碗扣式脚手架在桥梁支撑应用中存在的问题及对策

碗扣式脚手架在桥梁支撑应用中存在的问题及对策针对国内脚手架垮塌事故频发的现状，笔者着重指出建筑支架设计、生产和应用中必须遵循的安全、高效等基本原则；结合发达国家的经验，指出脚手架和支撑架是两类完全不同的产品系列，其设计重点与应用范围有很大区别；对国内桥梁支撑中应用碗扣式脚手架存在的一些问题，有针对性地提出应设计制造专用的桥梁模板支撑系统，以求更加安全、经济与高效。碗扣式脚手架在桥梁支撑应用中存在的问题及对策1建筑支架设计、生产和应用的基本原则脚手架和支撑架设计、生产和施工中必须遵循的一些基本原则，在国内一些工程的应用实践中时常会被忽略，在此需要强调一下。1）安全性：建筑支架的应用特点决定了安全性是此类产品设计、生产和施工中必须遵循的首要原则。与此原则相抵触的任何因素，均应以保证其安全性这个首要原则为准。2）标准荷载：为了保证产品应用的安全性，需要有正确的搭建方案和结构设计。而制造厂商为每个杆件标注标准荷载值和最大荷载值，为杆件的承重荷载确立明确的安全系数，是必须遵守的原则之一。因为只有每个杆件的标准荷载值从工艺制造的角度得到保证，结构设计计算和搭建方案才能得到有效的保证。3）零缺欠原则：为了保证产品应用的安全性，脚手架和支撑架的品质必须遵守零缺欠原则。只有产品的制造工艺和品质遵循了零缺欠原则，才能在使用寿命期内保证成千上万个杆件产品的一致性，从而保证标准荷载的有效性。4）效率：在保证了安全性的前提下，提高产品的应用效率是另外一个重要准则。合理的产品和结构设计，应该保证尽量多地节约材料用量和工时用量。2理清脚手架和支撑架的不同概念我国在脚手架和支撑架的概念上存在模糊认识，甚至人为地推广用脚手架替代支撑架使用。事故分析报告显示，在频繁发生的脚手架垮塌事故中，桥梁施工事故占了绝大多数，其中多数是采用了钢管扣件式脚手架和碗扣式脚手架作为桥梁模板支撑使用。随着我国建筑施工方式的迅速改变和应用范围的不断扩大，对桥梁高大模板支撑系统的需求变得越来越迫切，原来以一款脚手架多功能地应用在不同领域的思路，已经无法满足现实的需求，亟待反思和改进。以发达国家的经验来看，脚手架和支撑架是两类完全不同的产品系列，用脚手架作为桥梁模板支撑来使用，不是一个合理的选择。因为桥梁施工的特点是荷载较大，力基本上垂直作用于支架立杆，而脚手架的应用特点是荷载相对较小，且通过脚手板先作用于横杆，再传到立杆。这些应用特点的不同，决定了在设计脚手架和支撑架时，关注点会有许多不同。支撑架系统的设计重点，应尽量提高单肢立杆的承重能力，以便在留有充足的安全系数的前提下，尽量多地减少立杆使用数量，从而减少材料使用量，并节约搭建和拆除工时。为了在工艺上实现这一点，设计支撑架时，通常选用直径较大的钢管作为支撑架的立杆。试验与理论计算均证明，同样的用钢量，增加壁厚带来的承载力增加值，远远不如增大直径有效，因而，发达国家使用的支撑系统，其立杆直径都远远大于常用的脚手架直径。由于支撑架的横杆受力非常有限，其横杆和节点的连接件，均可做出适当的让步。与脚手架不同，支撑架反而可以适当减少横杆的壁厚从而减低用钢量，达到节约成本的目的。为保证系统结构的稳定性，设计支撑架的另外一个关注点，就是系统本身应该具备斜杆杆件，以规范结构设计和搭建过程，减少任何不可控的、不确定的因素所造成的斜杆的缺失或不当使用。至于脚手架的设计重点，则与支撑架有很大区别。以我国大量应用于桥梁支撑的碗扣式脚手架为例，其原始设计本来是一款优秀的杆件式脚手架系统。独特的节点设计，虽仍应归为铰接，但却能承受相对更大的荷载，再加上其立杆上的上碗和横杆上的插片均为锻钢的工艺，使这款脚手架系统，在国外被广泛地应用于化工厂、炼油厂、油田及大型船舰维修等荷载相对较高的领域。碗扣式脚手架的原始设计虽然也有锁片式斜杆，但由于其独特的节点设计带来的局限，如果四个方向均安装了横杆，就没有位置再安装垂直斜杆，更没有位置安装水平斜杆了，与盘扣式脚手架相比，这恰恰形成了相反的性能特征。考虑到系统的稳定性，安装斜杆是必须的。为了补足这个弱项，该系统特意设计了另外一类斜杆，在斜杆的两头均用高强度螺栓各固定半个旋转扣件，扣件亦采用锻钢工艺。这样，尽管斜杆无法直接在碗扣的节点扣接，但可以用扣件扣接在横杆或立杆的适当位置上，也大大地改善了系统的稳定性。我国在引进碗扣式脚手架系统的时候，由于缺乏国外详细的产品资料和完善的试验数据，在工艺和结构上的修改，均指向了不利的方向。例如：取消了原设计中锁片式和扣件式斜杆，造成系统在应用时没有斜撑。大量的脚手架倒塌事故，均与缺乏斜杆而导致架体整体失稳有关。即使有些施工企业认识到了斜撑的重要性，由于系统缺乏规范的斜杆规格，造成施工单位在施工时随意地使用钢管和扣件，随意地架设斜杆（见图1），从而造成过程不可控，结构搭设随意性大，无法从系统结构上做量化设计计算。另外，工艺上，把原设计中采用锻钢的上碗和横杆锁片改成铸钢，甚至有很多产品采用球铁或玛钢件，这就大大降低了节点的强度，彻底颠覆了原设计的整体思路。原设计的钢管，均采用Q395以上的材质，壁厚也在3.5mm以上。而我国却使用Q235材质的钢管，大大降低了单肢立杆承载能力。实际应用中的产品，壁厚多为3.0mm甚至更薄，承载能力更为降低。再加上没有强制要求产品做热镀锌处理，由迅速锈蚀带来的后果，不是简单地缩短了产品的使用寿命，更大的隐患是产品的标准荷载变得不可预测，也无法保证杆件之间承载能力的一致性,使所有的结构设计和计算失去了必要的工艺保证。带着这些诸多问题的碗扣式脚手架系统大量应用于桥梁施工中的后果是，安全性根本得不到保障。为了增加安全系数，甲方不得不要求大量增加立杆的密度，实际应用中，立杆间距甚至达到300mm（见图2），也无法从根本上保证系统的安全性。这不仅造成资源的极大浪费，增加材料使用量，浪费大量的工时成本，而且违背了国家低碳经济的政策导向。3为桥梁施工设计制造专用的模板支撑系统针对我国桥梁施工现状，有必要设计既符合我国现有应用习惯，又能保证安全性，同时兼顾产品和施工效率的专用支撑系统。这个系统至少应该具备如下特点：1）单肢立杆的直径应大于现行的碗扣式脚手架的立杆直径，采用Q345以上高强度材质的钢管，其承载能力应该远远大于碗扣式脚手架的立杆承载力。只有这样，才能节约立杆的使用量，降低总用钢量，减少搭建和拆除过程中的工时用量，从而降低工程总成本。2）零配件须采用优良的工艺制造，焊接必须达到专业的焊接水平，产品必须进行热镀锌防锈处理。热镀锌处理虽然会增加成本，但却可以大大提高产品寿命（至20年），有效降低了系统的综合成本。3）系统本身应配备水平斜杆和竖向斜杆等杆件，以保证系统的稳定性，使产品的安全性得到有效控制（见图3）。4）采用系统的施工方法，比应用碗扣式和钢管扣件式脚手架节约更多的工时。同时具备以上特点的桥梁支撑系统，可在不增加目前碗扣式脚手架作为支撑架使用所形成的工程总造价水平的基础上，满足施工对安全性的需求，缓解我国当前桥梁施工领域中支架垮塌事故频发的问题。