立桿的受力狀態(tài)如圖6所示(圖中的e是P的原始偏心，是制造偏差、反復(fù)使用后桿件有初彎曲、荷載偏心、立桿不完全垂直等因素所致。在工程中原始偏心不可避免)。當(dāng)使用式(a)對AF桿進(jìn)行穩(wěn)定性計算時，現(xiàn)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對AF桿給出2種計算長度。這2種計算長度取值代表了2種力學(xué)模型：1) l0h+2a的力學(xué)模型將AF桿的計算長度取值為l0h+2a的規(guī)定，出自現(xiàn)行國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ130-2001建筑

14、施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范第5.6.2條，其源頭來自英國標(biāo)準(zhǔn)BS5975-82腳手架實施規(guī)范。按上文所介紹的歐拉公式邊界條件，要將AF立桿的計算長度確定為l0h+2a，必須將圖6中的AF立桿的受力狀態(tài)用圖7的力學(xué)模型表達(dá)。其中：長度為a的AB段桿被設(shè)定為頂端自由底端固定，計算長度取值為2a；長度為h的BC段桿被設(shè)定為兩端鉸支，計算長度取值為h。AB和BC兩段桿的計算長度相加得到l0h+2a。作如此改造之后方符合1.2節(jié)所列歐拉公式的邊界條件，方可使用式(a)對其進(jìn)行穩(wěn)定性計算。 圖6 AF立桿在支架中 圖7 l0=h+2a時AF立桿的力學(xué)模型、的受力狀態(tài) l0=h時AF立桿的力學(xué)模型(略

15、去AB段)于是，圖6中原本為整條的AF立桿，被截為AB、BC、CD、DE、EF共5段，并在各截斷點增設(shè)滑動鉸支座B、C、D、E如圖7所示。2） l0h的力學(xué)模型將AF桿的計算長度取值為l0h的規(guī)定，出自現(xiàn)行國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 162-2008建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范第5.2.5條。與l0h+2a的情況相似，規(guī)范將AF立桿的計算長度確定為l0h，也必須將圖6中AF立桿的受力狀態(tài)用圖7的力學(xué)模型表達(dá)，所不同的是將頂端可調(diào)頂托AB段忽略而已。即：l0h+2a和l0h在力學(xué)模型上的區(qū)別，僅僅是忽略和不忽略頂端可調(diào)頂托伸出段對計算長度的影響而已，兩者并無實質(zhì)性區(qū)別。這2種力學(xué)模型是真實反映還是背離客觀實

16、際，判斷標(biāo)準(zhǔn)是結(jié)構(gòu)力學(xué)中關(guān)于平衡力系的3個條件。全部滿足3個條件則證明該力學(xué)模型真實反映了客觀實際，否則則是對客觀實際的背離。平衡力系必須滿足的3個條件是： 物理條件(虎克定律、泊桑比、溫差變形率等)； 變形協(xié)調(diào)條件； 靜力平衡條件。下面用此3個條件衡量上述的2個力學(xué)模型所代表的力系，以判別其對與錯： 圖8 圖7中的B點對于l0h+2a的力學(xué)模型，觀察圖7中的B點（為清晰起見，將圖7中的B點繪出放大圖圖8）。如圖8所示，對AB段桿而言，桿端B的截面轉(zhuǎn)角B0，但對BC段桿而言，桿端B的截面轉(zhuǎn)角B0，桿上同一截面出現(xiàn)2個不同值的轉(zhuǎn)角。所以l0h+2a力學(xué)模型所代表的平衡力系不滿足AF桿原狀態(tài)的變形

17、協(xié)調(diào)條件，背離客觀實際，是錯誤的。對于l0h的力學(xué)模型，如圖7所示，此時AB段已略去。觀察圖7中的B、C、D、E、F各支座，所有支座的水平反力全部為零（見圖5所示的力學(xué)特征），即：RBxRCxRDxREx0。但如果保留AF桿的整體性不作截斷處理，這些支座水平反力全部不為零（見2.3節(jié)），也正是這些水平內(nèi)力造成支架解體（見2.4節(jié)）。也就是說，l0h的力學(xué)模型所代表的平衡力系不代表支架中AF桿的真實受力情況，不滿足AF桿真實的靜力平衡條件，更嚴(yán)重的是，它忽略了造成支架解體的致命因素。此外，圖7所示B、C、D、E各支座的約束力矩全部為零（見圖5所示的力學(xué)特征），即MB=MC=MD=ME=0，相應(yīng)地

18、圖7中各支座處的桿端截面彎矩也為零。但AF桿為整桿時，這些截面上的彎矩全部不為零（見2.3節(jié)）。所以此力學(xué)模型背離客觀實際，也是錯誤的。可見，無論將AF桿的計算長度取值為l0h+2a，或是取值為l0h均是錯誤的，錯誤的實質(zhì)是力學(xué)模型背離客觀實際。1.4 穩(wěn)定性計算不適用于支架立桿在運用式(a)對圖1中的AF立桿進(jìn)行穩(wěn)定性計算時，既然l0h+2a和l0h所代表的力學(xué)模型都是錯的，那么，能否取l0H，即取AF整桿桿長為計算長度來計算呢？答案是肯定的，因為l0H所代表的力學(xué)模型，既符合圖3所示的歐拉公式力學(xué)模型，也滿足平衡力系必須滿足的3個條件。 圖9 l0=H時AF立桿的力學(xué)模型當(dāng)l0=H時，AF

19、桿的力學(xué)模型如圖9所標(biāo)。 從圖9中可看到，在AF桿發(fā)生失穩(wěn)（壓彎）破壞瞬間，AF直線彎曲成為曲線，直桿離開其與各水平桿的扣接點B、C、D、E、F，變位到B、C、 D、E、F點。實現(xiàn)這樣的變位，必須是B、C、D、E、F各點上的扣件先行脫落。換言之，按l0H來計算AF立桿的穩(wěn)定性時，前提條件是桿上所有扣件先行脫落，立桿與水平桿無聯(lián)系之后，AF桿才有可能失穩(wěn)（壓彎）破壞。更明白地說，當(dāng)l0H時，是支架先倒塌，立桿后破壞，對立桿進(jìn)行穩(wěn)定性計算已無意義。綜上所述，無論將l0確定為何值，用式(a)對支架立桿進(jìn)行穩(wěn)定性計算都行不通，從邏輯上看，有3種原因可以導(dǎo)致這樣的結(jié)果： 1 ) 穩(wěn)定性計算不適用于支架立

20、桿； 2) 式(a)是錯的；3) 以上兩種原因都存在。從1.3節(jié)看，現(xiàn)行國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)用錯誤的力學(xué)模型去套用式(a)，是使用式(a)不當(dāng)，即不該用式(a)來計算立桿；從本節(jié)看，當(dāng)建立符合歐拉公式的力學(xué)模型時，此模型卻以支架倒塌為前提條件，已不需要使用式(a)?？梢姷?)種原因是存在的，至于第2)種、第3)種原因是否存在的問題，已超出本文的討論范圍，留待另文討論。所以現(xiàn)在可以肯定的是：穩(wěn)定性計算不適用于支架立桿。1.5 錯誤的理論引導(dǎo)人們的思維陷入誤區(qū)如果說錯誤地應(yīng)用壓桿穩(wěn)定計算公式來解決支架結(jié)構(gòu)問題是方式錯誤的話，那么把立桿失穩(wěn)(壓彎)當(dāng)作支架倒塌首要因素的理論就是從根本上錯了。在破壞力作用下，

21、所有形式的結(jié)構(gòu)物都是最薄弱的部位率先破壞，這是自然規(guī)律，地震中和工程中都不乏這樣的例子。現(xiàn)行理論認(rèn)為在模板支架的倒塌過程中，立桿率先破壞，那么立桿是否支架中最薄弱的部位，就是鑒別現(xiàn)行理論對錯的標(biāo)準(zhǔn)。下面先舉例說明，然后再討論支架的問題。1)地震中，結(jié)構(gòu)薄弱的部位率先破壞。案例1：阪神地震中，神戶市政府辦公樓(8層)的第6層薄弱，被整層錯平(見圖10)。圖10 阪神地震中的神戶市政府辦公樓案例2：汶川地震中，都江堰市華廈廣場小區(qū)一棟住宅樓，底部兩層薄弱，倒塌后上部下挫，5層變3層(見圖11)。圖11 汶川地震中都江堰某住宅案例3：汶川縣漩口鎮(zhèn)電力局4層磚混住宅樓，樓梯間薄弱，在地震中率先破壞(見

22、圖12)。圖12 汶川地震中汶川縣漩口鎮(zhèn)電力局住宅樓2)模板支架倒塌中，也是最薄弱的部位率先破壞。模板支架由桿件和節(jié)點組成，與桿件比較，節(jié)點是薄弱部位，所以率先破壞。案例4：西寧在建高架橋模板倒塌，支架節(jié)點破壞，桿件尚基本完好(見圖13)。圖13 西寧在建高架橋模板倒塌案例5：上海某加層工程模板倒塌，支架節(jié)點破壞，桿件尚基本完好(見圖14)。圖14 上海某加層工程模板倒塌上述案例均證明無論是房屋或是模板支架，在破壞力作用下都是薄弱部位率先破壞。不同的是，房屋的薄弱部位破壞后，房屋不一定整體倒塌，但支架節(jié)點破壞后，支架必定整體倒塌。原因是房屋的薄弱部位可能是一整層或一部分，其余部位并不一定存在薄

23、弱環(huán)節(jié)，而支架的薄弱部位是節(jié)點，節(jié)點分布于支架各部位，節(jié)點壞則支架塌。所謂支架倒塌，其實質(zhì)是支架解體，即支架所有桿件都離開了原來的位置。桿件要離開原位，只有節(jié)點破壞才有可能。所以，所有的支架倒塌都是從節(jié)點破壞開始的。如果按照立桿失穩(wěn)(壓彎)理論，應(yīng)該是節(jié)點不壞而立桿變彎，支架中所有立桿變彎即是支架整體被壓扁，但沒有人見過這樣的案例(除非是整體鑄造的支架，否則無此種可能)。節(jié)點破壞正是導(dǎo)致支架解體的第一位原因。支架倒塌是節(jié)點破壞引發(fā)的，而不是立桿失穩(wěn)（壓彎）引發(fā)的，這是現(xiàn)行理論的致命錯誤所在。那么為什么理論上一直認(rèn)為立桿失穩(wěn)是第一位的原因呢？那是因為人們認(rèn)定立桿先失穩(wěn)的觀點已先入為主，此后又刻意

24、用式(a)去解決問題，無意中在計算之前先把桿件截斷(見圖7)，即先在意念中將立桿破壞后再計算立桿，一心一意只盯著立桿，最后得到的結(jié)論自然是立桿先破壞。這是很荒唐的事，與中國古代“疑人偷斧”的典故很相似，先認(rèn)定某人偷斧，然后認(rèn)為此人一切行為均有偷斧的痕跡，所以最終認(rèn)定他偷斧，直到真相大白時方知錯了?！耙扇送蹈钡陌咐窍热霝橹鞯挠^點把辦案人引入歧途，使作案人得以開脫。支架結(jié)構(gòu)理論則是先入為主的觀點引導(dǎo)人們的思維陷入誤區(qū)，錯將不是薄弱部位的立桿當(dāng)作薄弱部位重點防范（穩(wěn)定性計算），而對真正的薄弱部位節(jié)點卻疏于防范（構(gòu)造措施失當(dāng)）。其結(jié)果當(dāng)然是模板支架的不斷倒塌。將立桿穩(wěn)定性計算當(dāng)作支架得到安全保障的

25、依托手段，計算的對象是支架中的立桿，但率先破壞的卻是節(jié)點，計算完全失去意義。但技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)注點卻是計算，這是現(xiàn)行所有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)普遍存在的原則性錯誤，也是JGJ 162-2008存在的第1個原則性錯誤。(注：本節(jié)有關(guān)地震的圖片由中國建筑科學(xué)研究院提供，有關(guān)模板倒塌的圖片摘自互聯(lián)網(wǎng)。)2 用重建的力學(xué)模型解開模板支架倒塌之謎2.1 支架節(jié)點的力學(xué)性質(zhì)第1章指出，節(jié)點是支架的薄弱部位。要建立支架的力學(xué)模型，首先應(yīng)確定節(jié)點的力學(xué)性質(zhì)。對支架節(jié)點力學(xué)性質(zhì)的定性問題，工程界意見分歧很大，有人認(rèn)為是半剛節(jié)點，有人認(rèn)為是鉸節(jié)點。本文認(rèn)為是鉸節(jié)點，而且僅僅是不完全的鉸節(jié)點，連真正的鉸都不如，理由是：1)節(jié)點破壞時

26、節(jié)點上的桿件轉(zhuǎn)動，表現(xiàn)出鉸的力學(xué)特征；2)節(jié)點破壞后桿件位置發(fā)生移動，扣件脫落，原來的鉸支座不存在了。類似于簡支梁擱在墻上，僅僅是概念上的鉸而已，不是真正的鉸。節(jié)點的力學(xué)性質(zhì)只能以破壞狀態(tài)來定性，不能以工作狀態(tài)來定性。類似的例子有：螺栓連接的鋼網(wǎng)架節(jié)點、焊接的鋼桁架節(jié)點、甚至鋼筋混凝土屋架節(jié)點，這些構(gòu)件的節(jié)點均比支架節(jié)點可靠得多，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計中均不考慮由它們來傳遞力矩，一律當(dāng)作鉸處理。所以，支架節(jié)點沒有理由不是鉸。2.2 重建支架的力學(xué)模型支架是整體受力，所以應(yīng)該把支架整體看作一個結(jié)構(gòu)物，用一個恰當(dāng)?shù)牧W(xué)模型來描述它，但做這件事卻遇到了困難：1)描述為多層多跨框架不合適。因為節(jié)點不能承受彎矩；

27、2)描述為桁架或網(wǎng)架不合適。因為支架立桿大多數(shù)跨內(nèi)無斜腹桿，結(jié)構(gòu)形式不同。而且支架立桿每桿均落地，受力形式也不同；3)描述為多層多跨排架不合適。因為立桿以對接扣件接長，立桿沿桿高有鉸接點，與排架柱不同。用常規(guī)的力學(xué)模型無法描述，這或許正是支架結(jié)構(gòu)理論陷入誤區(qū)的原因。但我們可以換一個角度看問題，用常規(guī)力學(xué)模型無法描述，是因為桿件之間的連結(jié)點(節(jié)點)太薄弱，它無法保證支架象桁架、網(wǎng)架那樣使所有桿件整體協(xié)同一致地工作。嚴(yán)格地說，常見的各種模板支架并不是真正意義上的結(jié)構(gòu)物，就如同簡支梁擱置在墻上一樣。梁與墻之間有傳力關(guān)系，卻不能完全協(xié)調(diào)一致地工作(例如在地震水平力作用下，墻倒塌但梁不破壞)，所以在結(jié)構(gòu)

28、計算中，簡支梁是單獨計算的，而梁與墻的關(guān)系則反映在梁支座反力的反作用力作用在墻上。借鑒梁與墻的關(guān)系，我們可以把桿件當(dāng)作連續(xù)梁，它的支座就是與它垂直相交的桿，但這種相交是通過節(jié)點上的扣件或碗扣傳力的，并且支架架體可以有微小晃動，所以可以用彈性支座支承的連續(xù)梁來描述(如圖15所示)。又因彈性支座的剛度系數(shù)不易確定，如果不作精確計算，而僅作定性分析，可以近似用剛性支座來描述(如圖16所示) 圖15 彈性支座連續(xù)梁 圖16 剛性支座連續(xù)梁這就是模板支架的力學(xué)模型，受力體是立桿，支座是水平桿。立桿在支座的支持下工作，既反映了立桿的受力狀態(tài)，又反映了立桿與支架整體的聯(lián)系。這與立桿失穩(wěn)理論是不同的，不同點在

29、于，兩者都以立桿為受力體來研究，但立桿失穩(wěn)理念中立桿與水平桿是脫離的，立桿是在與支架整體脫離傳力關(guān)系的狀態(tài)下工作的，因而背離客觀實際。所以，用連續(xù)梁模型更能真實地反映支架的整體受力狀況。2.3 支架內(nèi)力分析支架的內(nèi)力：支架中桿件與桿件，桿件與扣件之間相互作用的力。用連續(xù)梁力學(xué)模型，通過一條立桿可以分析支架的內(nèi)力。下面分兩種受力情況分別分析，然后再作疊加，便可求得立桿的內(nèi)力及其支座反力。1)立桿桿頂受一偏心力P作用，偏心距為e。求得立桿彎矩圖和支座反力圖如圖17所示；圖17 偏心力任用下立桿的彎矩和支座反力圖2)立桿桿頂受一水平力Q作用。求得立桿彎矩圖和支座反力圖如圖18所示。圖18 水平力任用

30、下立桿的彎矩和支座反力圖在工程中，立桿所受的豎向荷載是偏心的，同時也受水平荷載的作用，所以其內(nèi)力和支座反力應(yīng)是圖17和圖18的疊加，例如在頂層水平桿位置上可得到：MB=eP+aQRBx=1.268P +Q(1+1.268)MB是立桿在頂層水平桿位置上的彎矩，RBx是立桿頂節(jié)點的支座反力即頂節(jié)點的節(jié)點荷載，由頂層縱橫兩向水平桿共同承受，可以分解到縱橫兩向水平桿去，從而求得頂層水平桿的內(nèi)力。同樣，立桿上其余各點的內(nèi)力和支座反力也可通過兩圖疊加求得。通過上述內(nèi)力分析，以及根據(jù)豎向荷載P的偏心不可避免的實際情況，得到如下結(jié)果：1)立桿的最大內(nèi)力點在頂層水平桿位置，必須重點防范；2)頂層水平桿所受水平力

31、最大，頂層往下一步(次頂層)的水平桿所受水平力也大，也必須重點防范；3)無論有無水平荷載作用，支架中必定存在水平內(nèi)力。（北京交通大學(xué)對某工程的模板支架進(jìn)行實測，在布料機傾卸混凝土的豎向荷載沖擊下，測得某立桿豎向內(nèi)力峰值為35KN的同時，也測得與該立桿相交的頂層水平桿內(nèi)力峰值為16.5KN。即在檢測點上，支架的水平內(nèi)力值接近豎向內(nèi)力值的1/2。此次實測表明，在純粹豎向荷載作用下，支架中有水平內(nèi)力存在，其值不可忽略。）2.4 解開模板支架倒塌之謎作者手頭有一段模板支架倒塌的現(xiàn)場錄像資料，錄像顯示一架高為21m的模板，從開始倒塌至完全解體，僅僅經(jīng)歷了4秒鐘。作者在事故現(xiàn)場看到大量散落的桿件和扣件。如

32、果說，誰在這4秒鐘內(nèi)能看清楚是桿件先壓彎或是扣件先脫落，那他肯定是在撒謊。那么這個謎團(tuán)是不是就解不開了呢？謎肯定是要解開的，但不是靠眼看，而是靠分析。從2.3節(jié)的內(nèi)力分析結(jié)果得知，無論模板上有無水平荷載作用，支架中必然存在水平內(nèi)力。通過對現(xiàn)場實測得知，支架內(nèi)部存在大量不是完全垂直的立桿，這更加大了這些立桿的原始偏心，也加大了架中的水平內(nèi)力。隨著模板上澆搗混凝土面積的漸漸加大，支架的水平內(nèi)力也在增大。此時，頂層和次頂層的水平桿所受的水平力很大，于是發(fā)生如下情形：1)水平桿是對接的(工程中如此做，JGJ 162建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范第6.1.9條第4款也如此規(guī)定)。對接扣件是定位裝置，僅可對桿件

33、進(jìn)行定位，不能受力(見圖19)。當(dāng)水平拉力沿水平桿軸線傳遞時，對接扣件被拉脫如圖20a所示；當(dāng)水平力垂直于水平桿傳遞時，對接扣件經(jīng)受不住彎矩作用被彎脫如圖20b所示。 圖19 對接扣件是定位裝置 a 水平桿承受拉力扣件松脫 b 水平桿承受彎矩扣件松脫1對接扣件；2對接水平桿圖20 對接扣件受力松脫2)立桿與頂層和次頂層水平桿扣接的直角扣件，在大的水平力作用下被頂松，架頂發(fā)生側(cè)移如圖21所示。架頂發(fā)生側(cè)移后，立桿傾斜，豎向力的偏心加大，水平內(nèi)力隨即增大，扣件被進(jìn)一步頂松，形成惡性循環(huán)。 圖21a 整體側(cè)移(立面圖)圖21b 局部側(cè)移(立面圖)圖21c 架頂扭轉(zhuǎn)(平面圖)圖21 架頂側(cè)移此時，如支

34、架內(nèi)沒有三向剪刀撐構(gòu)成的剪刀撐體系維持架體的幾何不變性，支架將會在瞬間解體。這就是模板支架倒塌之謎的謎底：水平內(nèi)力致使節(jié)點破壞(扣件脫開或松動)、架頂發(fā)生側(cè)移，隨即支架解體。3 解決方案構(gòu)建幾何不變的支架架體有人說得好：“把問題分析透了，解決之道就已經(jīng)在握”。通過上一章的分析可知，支架中的水平內(nèi)力是支架解體的始作俑者，于是我們的防范措施就是有的放矢了。以下是解決方案。3.1 幾何可變與幾何不變?nèi)切卧谄渌谄矫嫔蠋缀尾蛔?，三角形的疊加在其所在平面上也是幾何不變(如圖22所示)。 a 三角形幾何不變單元 b 三角形疊加形成幾何不變體圖22 三角形構(gòu)成的幾何不變體架內(nèi)無三角形支撐(剪刀撐體系)的架

35、體為幾何可變架體，架內(nèi)有三角形支撐的架體為幾何不變架體(如圖23所示)。 a 幾何可變 b幾何不變圖23 幾何可變架體與幾何不變架體3.2 另辟途徑傳遞水平內(nèi)力并限制架頂側(cè)移如果水平桿所傳遞的水平內(nèi)力不會無限增大，扣件就不會脫開或松動，節(jié)點就不會破壞，架頂也不會側(cè)移。所以要另辟途徑傳遞水平內(nèi)力，此途徑就是支架中的剪刀撐。注意，剪刀撐的兩條斜桿應(yīng)盡可能與每一條與其相交的立桿扣接。剪刀撐的作用是：1)傳遞支架的水平內(nèi)力，減少水平桿所傳遞的力；2)在剪刀撐平面內(nèi)形成幾何不變的三角形結(jié)構(gòu)限制架頂側(cè)移；3)把剪刀撐平面內(nèi)的所有桿件連成一個整體，形成全平面共同受力而不是單立桿受力的平面平衡力系。3.3 構(gòu)

36、建幾何不變單元3.2節(jié)解決的是平面力系問題，本節(jié)需要解決空間力系問題。構(gòu)建一個4.5m見方的支架架體，其6個面上都用剪刀撐撐穩(wěn)，如圖24所示。這是一個幾何不變單元。在此單元內(nèi)： 圖24 幾何不變單元 1)支架中的水平內(nèi)力沿三個方向的剪刀撐傳遞，水平桿的內(nèi)力不會無限增長，節(jié)點自然不會破壞；2)三維剪刀撐限制支架架體的三維變形xy平面和yz平面的架頂側(cè)移以及xz平面的架頂扭轉(zhuǎn)；3)三維剪刀撐把單元內(nèi)所有桿件連成一個整體，形成全單元共同受力而不是單立桿或單平面受力的空間平衡力系。問題來了，幾何不變單元的尺寸為什么選擇4.5m見方，為什么不能更大些，例如7m見方或10m見方，這豈不更經(jīng)濟(jì)？選擇4.5m

37、見方，是因為要避免單元內(nèi)過多的桿件接頭，接頭多了，它就不是幾何不變單元了。桿件的標(biāo)準(zhǔn)長度是6m，如果單元尺寸超過6m，則單元內(nèi)每條桿至少有1個接頭，多者2個，在水平力作用下每條桿都幾何可變(請讀者注意，JGJ 162-2008建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范第6.2.4條就存在此問題，再注意第6.1.9條第4款，水平桿是對接的)。但單元尺寸能不能選擇為5m、5.5m，不得而知。選擇4.5m有工程的成功實例作借鑒，再大的尺寸則無借鑒了，所以作如此選擇。為使圖面清晰，并為下一節(jié)作準(zhǔn)備，把圖24的幾何不變單元簡化為圖25。3.3 構(gòu)建幾何不變的支架架體大多數(shù)工程的模板支架架體尺寸超過4.5m見方，一個幾何不

38、變單元不足以構(gòu)成支架架體。對于工程中的模板(或作業(yè)平臺)支架 ，可以用圖25的單元進(jìn)行組合，構(gòu)建幾何不變的支架架體如圖26所示。 將圖26的幾何不變架體理念應(yīng)用于工程，得到工程中支架的結(jié)構(gòu)圖如圖27所示。 圖25 簡化繪出的幾何不變單元 圖26 幾何不變的支架架體圖27 高大作業(yè)平臺支架和高大模板支架剪刀撐體系平面布置圖1水平剪刀撐；2縱向豎直剪刀撐；3橫向豎直剪刀撐；4加密水平剪刀撐；5掃地桿位置水平剪刀撐對于高度超過40m的超高支架，三維剪刀撐體系已顯薄弱。對 此類支架，可在架體內(nèi)設(shè)置格構(gòu)柱網(wǎng)和格構(gòu)梁，形成兩向格構(gòu)框架體系，增加支架的抗側(cè)移剛度。做法是以支架內(nèi)的立桿、水平桿為基本桿件，在基

39、本桿件上增加附加桿件便得到格構(gòu)柱和格構(gòu)梁，此種結(jié)構(gòu)形式類似于塔式起重機的塔身。3.4 劃定支架架體的危險區(qū)域，在危險區(qū)域采取加強措施。從圖17、圖18可知，頂層和次頂層水平桿的水平內(nèi)力很大，此區(qū)域是重點防范區(qū)域。此外，考慮到剪刀撐將部分水平力下傳等因素，水平力還往下分布一段距離，建議將從頂層水平桿開始往下約1/4架高到1/3架高的范圍劃定為危險區(qū)域并在此區(qū)域內(nèi)采取加強措施：1)此區(qū)域內(nèi)的水平桿采取搭接形式接長，每接頭采用3個旋轉(zhuǎn)扣件扣緊。禁止對接；2)頂層水平桿位置必須設(shè)置水平剪刀撐，并視實際情況在次頂層水平桿及其下方再增設(shè)加密的水平剪刀撐(見圖25)；3)加強與既有建筑物的連結(jié)，將水平內(nèi)力外

40、傳。(注：本章的詳細(xì)內(nèi)容已發(fā)表在建筑安全雜志2009年6月、7月連載的文章模板支架內(nèi)力分析和幾何不變的支架架體上。 )4 JGJ162-2008建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范存在的四大原則錯誤用錯誤的力學(xué)模型對支架立桿進(jìn)行計算，這是JGJ162存在的第1個原則性錯誤；未發(fā)現(xiàn)支架中水平內(nèi)力的存在，也未意識到是水平內(nèi)力使支架解體，對架頂側(cè)移不加防范，規(guī)定水平桿采用對接方式接長，這是JGJ 162-2008存在的第2個原則性錯誤；沒有幾何不變概念，不設(shè)置水平剪刀撐，支架架體在水平面上幾何可變（在不均衡的施工荷載下可以發(fā)生架頂扭轉(zhuǎn)），這是JGJ 162-2008存在的第3個原則性錯誤；將豎直剪刀撐間距設(shè)定為

41、10m，超過一個標(biāo)準(zhǔn)桿長6m，使得兩道豎直剪刀撐之間的任一條水平桿至少有1個對接接頭（多者2個），無法形成幾何不變單元。在水平內(nèi)力下，水平桿在接長處因?qū)涌奂擅摱鴶嚅_，整個支架架體呈幾何可變的工作狀態(tài)，這是JGJ 162-2008存在的第4個原則性錯誤。5 尚未解決的問題雖然指出了錯誤，提出了解決方案，但對于模板支架這一特殊結(jié)構(gòu)物來說，尚存未解決的問題。5.1 對支架作精確計算的基本數(shù)據(jù)不全上文的力學(xué)分析是定性分析，不是精確計算，如要精確計算，尚缺乏如下數(shù)據(jù)：1)立桿頂端豎向荷載的偏心距e無法確定；2)立桿頂端的水平施工荷載Q尚無規(guī)范對其作出規(guī)定；3)當(dāng)需要計入風(fēng)荷載時，單立桿的風(fēng)荷載體形系數(shù)s無法確定(現(xiàn)行規(guī)范給出是支架整架的風(fēng)荷載體形系數(shù)，不是單立桿的。請讀者仔細(xì)推敲，深究下去就會明白)；4)無法確定節(jié)點的破壞極限。原因是扣件受質(zhì)量和擰緊度2個難以控制的要素制約，使得