模板支架倒塌的原因及預(yù)防措施

《模板支架倒塌的原因及預(yù)防措施》文章簡(jiǎn)介2007年2月12日廣西醫(yī)科大學(xué)工地高大模板倒塌之后,在一年時(shí)間里，我站對(duì)模板支架的力學(xué)理論作了深入研究，并將研究成果應(yīng)用于工程。經(jīng)過3個(gè)大難度、高危險(xiǎn)工程的成功實(shí)踐，驗(yàn)證了理論成果的正確性和技術(shù)上的可行性〔這3個(gè)工程分別是：①?gòu)V西科技館，架高21m、跨度15m、架頂為24.5°的傾斜面；②南寧國(guó)際大廈，架高67m、跨度18m；③廣西工學(xué)院科教中心，架高37m、跨度24m〕。我站將理論成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)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(dǎo)我區(qū)的模板工程實(shí)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(nèi)人士閱讀。有不同意見或更好建議的，請(qǐng)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(shè)工程質(zhì)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(yù)防措施作者:林伊寧(廣西建設(shè)工程質(zhì)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(dòng)。[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(xué)模型分析立桿，找出模板支架中最危險(xiǎn)的部位；提出對(duì)危險(xiǎn)部位的加固措施，列舉了工程實(shí)例證明其可行性。[關(guān)鍵詞]

模板支架、水平靜力、架頂側(cè)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(gè)角度切入，采用另一種力學(xué)模型對(duì)模板支架進(jìn)行分析。目的是揭露塌架的真正原因，判明架體中最危險(xiǎn)的部位并對(duì)其采取恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)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(qiáng)度容許應(yīng)力[σ]=205N/mm2計(jì)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(dá)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(xué)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(yuǎn)小于其容許荷載，更遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)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(chǔ)藏，支架為什么會(huì)垮？立桿截面上的應(yīng)力遠(yuǎn)未到達(dá)容許應(yīng)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(huì)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(huì)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(huì)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?yàn)榱U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(cè)移。6.

導(dǎo)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(gè)問題問得好！是關(guān)鍵問題，讓下面的解釋來答復(fù)?！捕?/p>

架體上的水平力澆搗混凝土?xí)r，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(rèn)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(diǎn)。約300㎡的車站屋面，在完成砼澆搗3小時(shí)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(shí)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(gè)違規(guī)建設(shè)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(gè)水平力從何而來？誰(shuí)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(dòng)力〔荷載〕，其余3個(gè)力都是被動(dòng)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(shí)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(huì)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(shí)原來排列整齊的立桿被硬拉出排或出列〕；〔3〕

搗制砼時(shí)，立桿與水平桿間的扣件被震松或被拉扯松動(dòng)，立桿頂端有擺動(dòng)，且各瞬間擺動(dòng)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(diǎn)上的扣件被施工荷載震松，立桿發(fā)生傾斜或彎曲?！?〕

施工時(shí)垂直度有偏差。在對(duì)廣西科技館工程模板支架的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，扣件松動(dòng)和立桿傾斜現(xiàn)象被證實(shí)〔檢測(cè)單位是廣西大學(xué)設(shè)計(jì)研究院檢測(cè)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(duì)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(duì)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(xué)對(duì)某工程的模板支架進(jìn)行實(shí)測(cè)，在純粹的垂直荷載下測(cè)得水平力，以上推理可解釋此現(xiàn)象。

〔三〕架頂側(cè)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(shí)，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(dāng)水平桿所受的力足夠大時(shí)，扣件開始松動(dòng)，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(cè)移便發(fā)生了。架頂側(cè)移可分為整架側(cè)移〔圖三〕、局部側(cè)移〔圖四〕、架頂扭轉(zhuǎn)〔圖五〕三種形式。是水平力的累積引起架頂側(cè)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(jī)具撤離后模板倒塌的現(xiàn)象，也可以解釋廣西醫(yī)科大學(xué)圖書館工程在砼澆到一半時(shí)，北京西單西西工程在砼澆搗即將完成時(shí)模板倒塌的現(xiàn)象。上文提到的隱形殺手，其實(shí)是斜立桿加在水平桿上的水平力，當(dāng)這些斜立桿“眾志成城”之際，便是支架倒塌之時(shí)。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(jī)理為使隱蔽的問題明朗化，討論無剪刀撐架體的塌架機(jī)理。單根立桿傾斜時(shí)，有水平桿支持便不會(huì)倒下。對(duì)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(duì)立桿的約束是靠扣件實(shí)現(xiàn)的，扣件是靠摩擦力工作的。當(dāng)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(shí)〔整架側(cè)移、局部側(cè)移、架頂扭轉(zhuǎn)〕，扣件與桿件間產(chǎn)生越來越大的摩擦力。當(dāng)此摩擦力最終被外力克服時(shí)，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(chǎng)，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(jī)理。以上討論的是架體沒有得到外力支持的情況，假設(shè)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(huì)加劇架體的局部側(cè)移或架頂扭轉(zhuǎn)，最終還是塌架。二、

尋找架體中最危險(xiǎn)的部位找到最危險(xiǎn)的部位才能有針對(duì)性地采取防范措施，有如對(duì)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(duì)立桿起支持作用。要尋找架體中最危險(xiǎn)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(duì)立桿有一偏心，P偏心對(duì)立桿形成彎矩效應(yīng)，可將此效應(yīng)加到水平力對(duì)桿的彎矩效應(yīng)中去〔加大水平力的取值〕?！?〕

將彎矩效應(yīng)轉(zhuǎn)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(dòng)力、因P的彎矩效應(yīng)而應(yīng)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(xué)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(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)，由Q引起的立桿內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(duì)立桿進(jìn)行受力分析，對(duì)立桿和對(duì)架體均偏于平安〔立桿內(nèi)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(xué)模型對(duì)立桿進(jìn)行受力分析。按慣例分析5跨連續(xù)梁〔圖七〕?！踩?/p>

立桿的內(nèi)力和支座反力分析在軸力P作用下，立桿各截面的內(nèi)力均等于P，不用再作進(jìn)一步分析。對(duì)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(jìn)而求得各支座反力〔水平桿對(duì)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(diǎn)處，從上往下，每節(jié)點(diǎn)的彎矩值約等于上一節(jié)點(diǎn)彎矩值的1/4，歷4跨之后，在節(jié)點(diǎn)4衰減到0.004Qa，已可忽略不計(jì)。2．支座反力。最大支座反力出現(xiàn)在頂節(jié)點(diǎn)處，從上往下，從R1開始，每節(jié)點(diǎn)的支座反力值約等于上一節(jié)點(diǎn)支座反力值的1/4，歷4跨之后，在節(jié)點(diǎn)4衰減到,已可忽略不計(jì)。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(xué)對(duì)某工程模板支架的實(shí)測(cè)結(jié)果相吻合。實(shí)測(cè)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(cè)不到水平桿的支持力。這說明〔圖八〕所示的內(nèi)力分布和支座反力分布規(guī)律符合客觀實(shí)際?！菜摹?/p>

架體中最危險(xiǎn)的部位從對(duì)〔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€(gè)節(jié)點(diǎn)處，即頂節(jié)點(diǎn)是立桿最危險(xiǎn)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(huì)發(fā)生晃動(dòng)，晃動(dòng)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(dāng)多數(shù)立桿向同一方向晃動(dòng)時(shí)〔圖九〕，假設(shè)架體中不設(shè)置豎向剪刀撐體系，架頂便發(fā)生瞬間側(cè)移。2．在某一瞬間，有一排立桿中的多數(shù)立桿同時(shí)向某一方向晃動(dòng)，而不遠(yuǎn)處另一排立桿中的多數(shù)立桿同時(shí)向相反的方向晃動(dòng)，假設(shè)架體中不設(shè)水平剪刀撐體系，架頂便發(fā)生瞬間扭轉(zhuǎn)〔圖十〕，這也是一種架頂側(cè)移?？梢?，架體中最危險(xiǎn)的部位是架頂。余下的問題是，架頂往下多少距離屬于危險(xiǎn)區(qū)域？從〔圖八〕可知，歷4跨〔4個(gè)步高即4h〕之后，水平力Q的影響已衰減到可忽略不計(jì)。工程中步高h(yuǎn)一般取值為1.5m,按4h=6m計(jì)。從架頂開始，往下6m是危險(xiǎn)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(xiǎn)區(qū)域延伸到從架頂開始往下12m范圍之內(nèi)〔按工程實(shí)際情況定〕。三、

預(yù)防塌架的技術(shù)措施防止架頂側(cè)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(yù)防塌架的著眼點(diǎn)，可采取如下措施：〔一〕架體內(nèi)設(shè)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(cè)移。如〔圖十二〕所示，水平剪刀撐可約束架頂扭轉(zhuǎn)。如〔圖十三〕所示，在架體內(nèi)設(shè)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(cè)移。剪刀撐在三個(gè)方向均是全高全長(zhǎng)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(shè)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(nèi)的水平力

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

加密三向剪刀撐〔圖十五〕，間距縮小一倍。架頂必須設(shè)置水平剪刀撐，并且雙向水平桿嚴(yán)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(cè)移的部位，利用砼柱或其他結(jié)構(gòu)物作支點(diǎn)，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(jié)〕。以上技術(shù)措施的有效性已經(jīng)過兩個(gè)高危高難度工程的檢驗(yàn)：〔1〕廣西科技館工程，架高21m，模板板面傾斜度24.5°，模板對(duì)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(shù)措施后，澆搗砼時(shí)，架體穩(wěn)固無晃動(dòng)感〔當(dāng)時(shí)作者在施工作業(yè)面上攝像〕?！?〕南寧國(guó)際大廈工程，設(shè)計(jì)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(cè)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(cè)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(cè)移。完成砼澆搗之后發(fā)