額定工況下的碗扣式腳手架極限承載力探討

摘 要：腳手架用于建筑物墻外施工、防護(hù)時(shí)，可按普通架子常規(guī)設(shè)計(jì)、搭設(shè)，當(dāng)作為橋梁等施工時(shí)的支撐系統(tǒng)時(shí)，必須制定專(zhuān)項(xiàng)施工設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算。本文將通過(guò)結(jié)構(gòu)仿真軟件對(duì)額定工況下的碗扣式腳手架極限搭設(shè)高度進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：碗扣式腳手架；極限搭設(shè)高度；額定工況

中圖分類(lèi)號(hào)：TU731.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-3362（2013）12-0066-02

結(jié)構(gòu)的整個(gè)壽命周期分為建設(shè)階段和使用階段，結(jié)構(gòu)工程師通常比較重視結(jié)構(gòu)使用年限期間的安全問(wèn)題，而容易忽視建設(shè)階段所面臨的各種相關(guān)的結(jié)構(gòu)安全或強(qiáng)度和穩(wěn)定問(wèn)題。事實(shí)上，結(jié)構(gòu)在其使用年限中，很少遇到設(shè)計(jì)中的最大荷載，相反在施工過(guò)程中，常因支撐系統(tǒng)的承載力不足而引發(fā)意外的倒塌事故。

1 腳手架事故原因分析

鋼管支撐系統(tǒng)是由桿件連接組成的，其起連接作用的節(jié)點(diǎn)成千上萬(wàn)，受力復(fù)雜，在實(shí)際的工作中，設(shè)計(jì)人員參考通用規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，技術(shù)和施工人員憑工程經(jīng)驗(yàn)、局部驗(yàn)算對(duì)桿件強(qiáng)度估算來(lái)搭設(shè)腳手架。至今沒(méi)有準(zhǔn)確的計(jì)算、設(shè)計(jì)鋼管支撐系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、計(jì)算程序，并且實(shí)際工程中的不確定因素較多，支架倒塌的事件時(shí)有發(fā)生，事故造成的后果相當(dāng)嚴(yán)重。分析事故發(fā)生的原因，主要有以下幾方面：

（1）搭設(shè)鋼管支撐系統(tǒng)過(guò)于依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)強(qiáng)度重要性重視不夠。

（2）鋼管支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)常依據(jù)經(jīng)驗(yàn)布置，缺少各種工況下的理論分析及計(jì)算，其分析模型常采用鋼結(jié)構(gòu)的鉸接節(jié)點(diǎn)，各桿匯交于一點(diǎn)，但實(shí)際節(jié)點(diǎn)存在一定的偏心，所以桿件中也存在一定的彎矩。

（3）市場(chǎng)存在惡性競(jìng)爭(zhēng)，許多生產(chǎn)廠(chǎng)家為搶占市場(chǎng)，生產(chǎn)的鋼管壁厚不達(dá)標(biāo)，損失截面慣性矩，低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)，造成安全隱患。

（4）一些施工企業(yè)管理混亂，為了降低施工成本，對(duì)已經(jīng)施工多年或銹蝕嚴(yán)重的鋼管仍舊使用，操作人員也未按要求及時(shí)更換不合格鋼管，也是造成支撐系統(tǒng)倒塌的重要原因。

（5）有的鋼管企業(yè)生產(chǎn)工藝不高，鋼管材料質(zhì)量不能保證，材料銹蝕或磨損嚴(yán)重，有的局部彎曲或開(kāi)焊，導(dǎo)致桿件強(qiáng)度、穩(wěn)定性不足。

（6）施工過(guò)程中，伴隨混凝土的澆注，結(jié)構(gòu)自重增加，支撐承受的豎向荷載越來(lái)越大，鋼管支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)混凝土的流動(dòng)、振搗等水平荷載、澆注方式、澆注順序等因素考慮不夠，也是導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)倒塌的原因。

2 額定工況下碗口式腳手架極限搭設(shè)高度仿真計(jì)算

現(xiàn)行《建筑施工碗扣式腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ166-2008）第1.0.3條規(guī)定，落地碗扣式腳手架當(dāng)搭設(shè)高度H<20m時(shí)可按普通架子常規(guī)搭設(shè)，當(dāng)搭設(shè)高度H>20m及超高、超重、大跨度的模板支撐體系必須制定專(zhuān)項(xiàng)施工設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算。此規(guī)定籠統(tǒng)地提出了20m的搭設(shè)界限值，并未明確區(qū)分承重和非承重的結(jié)構(gòu)區(qū)別。腳手架可以用于建筑物墻外施工、防護(hù)用，也可以作為橋梁等施工時(shí)的支撐系統(tǒng)。故理論上用途不同，搭設(shè)高度的界限值應(yīng)有所不同，而且與碗扣式腳手架的步距、層高都有關(guān)系。本文將通過(guò)結(jié)構(gòu)仿真軟件對(duì)額定工況下的碗扣式腳手架極限搭設(shè)高度進(jìn)行探討。本論文可為廣大施工人員在施工之前布置搭設(shè)支撐系統(tǒng)提供依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)從靠施工技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)到利用計(jì)算機(jī)科學(xué)地設(shè)計(jì)計(jì)算、搭設(shè)腳手架，提高支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證施工安全。

2.1 荷載分析

2.1.1 恒載

自重；風(fēng)荷載（基本風(fēng)壓400Pa，高度變化系數(shù)取1.14，體型系數(shù)取0.8）；橋重（厚度按1m計(jì)，重度26kN/m3）；模板及支撐荷載（750N/m2）。

2.1.2 活載

施工活荷載取施工荷載2.5kN/m2和混凝土振搗荷載2kN/m2之和，即4.5kN/m2。

2.2 工況分析

1.20恒載+1.40活載。

2.3 滿(mǎn)堂腳手架模型

與僅考慮自重時(shí)的算法相同，選取水平面架設(shè)，設(shè)滿(mǎn)堂腳手架總長(zhǎng)度30m，總寬度12m，總高度待求。運(yùn)用sap2000，建立滿(mǎn)堂腳手架空間模型如圖1所示。

2.4 計(jì)算方案

2.4.1 方案一

長(zhǎng)度方向步長(zhǎng)分別取300mm、600mm、900mm、1200mm、1500mm、1800mm，層高取1200mm，選取不同的總高度，用sap2000進(jìn)行試算，輸出各桿的應(yīng)力比圖，當(dāng)鋼管的最大應(yīng)力比達(dá)到1.0時(shí)，即認(rèn)為此時(shí)的總高度即為最大值。

2.4.2 方案二

長(zhǎng)度方向步長(zhǎng)分別取300mm、600mm、900mm、1200mm、1500mm、1800mm，層高分別取1200、1800、2400、3000mm，兩者進(jìn)行組合，設(shè)腳手架搭設(shè)總高度為15m，輸出各桿件的應(yīng)力比圖。

2.5 計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

計(jì)算結(jié)果如表1、表2所示。同樣，表1中列出層高為1200mm時(shí)的最終的最大理論搭設(shè)高度及應(yīng)力比值，不再輸出各種組合時(shí)的應(yīng)力比圖。表2中列出當(dāng)總高度為15m時(shí)鋼管最大應(yīng)力比值。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）從表1中可以看出，在上述額定工況時(shí)，當(dāng)碗扣式腳手架的搭設(shè)層高為1200mm，搭設(shè)總高度可以達(dá)到18～24m左右，鋼管最大應(yīng)力比值隨步長(zhǎng)增加而逐漸變大，此種工況下，鋼管的強(qiáng)度及穩(wěn)定性不存在問(wèn)題，通過(guò)鋼管最大應(yīng)力比數(shù)值可以看到，20m左右是此工況時(shí)的極限高度。

（2）從表2中可以看出，在上述額定工況，搭設(shè)總高度為15m時(shí)，當(dāng)碗扣式腳手架的搭設(shè)層高為1200mm、1800mm，鋼管最大應(yīng)力比值隨步長(zhǎng)增加而逐漸變大，同結(jié)論（1）吻合。進(jìn)一步證明了，此種工況下，鋼管的強(qiáng)度及穩(wěn)定性不存在問(wèn)題。當(dāng)層高為2400mm、3000mm時(shí)，鋼管最大應(yīng)力比值隨步長(zhǎng)增加而逐漸變大，并且普遍大于1。此時(shí)說(shuō)明，隨著層高的增大，鋼管的歐拉臨界力減小，當(dāng)層高增大到一定程度，鋼管的穩(wěn)定性問(wèn)題對(duì)腳手架支撐系統(tǒng)的影響開(kāi)始起主要作用，搭設(shè)鋼管不宜采用2400mm、3000mm的層高。

4 致謝

本工作得到湖北理工學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)研究項(xiàng)目的資助（項(xiàng)目編號(hào)：12cx54）。

參考文獻(xiàn)

[1] 糜嘉平.腳手架.模板倒塌事故的原因及對(duì)策[J].建筑技術(shù)，2001，32（04）：260-260.

[2] 潘德恩，顏聰，彭瑞麟.鋼管鷹架支撐結(jié)構(gòu)類(lèi)型及破壞模式之探討[J].結(jié)構(gòu)工程師，2000（增刊）.

[3] 孫尚田，王學(xué)洲.WDJ碗扣型多功能鋼管腳手架在城市立交橋工程中的應(yīng)用[J].施工技術(shù)，1995（22）：700-702.