高大模板支架施工安全技术分析★

董 钢 刘兰清 曹得豪 陈至贤 司启亮 张梦想

(合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

1 概述

随着建筑技术进步，建筑结构日趋复杂，高净空、大跨度建筑物日益普遍。为适应大跨度高净空钢筋混凝土建筑的建筑安装，混凝土模板支撑脚手架的架设高度和跨度也相应增大，形成了高大模板支架(高支模)。十几年来，高支模在搭设、使用及拆卸过程中倒塌事故时有发生，给人民生命财产造成了极大的损失[1,2]，其使用的安全性受到人们广泛关注。建设管理部门将高支模列为危险性较大的分部分项工程，并给出严格界定[3,4]：搭设高度8 m及以上，或搭设跨度18 m及以上，或施工总荷载15 kN/m2及以上，或集中线荷载20 kN/m及以上的模板支撑系统定义为高支模。《混凝土结构工程施工规范》规定[5]：“模板工程应编制专项施工方案。滑模、爬模等工具式模板工程及高大模板支架工程的专项施工方案应进行技术论证”，进一步加强房屋建筑工程“高支模”施工安全防范和监督。

近年来，国内建筑施工中支模架特别是高大支模架的倒塌事故频繁发生，从住建部公布的2014年—2019年全国房屋市政工程生产安全较大及以上事故通报数据统计可以看出[6]:随着国家各级主管部门、行业主体对该问题的重视，相继规范修订等技术措施的出台，模板支撑倒塌事故有所减少，从调查统计中可以看出模板支撑倒塌事故数量2016年前后有明显差异。但调查数据显示单次模板倒塌事故造成的人员财产伤亡仍然很大，群死群伤的重大恶性事故仍然是模板倒塌事故的主要特征。总结事故原因，加强对高支模安全技术的分析和理解，对避免该类事故发生具有重要意义。

2 引起高支模倒塌的主要原因

近年来钢管支架已成为高支模普遍采用的形式，无论是扣件式、碗扣式还是承插盘式高支模架，引起其倒塌失稳的根本原因是在高支模架拼装、使用及拆卸时的钢结构失稳问题[6,7]。由于模板支撑属于施工过程的支撑，其安全冗余度一般比较少，当其中某个构件出现失稳破坏时，很容易造成架体侧向位移、局部失稳导致坍塌。通过对2014年—2019年高支模事故调查分析，引起高支模倒塌的主要原因如下：

1)高支模设计存在缺陷。按照相关规定和规范要求，在设计文件中应注明涉及危险性较大分部分项工程的重点部位，然而在设计文件中往往缺少这类提示。支架的“高宽比”是高支模整体稳定设计的重要控制指标，在设计中存在因满足施工便利在模板支撑系统中部预留宽度较大的通高空间，变相加大了支架的“高宽比”问题，严重削弱模板支撑系统的刚度和整体稳定性。设计荷载取值不合理，规范对模板设计荷载作出的是一般性规定，但设计荷载应考虑具体的施工工况予以调整和放大，在实际执行中存在荷载取值小于现场施工荷载取值的随意情况。承重立杆间距、水平步距、扫地杆距地面高度、架体上部自由端高度等设计内容是高支模支架设计的核心内容，应按高支模实际构造和荷载进行稳定和强度验算，在事故调查中出现了不满足计算要求的较大尺寸，使支撑架稳定性不足，承载力不够，导致高支模倒塌。

2)高支模构造不当。高支模的合理构造是设计所采用的计算模型条件，同时也是保证高支模安全的重要措施，设计和施工中高支模构造措施必须遵循既有规范要求。在高支模倒塌事故中发现以下不当构造是高支模事故的重要原因：支撑架体结构未抱柱抱梁，模板支撑系统缺少与既有建筑结构间设置可靠拉接的构造措施，架体侧向稳定性措施不足。立杆及纵横向水平杆接头在同一平面，架体稳定的构造措施无法保证。支撑架体在混凝土梁模板底部支撑体系未做加密处理，支撑梁模板的钢管立杆顶部未使用可调托撑进行顶撑。未在立杆每一步距处满设纵横向水平拉杆。架体内未严格按规范要求设置水平剪刀撑、纵向剪刀撑和横向剪刀撑。

3)高支模施工不规范。在高支模倒塌事故中普遍存在未按照规范搭设现场模板架。其中比较突出的问题是高支模地基处理简单，有的仅仅是原状回填，未进行找平、压实或灰土地基等方法处理，未按标准要求设置垫板和底座，未设置防水排水设施，使地基产生较大不均匀变形，相应部位产生过大变形和附加应力，引起高支模失稳倒塌。大体量混凝土浇筑存在局部荷载集中严重，且未布置相应变形监控点，缺少对高支模架整体位移和局部杆件挠度变形实施安全监控，导致事故发生。另外，梁柱板同时浇筑等浇捣顺序不符合施工规范现象也是引起高支模倒塌的重要原因。高支模施工不规范还体现在未编制高支模专项施工方案或专项施工方案简单，编制深度不足等问题，这也为高支模事故留下了安全隐患。

4)高支模材料不符合要求。在高支模倒塌事故现场可以发现部分扣件质量低下，现场发现出现劈裂、破坏的扣件，扣件老化，钢管连接要求难以保证。支撑架所使用的钢管壁厚未达到规范要求。材料质量检测报告缺失。

3 高支模安全技术分析

3.1 稳定的结构体系

钢管高支模架属于空间钢结构稳定问题，架体设计首先是结构体系应满足空间结构的几何稳定，其基本要求是纵横向任一排架体必须确保面内面外几何不变。由于纵横杆与竖杆的连接件抗弯刚度限制以及连接件实际难以约束搭设后节点的初始微小转动，在实际设计计算时一般简化为铰接连接[8]。在铰接计算模型下，水平杆和竖杆构成的竖向架体以及纵横水平杆构成的水平架体均为平行四边形的铰接几何不稳定形态，在构造上需增加约束。

对于竖向架体，如图1所示，形成空间几何不变体系首先需保持不动地面支撑，面内几何不变体系构成依赖于面内斜撑及剪刀撑连接，或在其侧面设置不动铰支座连接的侧向支撑。面外稳定则依赖稳定的侧向支撑。对于水平架体，当考虑水平面内扭转效应时，需在水平架体内设横向剪刀撑约束以形成几何不变体系并抵抗水平扭转效应。

因此，高支模纵横向支撑设置、水平支撑设置与已有稳定结构的侧向连接以及经过处理的稳固地基是形成稳定的高支模结构体系的重要措施，为了提高高支模稳定的冗余度，除满足设计计算要求外还须根据规范要求设置多道安全防线。稳定的高支模结构体系是高支模核心安全技术措施，由此类问题引起的高支模倒塌事故在历年事故调查中占有相当比例。在设计、施工及构造处理时需根据高支模具体特征符合相应计算力学简图，严格按相关规范执行。

3.2 竖杆的稳定验算

对于高支模架，竖杆的稳定问题是高支模整体安全的关键问题。按欧拉公式，对于细长直杆轴心受压其承载能力Fcr由下式确定:

其中，EI为杆件的抗弯刚度；l为直杆长度;μ为细长杆两端约束系数。在铰接模型高支模中，一般存在两种约束形式：其一为两端为铰接约束，系数μ取为1；其二对于轴心受压模板支架立杆顶部伸出部分近似视为一段固结一段自由约束，系数μ取2。当然在实际高支模设计中，μ值的选取还综合了立杆偏心受荷及影响脚手架整体失稳的各种因素。

由以上分析可知：高支模立杆与水平杆的节点需设置纵横两个方向水平杆，否则在未设置方向其计算长度将为另一个方向的n倍，n为在该方向未设置水平杆的步距数，按最不利设计则竖杆其承载能力将大大降低。在模板支架立杆顶部伸出部分长度应限制，否则其计算长度也将大大超出设计要求。在模板支架立杆底部应满设扫地杆，否则底部立杆约束将近似为一段固结一段悬臂的形式，其承载能力也将大大降低。

3.3 荷载取值

建筑施工模板安全技术规范及混凝土结构工程施工规范对模板支撑的恒荷载和活荷载的取值做了相关规定，对混凝土浇捣荷载也给出相应的经验公式。然而在高支模施工中，施工荷载具有随机性和偶发性，高支模荷载取值为一个复杂问题。

为了保证高支模在荷载取值的合理性，一方面在按规范规定的荷载取值基础上应充分考虑施工中混凝土浇捣时混凝土堆积高度、现场施工材料的堆积、施工人员及设备荷载等因素，经过论证选取合理荷载值进行设计计算。另一方面在施工过程中严格按照论证的施工方案进行施工，并实时做好相应监测，保证高支模工作全阶段模板荷载在计算荷载范围内。

4 结论

高支模安全问题，直接关系到人民群众的生命财产安全，受到社会的广泛关注。通过对2014—2019模板支撑安全事故的调查，从高支模设计、施工、构造要求及管理方面总结了近年来高支模板倒塌原因，并从力学分析和结构理论方面探讨了事故成因，分析了高支模设计施工的安全技术要求。主要结论如下：

1)设计、施工及过程管理等多个生产环节处理不当都有可能导致高支模失稳或倒塌的严重后果。高支模安全生产要求各方责任主体严格按照国家、行业规范规程规定执行，同时应加强各方协调与监督，确保高支模设计、施工与管理符合高支模实际的工况。

2)钢管高支模属于空间杆系结构，其结构体系和杆件的稳定性是其安全技术的核心问题。在满足整体稳定和杆件稳定安全的前提下，应通过适当增设支撑以及与稳定的墙、梁柱的连接增加其安全冗余度，避免当某个构件出现失稳破坏时，造成架体整体坍塌。