扣件式钢管脚手架支模的安全性

1、扣件式钢管脚手架支模的安全性东南大学 郭正兴 刘家彬2002年10月25日上午9：30左右，南京市电视台新演播大厅在屋盖砼浇筑中发生了模板支撑整体倒塌重大事故，造成6人死亡，11人重伤，24人轻伤，这是一起典型的用扣件式钢管脚手架设排架支模的倒塌事故。这起事故给我们很多警示与启示，江苏目前多以扣件式钢管脚手架作为模板支撑架，但国内目前尚无专门的技术规程供设计者参考，项目经理和技术人员以及搭设架子的木工也有认识上的误区，现对扣件式钢管脚手架支模的安全性谈一些认识。 1 搭设材料扣件式钢管脚手架用钢管和扣件搭设成排架。 钢管最常用的普通钢管：普通碳素结构钢，简称普碳钢，原称3号钢，现称Q235钢，

2、规格为48×3.5mm。最新发展和正准备推广的钢管为低合金钢管，规格为48×2.5mm。低合金钢管和普碳钢管的主要技术指标对比 表1低合金钢管的优点：（1） 耐腐蚀性能好，使用寿命长； （2） 重量轻，节省运输费用，安装省力；（3） 每吨价格比普碳钢管高25，但钢管长度增加27，每米价格可低3。钢管采用带钢卷制，拼缝处用高频电焊焊接，亦称电焊钢管，它比无缝钢管成本低，Q235钢管的延伸率18，比低硬钢管的延伸率（10）高8。钢管的管径优先为48mm。考虑目前还有一些建筑公司拥有51mm的钢管，故可用，但不扩大。钢管的最大长度限制为6.5m，每根重量控制在25kg以内，这是为

3、确保搭设和拆卸的安全。钢管的检测按国家标准碳素结构钢GB700-89中Q235A钢的规定。在模板支架倒塌事故发生后，技术监督局通常对现场所用的钢管会作抽样检测。搭设模板支架钢管存在的问题是：（1） 普碳钢管易锈蚀，严重的出现麻坑，影响其承载力；（2） 租赁的钢管来路不同，钢管管壁厚度严重不匀，从2.64.0mm不等，一般为3.0mm。设计时必须考虑这一因素，用钢管规格48×3.0mm进行计算复核是可靠的。（3） 钢管的管端经多次或气割或电焊割，端面严重不平整，用作立杆时，在对接扣件部位出现初弯曲，严重影响立柱的承载力，易失稳。扣件 扣件有钢板冲压的和可锻铸铁的。钢板冲压的属轻型扣件，

4、国外使用多用于2、3层别墅住宅的轻型脚手架搭设，国内目前无此标准。用于搭设模板支撑架的扣件为可锻铸铁扣件，材料为机械性能不低于KTH33-08可锻铸铁，其机械性能：抗拉强度330N/mm2，延伸率8，硬度HB120163。可锻铸铁是由一定成分的白口铸铁经石墨化退火而成，比灰口铸铁具有较高的韧性，多用于制造承受冲击荷载的铸件。扣件检测的基本要求：（1）新扣件必须有产品质量合格证，生产许可证，专业检测单位的测试报告。（2）扣件螺栓拧紧力矩达70Nm时，可锻铸铁扣件不得破坏。1.2.4 扣件使用中存在问题：（1）扣件来源杂乱，质量不均，特别是有价格很低的劣质扣件进入了施工现场（价格为2.5元/个）（

5、2）旧扣件的螺栓有滑丝，但仍勉强使用。2 扣件钢管搭设模板支撑架的基本受力特性2.1 排架支撑立杆两种不同受力状态的承载力影响（1）钢管排架立杆顶端设可调托座传力支模在钢管顶端插入Tr38,长度为600mm的可调托座，这种支模方法在高架桥或其他连续箱梁桥施工中应用较多，因此，减小步高h能显著提高其承载力。由表2在同条件 下，因管壁减薄至3.0mm，其承载力降低12左右。轴心受力状态下稳定承载力 表2注：*1.承载力设计值按冷弯薄壁型钢结构技术规程（GB18-87）要求计算。 *2.fc=205N/mm2（2）钢管排架顶部水平钢管传力支模这种支模方式为江苏目前典型的支模方式。梁或板等水平砼构件的

6、自重和施工荷 载通过底模下的木枋将荷载传至水平钢管，水平钢管又通过与立杆扣接的直接扣件将荷载传至立杆。偏心受压状态下稳定承载力设计值 表3这种支模方式，立杆所受的力为偏心力，偏心距为53mm。模板支架系统的承载力由两个因素决定，其一为立杆在偏心荷载下的稳定承载力；其二为支架顶部水平钢管与立杆扣件的直角扣件的抗滑力。当直角扣件的拧紧力短达4065Nm时，试验表明：单扣件在12KN的荷载下会滑动， 其抗滑承载力可取85KN：双扣件在20KN荷载下会滑动，其抗滑承载力可取12KN。对比于表3可知，扣件的抗滑承载力小于偏心受压状态下的稳定承载力，尤其是当扣件拧紧力矩没有确切保证时更是如此。由于木工在施

7、工现场搭设模板支架时，扣件的拧紧力矩通常有大有小。表4列出1986年对北京、上海、广州和深圳四个城市的14个高层脚手架的1230个扣件螺栓扭力矩作了抽查，抽查表明拧紧力矩在4070Nm间的仅达43.7%，扣件式钢管排架支模的扣件拧紧状况不会好于外脚手架。因此，扣件式钢管排架作支模架时，其支架的承载力主要由支架顶部水平钢管与立杆的扣件抗滑力决定的，此点有别于扣件式钢管脚手架用作为外脚手架的状况。2.2 支架立杆用对接扣件作钢管接长的承载力在斜架支模或支模高度与钢管长度不相符时，木工通常用两只旋转扣件作钢管接接长，上海杨浦大桥引桥施工斜箱梁时采用了此种接长方法，解决斜架底支模度的不断变化。根据青岛

8、建工学院的试验，用两只旋转扣件作钢管搭接接长后的最大承载力2.63T 在相同试验条件下，用对接扣件作对接接长的最大承载力为8.27T，为搭接接的2.14倍。这脚手架的试验结果对钢管排架支模有启示，在可能的条件下，特别是有荷载支模时应优先采用立杆钢管对接接长的方式。若顶部立杆用单直角扣件扣接下一部水平钢管上作高度调整时，此时该顶部立杆的承载力决定于单扣件的抗滑力，以小于8KN考虑为宜。若顶部立杆用双旋转扣件搭接接长时，每根立杆的允许荷载值小于8KN为宜，两旋转扣件的间距应在800mm以上。2.3 高空支模采用双立柱的承载力外脚手架当搭设高度超过50m时，以往曾用双立柱搭设，以增加立柱的稳定性。对

9、 双立柱的脚手架建筑机械化研究所做过试验，其承载力比单立柱高16.5，共破坏形态表现为上部的单立柱失稳。双立柱中，荷载作用在其中的一根立柱上，通过试验表明，双立柱的主立柱的荷载分配规律为由上而下递减，副立柱为由上而下递增。向下传至第三步时，主立柱承受的荷载降为60，经7步传递后，主副立柱各承受50。外脚手架的双立柱搭法也可移植于高空支模，在满足顶部扣件抗滑的条件下，为增加高度达30m左右的支架的稳定性，在支架下部可搭设成双立柱形式。南京太阳宫的大砼拱肋施工，其支模高度达40m的支架采用四根钢管组成的加强组合立柱形式。南京国际展览中心工程的1000×2650mm的大梁，其支模高度达6m

10、，南京大地建设的项目部技术员也曾提出过梁底支架双立柱的支模方案。2.4 扫地杆和梁下横向水平杆的设置对立柱承载力的影响由于没有这方面的专门试验，但施工现场又是排架支模搭设的通病。参照脚手架的试验，其结果为：（1）设置纵、横向扫地杆的可使脚手架的承载力提高5.24；（2）在立柱与纵向水平杆的相交处间隔设置横向水平杆和不设扫地杆，使立柱的权限承载能力降低11.1。由此，大梁下的支架的每步横向水平钢管和底部的扫地杆都是必须设置的。2.5 剪力撑的设置对排架支撑稳定性的影响钢管排架支撑设置必要的剪刀撑有利于支架的整体稳定性，特别是超大梁的重荷载支模，合理设置剪力撑能防止在楼面泵输送管的抖动下支架的整体

11、失稳。国内的对脚手架的设置合理剪刀撑的使用对比表明，支撑体系能够提高立柱的极限承载力约为17。 对模板支架，剪力撑的设置有别于外脚手架（外脚手架设置的方法一般为45，每6跨设置）。合理的剪力撑的设置能改变立杆的失稳形态，特别是斜杆应与每立杆和横杆的节点用旋转扣件扣接最为合理。图3示出几种合理和不合理的剪刀撑设置情况。2.6 变形对模板支架稳定性的影响变形对模板支架稳定性的影响主要有：（1）地基的不均匀沉降能显著影响支架立柱的受力均匀性，易产生立柱局部失稳事故（2）模板下部支撑梁的变形易引发支架的严重不均匀受力，导致支架突发性的整体倒塌事故。3 典型模板支架倒塌事故介绍与分析3.1 深圳高架桥施

12、工模板支架倒塌事故2000年11月27日晚9时45分右，由中铁十三局施工的深圳盐坝高速公路起点高架桥在砼浇筑过程中，发生了半幅桥面模板支架长约3050m的塌陷事故，报道有69人随桥面塌陷从30米高处坠下，所幸支架坍塌延续两三分钟，工人得以逃生，重伤10余人。该支架在倒塌前，桥面有轻微晃动，支架有叽叽嘎嘎的声音，接着桥面下坠，中间先往下塌陷，接着两边往下塌陷。该事故的经济损失为次要，关键是影响了工期，打击了工人的积极性，损害了中铁十三局的名誉。2000年12月30日经过一个月的调查，网上公布“11.27”盐坝高速路高架桥塌陷事故的原因为：（1）立杆垂直高度误差偏大，部分扣件未拧紧，水平杆连接未用

13、搭接方式；（2）坍塌的第7跨支架设计中未设横向剪刀撑，纵向虽设但数量不够；（3）支架设计中对不利荷载因素及分布认识不足，未采取相应对策和措施；（4）施工部门、监理部门、管理不力，安全意识淡薄。3.2 中国银行苏州分行干将路综合业务楼工程模板支架整体倒塌事故1997年1月15日由张家港兴港建安总公司驻苏州南丰分公司承建的中国银行苏州分行干将路综合业务楼工程在共享空间顶层屋盖井字砼大梁浇筑过程中发生了模板支撑整体倒塌事故。造成6人死亡，7人重伤，7人轻伤的三级死亡事故，直接损失达100万元。对企业的处理为：企业在苏州地区降低一级施工资质，时间为一年。3.3 南京电视台演播中心工程大演播厅屋盖模板支

14、架整体倒塌事故2000年10月25日上午9：30左右，由南京三建集团施工的南京市电视台新演播大厅在屋盖砼浇筑中发生了模板支撑整体倒塌事故，造成6人死亡，11人重伤，24人轻伤。3.3.1 工程概况南京电视台演播中心的演播大厅屋盖平面尺寸为24m×26.8m，双向预应力梁井式楼盖。Y向预应力大梁有两根，截面尺寸为500×16001850mm；X向有大梁 根，截面尺寸为400×1600mm。屋盖板厚130mm。屋盖顶面标高29.3029.575m，大梁梁底的支模高度约为36m（地下室两层，高度为8.7m）。3.3.2 事故发生情况概述2000年10月25日上午9：30

15、左右，大演播厅的屋盖进行泵送砼浇筑，浇筑沿X向（即南北方向）分层推进。当浇筑至楼盖砼量约一半，刚过11轴的第一根Y向预应力大梁时，发生了中部支架突然下沉，随即支架整体倒塌，时间延续仅4秒，楼面上作业工人及模板下加固支架的工人短时间无法逃生，有6人死亡，其中1人是电视台的工作人员。3.3.3 事故发生的技术原因分析南京电视台演播中心工程大演播厅屋盖模板支架整体倒塌事故有点象苏州中国银行共享空间屋盖模板支事故的重演，在对事故现场进行调查后，从技术上讲，其事故的发生有其必然性。（1）对超高支模的重要性和严重性认识不足是事故产生的深层次原因。大演播厅的屋盖其支模高度达36m，双向井式楼盖的跨度达35m

16、左右，其大梁高度为1800mm左右，这些重要的支模技术参数法对有一定工程经验的项目人员都会引起足够的重视。但该工程的项目部人员警觉明显不够，监理人员的警觉也不够。作为对比，有相同支模规模的南京文化艺术中心升降舞台大厅的屋盖也为双向大跨预应力梁楼盖，支模楼高度最大达40m左右。对土建施工方提出的模板支架施工方案进行了两轮现场专家论证，在搭设过程中组织了中间检查，保证了楼盖砼浇筑的顺利成功进行。（2）对扣件式钢管排架支撑的承载力决定因素认识不足是事故产生的主要技术原因。该工程的楼盖施工有简单的模板支架方案，一般板下立杆间距为800×800mm，步高为1800mm；大梁下立杆间距增为400

17、mm，步高为900mm。但搭设时有变动，立杆的基本尺寸改为1000×1000mm，步高统一为1800mm，但地下室地坑处步高达2.6m。大梁下增设的间距为500的立杆，但凡增设的立杆均缺水平杆连系，支架的承载力没有得到根本的提高。（3）搭设的支架构造不合理是事故产生的又一原因。查看事故现场残存的支架，无扫地杆，相邻的连续5根立杆的钢管接头对接在同一高度，未见设置剪刀撑，大梁底模下也未设置必要的均匀分配荷载的横向水平木枋等。4 超常规砼结构施工钢管排架支模的一些成功经验4.1 超常规砼结构的几种常见形式（1）重荷载大跨度大截面砼框架梁；（2）共享空间、多功能厅、超高门厅等顶部楼盖的双向

18、或单向大跨度砼梁板；（3）砼转换层结构（转换大梁、转换厚板、转换桁架等）；（4）城市高架桥的砼墩台、箱梁；（5）跨越两楼或马路的廊道；（6）大悬挑大截面的砼梁板等。4.2 砼转换结构采用钢管排架支模实例4.2 南京娄子巷高层住宅的转换板施工排架支模 4.2.1 工程概况南京娄子巷高层住宅D7-07、08幢，地下一层，地上二十八层，有五层裙房，裙房以上有两座塔楼。裙房为现浇混凝土芯筒框架结构，柱网尺寸为7.2m×7.2m，7.2m×8.0m，中柱和边柱截面尺寸为1100mm×1100mm，角柱尺寸为1400mm×1400mm。六层以上为小开间的全现浇剪力墙

19、结构，六层楼板为厚2m的预应力混凝土转换板结构。土建施工单位为金坛建安公司一分公司，1999年6月施工。几种典型转换层结构的支模系统的比较 表44.2.2 支模方案的选择结合本工程的特点，暗梁多，裙楼面积大，工地有700t钢管可供支配使用，经估算，两块板按一次浇筑约需350t钢管，而且一次浇筑钢筋安装质量好，浇筑速度快，因此采用一次浇筑。 4.2.3 钢管排架支模的设计（1）为节省支撑材料，第5层板作加强设计。经计算，作用到5层楼面的荷载约为67KN/m2,而第5层楼面设计承载力约为20 KN/m2,板厚150mm。作加强设计后，5层板加厚到250mm，相应板的设计承载力提高到70 KN/m2

20、。（2）双扣件的抗滑能力约为12KN，按双扣件抗滑能力计算钢管排架支撑间距。在钢管支撑排架顶端，密排的木楞按200搁置在水平钢管上，水平钢管及水平钢管下的联系钢管与立杆形成双扣件抗滑节点，本工程确定钢管支撑排架间距为300mm×600mm，步高为1.5m。4.2.4 支撑局部构造措施2m厚板在5层楼上浇筑，支模高度为4.8m，板外挑290mm，为了防止侧模“炸模”及“胀模”，采取以下几项措施：对有裙楼板部位，在裙楼顶板浇混凝土时预埋短钢管，将顶住侧模的斜撑与预埋钢管扣件，形成强有力的侧向支撑；对无裙房顶板部位，浇筑5层柱及边角柱剪力墙混凝土前，按排架间距，预埋长度为1800mm左右的

21、水平钢管，形成三角形的斜支撑架；侧模上的对拉螺栓全部与钢筋笼点焊，模板上口另架水平钢筋与板上部钢筋点焊；对于楼梯洞口及其它跨度为4.25m的预留孔洞，用租赁的焊接H型钢作钢梁，将支撑排架荷载传递到洞口边缘墙或梁上。4.2.5 支撑荷载测试预先在钢管支撑下预埋压力盒，进行跟踪监测，结果实测平均支撑荷载约为8KN，荷载力及稳定性均满足要求。4.3 苏州工业园区国际大厦转换梁施工排架支模4.3.1 工程概况苏州工业园区国际大厦为地下2层，裙房4层，地上19层的框架剪力墙结构，其中第7层（标高为28.75m）处有5根大跨度预应力井式转换梁，上抬12层9m×9m柱框架，在转换层底下形成27m&

22、#215;18m，有25m净看÷空的气度不凡的共享空间。一个方向转换梁的截面尺寸为1000mm×3000mm，跨度为18m，另一方向的转换梁的截面尺寸为1000mm×3500mm，跨度为27m。土建施工单位为绍兴一建，施工日期为1999年。4.3.2 支模方案的选择在考虑支模方案时有钢桁架支模和钢管排架支模两种方法。钢桁架支模受力精确，承载力大。但钢桁架焊接工作量大，桁架的起吊、下移困难，特别是工期长，投入费用高。钢管排架支模工期短，投入费用低，但由于转换梁在28m高空，撑荷载大，需作精确的计算以及有足够的构造措施。经过比较及专家论证，最后采用后一种方案，并作必要

23、的完善。4.3.3 钢管排架的设计按双框架抗滑能力计算钢管排架支撑间距，计算后确定转换梁下支撑间距为428，梁下沿梁每排有6根钢管立柱形成加强区带；一般楼板及小次梁部位钢管支撑间距为856。支模高度为25m的钢管排架双向水平连系杆步距为中间部位1600mm，支架底部为1500mm，顶部为1400mm。4.3.4 支撑局部构造措施对于这么高的钢管排架支撑，计算并不能确保，必须有足够强的构造措施来保证，否则，很难保证支撑的安全性。为此，该工程采取了以下的构造措施：(1)在转换层下双向预应力大梁交叉点的支撑四个点上各设一根高承载力的609×12钢管柱，钢管柱顶另设四侧各挑出1.6m双槽钢三

24、角撑，相当于在支模中心区域撑了四把伞，既用于卸载，也用于防止突发性的支架倒塌事故。（2）为保证排架整体性，每隔一个楼层，即在2、4、6层间把钢管搭成维持横向稳定的桁架加强带，这在超高排架支模中是必须的。浇筑砼中为防止泵输送管的抖动对支架的影响，还采用布料机协助浇筑，布料机安放在转换层楼盖外周。（3）在转换层下的周边混凝土柱浇筑时预埋一些钢板，然后用字钢焊接三角架，使尽可能多的浇筑砼荷载通过已有一定强度的混凝土柱往下传递卸载。（4）在地下室一、二层中搭设钢管排架，间距为800×800mm，以免楼板超载开裂。4.3.5 支撑荷载监测由于支撑关系重大，在搭设时预先在钢管底下预埋压力盒，及在

25、钢管上贴应变片，浇混凝土时跟踪监测支撑荷载，确保安全。监测结果钢管最大荷载达12KN，满足要求。4.4 江苏国投大厦转换梁结构施工排架支模4.4.1 工程概况江苏国投大厦预应力转换梁尺寸为1000mm×4200mm，三跨梁跨度为8m+16m+8m，该梁在第67层间，有两层楼板与梁相连，5层板下至地下室顶板为16m×32m的共享空间。土建由通州四建施工，时间为1999年10月。4.4.2 方案选择4.2m高的转换梁分两次浇筑，第一次浇筑高度为1.6m，第二次2.6m。方案选择主要考虑转换梁的支撑及5层楼板的加强两方面。5层楼板支撑转换梁，由于5层板难以承受转换梁的荷载，故需对

26、5层板以下23m净空间的模板支架作加强设计。用钢管支撑加强外，在每根转换梁跨度中间增设4个609×12钢柱（间距4m），其作用有3个：将主要荷载通过钢柱传递至地下室梁柱节点上，以免地下室顶板开裂；减少支模扣件的跨度；作为支模空间的跨度；作为防止模板支架整体失稳的最后一道防线。4.4.3 具体措施对于支承在5层板上的支架的设计，由于施工速度较快，不能考虑第二次浇筑荷载全部由第一次浇筑的梁分担，在第一次浇筑混凝土强度约为C30时（设计C50）开始第二次浇筑。按照设计计算，需在转换梁以下以400mm×400mm间距搭设钢管排架，其他部位以800mm×800mm间距搭设钢

27、管排架。由于转换梁施工的重点性盒确保足够的安全度，又采取了以下的构造措施来加强：在每根转换梁下增设4根用槽钢焊接而成的方柱，在支架上另增设钢横梁，用斜撑撑住，槽钢荷载传到钢立柱，立柱直接传至5层板下609×12钢管柱。4.4.4 测试分析根据测试结果可知，钢管支架在第一次浇筑前后增加的荷载仅有5KN，在第二次浇筑后几乎没有增加，表明绝大部分荷载通过槽钢立柱直接传至609钢管柱，也说明方案既经济又安全。4.5 东方国际广场1.95m厚转换板施工排架支模4.5.1 工程概况上海东方国际广场是一个建筑群体，在建筑群中有两幢28层公寓楼，其六层以下为外框架，内简体结构，柱网为7.6m(7.0

28、)×7.2m，六层以上为剪力墙筒体结构，故需在六层平面上增设厚为1950mm的板式转换层结构。土建由南通二建施工，时间为1998年。4.5.2 支模方案的选择（1）扣件式钢管脚手架满堂支撑方案：从地下室二层开始一直搭到转换层底面，初步计算，用钢量230Kg/m2，总用钢量为515.2t。（2）利用柱子承重，采用主、次桁架方案：用钢量为90Kg/m2，需要大量型钢，总用钢量为210.6t，而且拆模时需全部割除，损耗较大，不能重复利用。（3）分层浇筑方案：将1950厚的转换板分两次浇筑，第一次浇600mm，第二次浇1350mm。在设计院的支持下，对第五层梁板进行验算，并进行了局部处理。待

29、600mm厚的板达到80强度时，将其下部的支撑全部拆除，把600mm厚的板当作第二次浇筑1350mm厚的板的模板。对比以上三种方案，第一、二种方案用钢量大，投入多，周转慢，最后选用第三种方案。4.5.3 支模系统的实施采用第三种方案后，荷载比一次浇筑小得多，但比普通结构要大，故也进行较详细的计算和采取足够的措施来保证。4.6 南京宏安大厦2.1m厚转换板施工排架支模4.6.1 工程概况南京宏安大厦为地下室一层，地上32层的商住楼。三层以上为陆军指挥学院军人的安居工程住宅楼。二层的顶板为厚度2.1m的砼转换板。二层板设计荷载为3.5KN/m2，一层板的设计承载力为40KN/m2。土建由通州建安总公司南京分公司施工，时间为2001年1月。4.6.2 支模方案选择该工程的2.1m厚转换板的面积为1800m2，板中设计有劲性钢柱及钢暗梁，因此，钢筋安装和钢结构的安装均有难度。经反复论证，采取在二层楼面上一次浇筑2.1m厚板，模板的支架采用传统的钢管排架。采用排架支模是因为木工搭设排架熟练，施工进度有保证，自有的钢管及租赁部分钢管的费用总体小于原设想的租用军工桁架梁的方案。4.6.3 排架支模方案的实施由于二层板的设计荷载小，不足以承受