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摘 要：以地铁站工程为研究背景，按照国内有关学者的研究成果中所提供的方法，对地铁车站顶板双向受的模板支架进行设计与计算，确定了该工程模板支架的搭设参数。采用大型有限元软件对设计方案进行承载力验算，结果表明：本工程模板支架所选择的计算方法科学合理，设计方案安全可靠。
关键词：地铁车站；模板支架；双向荷载；数值分析
随着城市地铁的快速发展，由钢扣件和钢管组成的模板支架由于构造简单、通用性强、使用成本相对较低、安全性较好等原因在地铁车站顶板施工中得到广泛应用。但是由于规范的制定不完善，管理不科学所造成的事件频频发生，高支模架的计算与分析已成为目前困扰建筑业的一大难题。近年来，国内对双排扣件式钢管脚手架的试验和理论分析成果较多[1-3]，而扣件式钢管模板支架的研究则较少。一般情况下，扣件式钢管模板支架只承载竖向荷载，文献[4]中提出模板支撑体系还受到水平荷载作用，如搭设偏差对立杆诱发水平作用力，输送混凝土时泵管的水平冲力，浇注混凝土时振捣器的水平振动力等。然而在地铁结构施工中，模板支架除了需要承受竖向荷载和搭设偏差对立杆诱发水平作用力等水平荷载外，还需承受侧墙施工时产生的水平荷载。本文以某地铁工程施工为例，对模板支架受双向荷载作用时的稳定承载力进行了理论计算，并结合有限元分析与只承受竖向荷载时模板支架的稳定承载力进行对比，给此类扣件式钢管模板支撑体系的方案设计与安全分析提供可靠依据[5]。
1.工程概况
某地铁换乘站位于十字路口处，基坑两侧规划道路宽均为50m，西南象限与西北象限均为办公楼，车站东南象限为一商厦，东北象限为某在建大厦，上跨环形天桥。车站共三层，车站全长194.8m，节点宽度为25.1m，，标准段宽度为22.7m，底板底面埋深约20.5 m，顶板覆土厚度约3m。根据围护结构和主体工程施工位置关系，负三层结构的层高为6.3 m，负二层结构层高6.41 m，负一层结构层高5.75 m，如图1所示。
车站结构采用钢筋混凝土箱型框架结构，基坑围护结构为钻孔灌注桩，设三道水平支撑，主体结构采用明挖顺做法施工，局部铺盖，标准段基坑开挖深度为16.11m，节点段开挖深度为22.61m，总开挖量为160000m?。
2.模板支架设计与计算
2.1 材料与计算荷载
该工程采用碗扣式钢管支架，水平杆、立杆均选为 48×3.5普通钢管，自重38.4N/m。钢管、碗扣钢材为Q235-A，强度极限值[ ]为215MPa，水平杆件容许挠度值[ ]为3mm，主要受压构件（立柱）的容许长细比[ ]为150。根据经验选取模板支架纵距为1000 mm，横距为900，步距为800 mm。
考虑混凝土的侧向压力全部由满堂架承受，而水平杆作为主要受力杆件，因此水平杆按两端铰接的轴心受压杆件计算，计算长度L为立杆间距。将作用于满堂架上的线性均布荷载最后简化为每一根水平杆上的集中荷载。经计算，侧向模板对每根水平杆施加的水平力FH=25.56 kN，支架顶部模板对每根立杆施加的竖向力P=24.33 kN，模板对水平杆总侧最大压力60.5 kN，选取换乘节点处负二层板进行承载力验算，整个模架长宽均为25m。
2.2 高支模架立杆承载力验算
将扣件支撑力按照最不利位置布置在一个立杆跨距上，水平杆间距L=0.8 m，按两端铰接的轴心受压构件计算，计算长度L=0.8m，则长细比： ，根据JGJ162—2008《建筑施工模板安全技术规范》附录D，得轴心受压杆件稳定系数 ，则：
2.3 高支模架水平杆承载力验算
将作用于满堂架上的线性均布荷载最后简化为每一根水平杆上的集中荷载，计算长度L=1m，则长细比： ，得轴心受压杆件稳定系数 ，故轴心受压轴向力限值：
2.4 高支模架整体稳定承载力验算
将立杆视为两端铰接的轴心受压构件进行计算，计算长度L=0.8m，长细比： ，得轴心受压杆件稳定系数 ，故立杆轴心受压轴向力限值：
故支架整体稳定性满足要求。
根据理论计算，选取模板支架纵距为1000 mm，横距为900，步距为800 mm。车站负二层顶板模板支架长度方向25跨，宽度方向27跨，高度方向为8跨，扫地杆长度为0.2m，顶端伸出水平杆长度为0.2m。考虑纵向剪刀撑对模架稳定承载力的影响，参照《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》相关规定和杜荣军对纵向剪刀撑的要求[6]，并根据实际情况在模架四周布满竖向剪刀撑。
3.模板支架稳定性有限元分析
3.1有限元模型的建立
本文主要应用SAP2000有限元软件，根据实际情况建立合理的模型，选择科学的求解器、控制方法或分析参数，进行静力分析，基本假定如下[7]：
（1）本文模型为三维空间杆件结构体系，考虑高支模体系荷载较大，上、下端假定与模板和底座铰接，剪刀撑与体系铰接；
（2）忽略地震荷载，风荷载及其他水平荷载；
（3）模架竖直杆均为轴心受压，均匀承受荷载，整个架体失稳时的轴压为架体稳定承载力；
（4）大量实地调研发现，实际施工过程中存在模板支架所使用的钢管生产标准不统一、施工过程中工人操作不规范等因素，导致模板支架存在大量初始缺陷。本文通过将广义假想水平力施加在架体弱向一侧平面内各节点上来模拟架体初始缺陷，其值由试验确定，取极限承载力的1.2%～2.5%[8]。
（5）因杆件间是用扣件连接的，所以节点处应考虑半刚性。节点刚度取85.96kN·m/rad[9]。
根据上述假设，建立有限元模型如图2，计算典型结果如图3：
根据有限元分析结果，可以知道：按本工程拟定方按进行模板支架搭设，立杆受力最大值为16.258kN，水平杆受力最大值为8.126kN，剪刀撑受力最大值为10.231kN，均能满足要求。故本方案设计合理。
4.结论
本文以某地铁工程施工为例，对模板支架受双向荷载作用时的稳定承载力进行了理论计算，并结合有限元分析与只承受竖向荷载时模板支架的稳定承载力进行对比，可以得到以下结论：
（1）采用有限元法对模板支架进行承载力验算，能够较好的进行三维计算，真实反映架体的实际受力状态；
（2）对于类似于本工程的地下工程，在进行模板支架设计时，应考虑模板支架双向受力状态，否则，计算出的支架稳定承载力将会偏大，给施工安全带来威胁；
（3）进行有限元计算时，必须对支架节点及刚管的约束情况进行力学简化，对模板支架存在初始缺陷应根据相关研究成果进行假定，方可得出较为适用的计算结果。
参考文献
[1]施炳华.探讨扣件式钢管脚手架的稳定计算问题[J].施工技术，2004，33（2）.
[2]杜荣军.脚手架结构的稳定承载能力[J].施工技术，2001，30（4）.
[3]敖鴻斐.双排扣件式钢管脚手架整体极限承载力研究[D].上海：同济大学，2000.
[4]陈园卿，章雪峰，胡威诣.水平荷载作用下混凝土结构扣件式钢管模板高支撑体系受力分析[J].建筑技术，2007，38（8）.
[5]曾凡奎，胡长明，葛召深等.双向荷载作用下扣件式钢管模板支架稳定性分析[J].工业建筑，2010（2）.
关键词：地铁车站；模板支架；双向荷载；数值分析
随着城市地铁的快速发展，由钢扣件和钢管组成的模板支架由于构造简单、通用性强、使用成本相对较低、安全性较好等原因在地铁车站顶板施工中得到广泛应用。但是由于规范的制定不完善，管理不科学所造成的事件频频发生，高支模架的计算与分析已成为目前困扰建筑业的一大难题。近年来，国内对双排扣件式钢管脚手架的试验和理论分析成果较多[1-3]，而扣件式钢管模板支架的研究则较少。一般情况下，扣件式钢管模板支架只承载竖向荷载，文献[4]中提出模板支撑体系还受到水平荷载作用，如搭设偏差对立杆诱发水平作用力，输送混凝土时泵管的水平冲力，浇注混凝土时振捣器的水平振动力等。然而在地铁结构施工中，模板支架除了需要承受竖向荷载和搭设偏差对立杆诱发水平作用力等水平荷载外，还需承受侧墙施工时产生的水平荷载。本文以某地铁工程施工为例，对模板支架受双向荷载作用时的稳定承载力进行了理论计算，并结合有限元分析与只承受竖向荷载时模板支架的稳定承载力进行对比，给此类扣件式钢管模板支撑体系的方案设计与安全分析提供可靠依据[5]。
1.工程概况
某地铁换乘站位于十字路口处，基坑两侧规划道路宽均为50m，西南象限与西北象限均为办公楼，车站东南象限为一商厦，东北象限为某在建大厦，上跨环形天桥。车站共三层，车站全长194.8m，节点宽度为25.1m，，标准段宽度为22.7m，底板底面埋深约20.5 m，顶板覆土厚度约3m。根据围护结构和主体工程施工位置关系，负三层结构的层高为6.3 m，负二层结构层高6.41 m，负一层结构层高5.75 m，如图1所示。
车站结构采用钢筋混凝土箱型框架结构，基坑围护结构为钻孔灌注桩，设三道水平支撑，主体结构采用明挖顺做法施工，局部铺盖，标准段基坑开挖深度为16.11m，节点段开挖深度为22.61m，总开挖量为160000m?。
2.模板支架设计与计算
2.1 材料与计算荷载
该工程采用碗扣式钢管支架，水平杆、立杆均选为 48×3.5普通钢管，自重38.4N/m。钢管、碗扣钢材为Q235-A，强度极限值[ ]为215MPa，水平杆件容许挠度值[ ]为3mm，主要受压构件（立柱）的容许长细比[ ]为150。根据经验选取模板支架纵距为1000 mm，横距为900，步距为800 mm。
考虑混凝土的侧向压力全部由满堂架承受，而水平杆作为主要受力杆件，因此水平杆按两端铰接的轴心受压杆件计算，计算长度L为立杆间距。将作用于满堂架上的线性均布荷载最后简化为每一根水平杆上的集中荷载。经计算，侧向模板对每根水平杆施加的水平力FH=25.56 kN，支架顶部模板对每根立杆施加的竖向力P=24.33 kN，模板对水平杆总侧最大压力60.5 kN，选取换乘节点处负二层板进行承载力验算，整个模架长宽均为25m。
2.2 高支模架立杆承载力验算
将扣件支撑力按照最不利位置布置在一个立杆跨距上，水平杆间距L=0.8 m，按两端铰接的轴心受压构件计算，计算长度L=0.8m，则长细比： ，根据JGJ162—2008《建筑施工模板安全技术规范》附录D，得轴心受压杆件稳定系数 ，则：
2.3 高支模架水平杆承载力验算
将作用于满堂架上的线性均布荷载最后简化为每一根水平杆上的集中荷载，计算长度L=1m，则长细比： ，得轴心受压杆件稳定系数 ，故轴心受压轴向力限值：
2.4 高支模架整体稳定承载力验算
将立杆视为两端铰接的轴心受压构件进行计算，计算长度L=0.8m，长细比： ，得轴心受压杆件稳定系数 ，故立杆轴心受压轴向力限值：
故支架整体稳定性满足要求。
根据理论计算，选取模板支架纵距为1000 mm，横距为900，步距为800 mm。车站负二层顶板模板支架长度方向25跨，宽度方向27跨，高度方向为8跨，扫地杆长度为0.2m，顶端伸出水平杆长度为0.2m。考虑纵向剪刀撑对模架稳定承载力的影响，参照《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》相关规定和杜荣军对纵向剪刀撑的要求[6]，并根据实际情况在模架四周布满竖向剪刀撑。
3.模板支架稳定性有限元分析
3.1有限元模型的建立
本文主要应用SAP2000有限元软件，根据实际情况建立合理的模型，选择科学的求解器、控制方法或分析参数，进行静力分析，基本假定如下[7]：
（1）本文模型为三维空间杆件结构体系，考虑高支模体系荷载较大，上、下端假定与模板和底座铰接，剪刀撑与体系铰接；
（2）忽略地震荷载，风荷载及其他水平荷载；
（3）模架竖直杆均为轴心受压，均匀承受荷载，整个架体失稳时的轴压为架体稳定承载力；
（4）大量实地调研发现，实际施工过程中存在模板支架所使用的钢管生产标准不统一、施工过程中工人操作不规范等因素，导致模板支架存在大量初始缺陷。本文通过将广义假想水平力施加在架体弱向一侧平面内各节点上来模拟架体初始缺陷，其值由试验确定，取极限承载力的1.2%～2.5%[8]。
（5）因杆件间是用扣件连接的，所以节点处应考虑半刚性。节点刚度取85.96kN·m/rad[9]。
根据上述假设，建立有限元模型如图2，计算典型结果如图3：
根据有限元分析结果，可以知道：按本工程拟定方按进行模板支架搭设，立杆受力最大值为16.258kN，水平杆受力最大值为8.126kN，剪刀撑受力最大值为10.231kN，均能满足要求。故本方案设计合理。
4.结论
本文以某地铁工程施工为例，对模板支架受双向荷载作用时的稳定承载力进行了理论计算，并结合有限元分析与只承受竖向荷载时模板支架的稳定承载力进行对比，可以得到以下结论：
（1）采用有限元法对模板支架进行承载力验算，能够较好的进行三维计算，真实反映架体的实际受力状态；
（2）对于类似于本工程的地下工程，在进行模板支架设计时，应考虑模板支架双向受力状态，否则，计算出的支架稳定承载力将会偏大，给施工安全带来威胁；
（3）进行有限元计算时，必须对支架节点及刚管的约束情况进行力学简化，对模板支架存在初始缺陷应根据相关研究成果进行假定，方可得出较为适用的计算结果。
参考文献
[1]施炳华.探讨扣件式钢管脚手架的稳定计算问题[J].施工技术，2004，33（2）.
[2]杜荣军.脚手架结构的稳定承载能力[J].施工技术，2001，30（4）.
[3]敖鴻斐.双排扣件式钢管脚手架整体极限承载力研究[D].上海：同济大学，2000.
[4]陈园卿，章雪峰，胡威诣.水平荷载作用下混凝土结构扣件式钢管模板高支撑体系受力分析[J].建筑技术，2007，38（8）.
[5]曾凡奎，胡长明，葛召深等.双向荷载作用下扣件式钢管模板支架稳定性分析[J].工业建筑，2010（2）.