模板支架倒塌的原因及預防措施

《模板支架倒塌的原因及預防措施》文章簡介2007年2月12日廣西醫(yī)科大學工地高大模板倒塌之后,在一年時間里，我站對模板支架的力學理論作了深入研究，并將研究成果應用于工程。經(jīng)過3個大難度、高危險工程的成功實踐，驗證了理論成果的正確性和技術上的可行性〔這3個工程分別是：①廣西科技館，架高21m、跨度15m、架頂為24.5°的傾斜面；②南寧國際大廈，架高67m、跨度18m；③廣西工學院科教中心，架高37m、跨度24m〕。我站將理論成果和實踐經(jīng)驗總結之后，寫成此文并發(fā)表在《建筑平安》雜志2008年第7期上。

為指導我區(qū)的模板工程實踐，防止再次發(fā)生倒塌事故，我站將此文載于互聯(lián)網(wǎng)上供業(yè)內人士閱讀。有不同意見或更好建議的，請與作者聯(lián)系，歡送討論。電子郵箱：聯(lián)系0771-5861637聯(lián)系人：林伊寧廣西建設工程質量平安監(jiān)督總站2008年7月16日模板支架倒塌的原因及預防措施作者:林伊寧(廣西建設工程質量平安監(jiān)督總站)該文已發(fā)表在《建筑平安》雜志2008年第7期上，略有改動。[摘要]

摧毀模板支架的力是水平靜力，此力由立桿傾斜引發(fā)；用連續(xù)梁力學模型分析立桿，找出模板支架中最危險的部位；提出對危險部位的加固措施，列舉了工程實例證明其可行性。[關鍵詞]

模板支架、水平靜力、架頂側移、連續(xù)梁、剪刀撐、抱柱、水平鋼絲繩本文離開“壓桿失穩(wěn)”的主流概念，從另一個角度切入，采用另一種力學模型對模板支架進行分析。目的是揭露塌架的真正原因，判明架體中最危險的部位并對其采取恰當?shù)募夹g措施，最終解決支架穩(wěn)固的問題。一、

塌架原因分析按材料的強度容許應力[σ]=205N/mm2計算，建筑工地上常見的φ48×3.5mm、φ48×3.0mm兩種壁厚的鋼管立桿，其垂直容許荷載分別到達100kN〔10t〕和87kN〔8.7t〕，〔注意，這里說的是容許荷載，不是破壞荷載，理論破壞荷載尚大于容許荷載〕。但廣西醫(yī)科大學倒塌支架中受力最大的立桿，其上的垂直荷載僅為19kN(1.9t)便倒塌了，使其倒塌的荷載遠小于其容許荷載，更遠遠達不到其理論破壞荷載。這到底是為什么？我們必須追問原因?！惨弧?/p>

一連串的追問1.

立桿尚有如此大的平安儲藏，支架為什么會垮？立桿截面上的應力遠未到達容許應力，不是壓縮破壞，必定是壓彎破壞。2.

所有立桿都是在整架支持下工作的，都不是孤立受力，單根立桿為什么會被壓彎？必定是在失去整架支持后，單根立桿才被壓彎的。3.

單根立桿為什么會失去整架支持？必定是整架或架體局部發(fā)生散架〔扣件松脫，形成單立桿受力〕。4.

為什么會發(fā)生散架？必定是整架或架體的局部偏離了平衡位置。5.

架體在什么方向上偏離了平衡位置？不是在垂直方向上，因為立桿沒有發(fā)生壓縮破壞。必定是在水平方向上，架體的整體或局部偏離了平衡位置，即發(fā)生了架頂側移。6.

導致架體在水平方向上偏離平衡位置的是什么荷載？按牛頓第二定律判斷，不是垂直荷載，必定是使架體在水平方向上有位移的水平荷載。7.

架體上的水平荷載從何而來？這個問題問得好！是關鍵問題，讓下面的解釋來答復?！捕?/p>

架體上的水平力澆搗混凝土時，推車和泵送混凝土所產(chǎn)生的水平力是我們熟知的水平力，一般都認為是這些力摧毀了架體，但2007年發(fā)生在山西侯馬市汽車站工程的塌架事故顛覆了這種觀點。約300㎡的車站屋面，在完成砼澆搗3小時后，作業(yè)面上空無一人，已不存在推車和泵送混凝土的水平力，而此時發(fā)生了塌架。相似的事故還發(fā)生在2008年初廣西某地一個違規(guī)建設的工程，在完成砼澆搗并且人員全部離開之后支架倒塌。這個水平力從何而來？誰是隱形殺手？1．

一把樓梯的啟示一把斜置在墻面與地面之間的樓梯〔圖一〕，在重力、地面支頂力、墻面支頂水平力和地面摩擦力的共同作用下維持平衡。其中重力是主動力〔荷載〕，其余3個力都是被動力〔支座反力〕?？梢?，純粹垂直荷載可以在受力體上引發(fā)水平力。2．

水平靜力架體中的立桿，理論上是垂直的，但實際上不少立桿是傾斜的，越高的架越是如此，有斜立桿就有水平力發(fā)生。但立桿為何會傾斜？原因如下：〔1〕

立桿有初彎曲；〔2〕

立桿排列不整齊，或水平桿有初彎曲，有些立桿被扣件硬拉入排或入列〔同時原來排列整齊的立桿被硬拉出排或出列〕；〔3〕

搗制砼時，立桿與水平桿間的扣件被震松或被拉扯松動，立桿頂端有擺動，且各瞬間擺動方向不定；〔4〕

原來被硬拉入排入列或被硬拉出排出列的立桿，硬拉點上的扣件被施工荷載震松，立桿發(fā)生傾斜或彎曲?！?〕

施工時垂直度有偏差。在對廣西科技館工程模板支架的現(xiàn)場檢測中，扣件松動和立桿傾斜現(xiàn)象被證實〔檢測單位是廣西大學設計研究院檢測中心〕。于是，我們可以作出在垂直荷載下斜立桿的示力圖〔圖二〕。圖中的水平力R是水平桿支持斜立桿使其不傾倒所產(chǎn)生的，類似于墻面對斜置樓梯的水平支頂力。由作用力與反作用力定律可知，斜立桿對水平桿施加了水平力，其值與R相等，方向相反。R的值可由力矩平衡條件求得：此力不同于推車和泵送砼所生產(chǎn)的力，R是靜力。此前北京交通大學對某工程的模板支架進行實測，在純粹的垂直荷載下測得水平力，以上推理可解釋此現(xiàn)象。

〔三〕架頂側移〔圖二〕的R是一根斜立桿施加在水平桿上的水平力，開始搗制砼時，大多數(shù)立桿上無荷載，只有少數(shù)立桿向水平桿施力。但隨著模板上漸漸鋪上砼，向水平桿施力的立桿漸漸增多，當水平桿所受的力足夠大時，扣件開始松動，水平桿已無法支持立桿在原平衡位置上維持平衡，于是架頂側移便發(fā)生了。架頂側移可分為整架側移〔圖三〕、局部側移〔圖四〕、架頂扭轉〔圖五〕三種形式。是水平力的累積引起架頂側移，隨后引發(fā)塌架。這就可以解釋山西侯馬市汽車站工程和廣西某地違規(guī)工程，在完成砼搗制并且人員機具撤離后模板倒塌的現(xiàn)象，也可以解釋廣西醫(yī)科大學圖書館工程在砼澆到一半時，北京西單西西工程在砼澆搗即將完成時模板倒塌的現(xiàn)象。上文提到的隱形殺手，其實是斜立桿加在水平桿上的水平力，當這些斜立桿“眾志成城”之際，便是支架倒塌之時。有句俗話叫“墻倒眾人推”，用在支架上可改為“架倒眾桿推”，是眾多的立桿斜靠在水平桿上將支架“靠”倒的?！菜摹?/p>

塌架機理為使隱蔽的問題明朗化，討論無剪刀撐架體的塌架機理。單根立桿傾斜時，有水平桿支持便不會倒下。對整架而言，水平桿支持著架體不改變幾何形狀，在原來的平衡位置維持平衡。而水平桿對立桿的約束是靠扣件實現(xiàn)的，扣件是靠摩擦力工作的。當架體在重壓之下開始改變幾何形狀，逐漸偏離原來的平衡位置時〔整架側移、局部側移、架頂扭轉〕，扣件與桿件間產(chǎn)生越來越大的摩擦力。當此摩擦力最終被外力克服時，扣件松脫或破碎，水平桿無法約束立桿，這就是上文提到的散架。散架后，立桿發(fā)生壓彎破壞，接著便是全架倒塌。所以，在塌架現(xiàn)場，我們可以看到壓彎的桿件和松脫或破碎的扣件。這便是無剪刀撐架體的塌架機理。以上討論的是架體沒有得到外力支持的情況，假設有外力支持〔例如抱柱或連墻〕又如何呢？由于沒有剪刀撐，外來支持力使架體變形，反而會加劇架體的局部側移或架頂扭轉，最終還是塌架。二、

尋找架體中最危險的部位找到最危險的部位才能有針對性地采取防范措施，有如對癥下藥才能藥到病除一樣。立桿是架體中直接承受施工荷載的桿件，其余各桿〔縱橫水平桿、三向剪刀撐〕是協(xié)同受力桿件，對立桿起支持作用。要尋找架體中最危險的部位，可從立桿的受力分析入手?！惨弧?/p>

立桿荷載分析立桿上的荷載作用在立桿頂端，有：1．

垂直作用的施工荷載P：〔1〕

P對立桿有一偏心，P偏心對立桿形成彎矩效應，可將此效應加到水平力對桿的彎矩效應中去〔加大水平力的取值〕?！?〕

將彎矩效應轉移后，P是軸心壓力。2．

水平力Q：Q包含推車和泵送混凝土等動力、因P的彎矩效應而應加大的水平力、以及上文分析得到的水平靜力R?！捕?/p>

立桿的力學模型立桿受到水平桿的直接支持〔剪刀撐是間接支持〕，因架體是可以作微小晃動的，所以水平桿可以看作立桿的彈性支座：在Q的作用下，桿可看作是具有彈性支座的多跨連續(xù)梁〔圖六〕；在P的作用下，桿軸心受壓。彈性支座的剛度系數(shù)不易確定，考慮三種情況：第一種情況是全部撤去這些彈性支座，立桿繞底端轉動，由Q引起的立桿內力為零；第二種情況是〔圖六〕所示的彈性支座系統(tǒng)，立桿中由Q引起的內力不為零；第三種情況是將彈性支座全部改為剛性支座，立桿中由Q引起的內力大于第二種情況，是三種情況中最大的?？梢?，用剛性支座代替彈性支座對立桿進行受力分析，對立桿和對架體均偏于平安〔立桿內力是三種情況中最大的，水平桿受力也是三種情況中最大的〕。所以，可以采用剛性支座代替彈性支座，用多跨連續(xù)梁的力學模型對立桿進行受力分析。按慣例分析5跨連續(xù)梁〔圖七〕?！踩?/p>

立桿的內力和支座反力分析在軸力P作用下，立桿各截面的內力均等于P，不用再作進一步分析。對于Q作用下的連續(xù)梁，用位移法或力矩分配法求解，可求得全梁彎矩圖，進而求得各支座反力〔水平桿對立桿的反力或支持力〕如〔圖八〕所示。分析〔圖八〕，可得到如下信息：1．彎矩。最大彎矩值出現(xiàn)在頂節(jié)點處，從上往下，每節(jié)點的彎矩值約等于上一節(jié)點彎矩值的1/4，歷4跨之后，在節(jié)點4衰減到0.004Qa，已可忽略不計。2．支座反力。最大支座反力出現(xiàn)在頂節(jié)點處，從上往下，從R1開始，每節(jié)點的支座反力值約等于上一節(jié)點支座反力值的1/4，歷4跨之后，在節(jié)點4衰減到,已可忽略不計。另外，從力的方向看，從上往下，各支座反力依次相互反向?！矆D八〕所示的支座反力分布規(guī)律，與此前北京交通大學對某工程模板支架的實測結果相吻合。實測發(fā)現(xiàn)從架頂往下，水平桿的支持力迅速衰減，在架頂6m以下已測不到水平桿的支持力。這說明〔圖八〕所示的內力分布和支座反力分布規(guī)律符合客觀實際?！菜摹?/p>

架體中最危險的部位從對〔圖八〕的分析可知，立桿的最大彎矩和最大支座反力均位于桿頂?shù)谝粋€節(jié)點處，即頂節(jié)點是立桿最危險的部位。前面的分析提及，架體中有不少傾斜的立桿，并且在施工荷載作用下，桿頂會發(fā)生晃動，晃動方向每瞬間都在改變，于是發(fā)生如下情況：1．在某一瞬間，當多數(shù)立桿向同一方向晃動時〔圖九〕，假設架體中不設置豎向剪刀撐體系，架頂便發(fā)生瞬間側移。2．在某一瞬間，有一排立桿中的多數(shù)立桿同時向某一方向晃動，而不遠處另一排立桿中的多數(shù)立桿同時向相反的方向晃動，假設架體中不設水平剪刀撐體系，架頂便發(fā)生瞬間扭轉〔圖十〕，這也是一種架頂側移。可見，架體中最危險的部位是架頂。余下的問題是，架頂往下多少距離屬于危險區(qū)域？從〔圖八〕可知，歷4跨〔4個步高即4h〕之后，水平力Q的影響已衰減到可忽略不計。工程中步高h一般取值為1.5m,按4h=6m計。從架頂開始，往下6m是危險區(qū)域，考慮到超高架和我們可能忽略但又重要的因素，可將危險區(qū)域延伸到從架頂開始往下12m范圍之內〔按工程實際情況定〕。三、

預防塌架的技術措施防止架頂側移，維持架體的幾何不變性和將水平力傳遞到架體之外去〔傳到柱或樓面〕，是預防塌架的著眼點，可采取如下措施：〔一〕架體內設置三向剪刀撐體系如〔圖十一〕所示，豎向剪刀撐可約束架頂側移。如〔圖十二〕所示，水平剪刀撐可約束架頂扭轉。如〔圖十三〕所示，在架體內設置三向剪刀撐體系，可使架體成為幾何不變體，不發(fā)生任何方向的側移。剪刀撐在三個方向均是全高全長全平面布置。每道剪刀撐的間距：水平剪刀撐為每4.5m垂距設一道；縱橫兩方向上的豎向剪刀撐為，一般模板支架每道間距4.5m為宜，高大模板每道間距≤4m。剪刀撐跨越立桿數(shù)為5～7根，角度為45°～60°。

〔二〕水平桿抱柱通過剛性抱柱件，將水平桿與砼柱相連，是將架體內的水平力

直接傳遞到架體外的最有效途徑〔圖十四〕?！踩澄ｋU部位的加強措施從架頂往下6m或延伸到12m范圍內是架體的危險部位〔最危險處是架頂〕，在防范措施上應加強。1．

加密三向剪刀撐〔圖十五〕，間距縮小一倍。架頂必須設置水平剪刀撐，并且雙向水平桿嚴禁缺桿。2．

加密抱柱，每步水平桿均抱柱〔圖十四〕。3．

在無柱可抱又有可能發(fā)生架頂側移的部位，利用砼柱或其他結構物作支點，用2道或3道水平鋼絲繩拉住架體頂部防止架體外傾〔圖十六。鋼絲繩是整條繩，中間不能斷開，不得分為2條分兩邊拉結〕。以上技術措施的有效性已經(jīng)過兩個高危高難度工程的檢驗：〔1〕廣西科技館工程，架高21m，模板板面傾斜度24.5°，模板對架體施加了巨大的水平推力，而且框架柱的柱距為12.6m，其間的架體無柱可抱。采取本文推薦的技術措施后，澆搗砼時，架體穩(wěn)固無晃動感〔當時作者在施工作業(yè)面上攝像〕?！?〕南寧國際大廈工程，設計上將相距18m的兩棟樓在距地面67m高處連在一起，于是產(chǎn)生了67m高的超高模板支架，〔圖十六〕所示的就是該支架的架頂平面圖。從圖可見，架體的東側伸出建筑物，伸出距離為4.5m〔其上是懸挑樓面〕。伸出局部無柱可抱，又是超高架，架頂有發(fā)生向東側移的可能，于是加了水平鋼絲繩拉住架體的頂部，限制其向東側移。完成砼澆搗之后發(fā)