腳手架設計與高職建筑力學教學中的知識點銜接探討

黃 薇

(重慶水利電力職業(yè)技術學院 建筑工程系，重慶 402160)

腳手架設計與高職建筑力學教學中的知識點銜接探討

黃 薇

(重慶水利電力職業(yè)技術學院 建筑工程系，重慶 402160)

結合高職院校建筑工程技術專業(yè)《建筑力學》課程的現狀，為提高學生對力學知識的運用能力，在課程中增設了腳手架設計內容。針對腳手架設計涉及到的相關知識點，以腳手架設計計算為線索，主要分析了在設計中涉及到的多個力學知識點和結構設計常識問題，為相關課程教學及改革提供參考。

高職院校；腳手架設計；建筑力學；教學改革

0 引言

高職院校建筑工程專業(yè)的建筑力學課程包含理論力學、材料力學和結構力學三部分的內容，公式較多、知識點廣，初學者學習難度大。為幫助學生加深對課程知識的理解，提升運用力學相關知識對構件和結構進行受力分析的能力，在課程后期增設了腳手架設計內容，要求學生完成一個簡單的扣件式鋼管落地式腳手架設計[1]。通過腳手架設計，讓學生復習鞏固：荷載、彎矩、剪力、撓度、穩(wěn)定性等幾個重要的力學知識點，并且學習到相關的結構設計常識，從而加深對專業(yè)知識的理解。

1 腳手架設計與建筑力學及相關課程的關聯

在腳手架設計中，要求學生查閱相應規(guī)范，運用建筑力學課程中荷載、抗剪、抗彎、穩(wěn)定性、撓度等知識進行計算。而設計中涉及到的大多數知識，在《建筑力學》課程中都各自以章節(jié)呈現，多而且散，學生歸納、運用起來不太容易；還有少數知識點，例如荷載效應組合、取值等，是《建筑結構》課程的內容，再如腳手架的構造及搭設基本規(guī)則，在《建筑施工》中才介紹，這些課程都在《建筑力學》之后開設，但相關知識在腳手架設計中會用到，需要給予補充講解。特別是腳手架安全技術規(guī)范中的多數設計計算內容，既來源于力學知識，又與工程實際相結合，更需要給學生一定的引導。

2 腳手架設計的主要知識點闡述

從腳手架設計計算的內容上講，主要包括：大小橫桿受彎強度計算；扣件抗滑承載力計算、立桿穩(wěn)定性計算；連墻件計算；立桿地基承載力計算[2]。

從腳手架設計應用的知識點看，主要涉及到：平面體系的幾何組成分析、彎矩計算、撓度計算、軸力計算、壓桿穩(wěn)定性計算、截面模量(抵抗矩)、地基承載力計算、恒荷載與活荷載荷載標準值、風荷載標準值計算等。

下文以知識點分類為線索，進行重點探討：

2.1 腳手架構造

圖1 落地扣件式鋼管腳手架基本構造示意圖

熟悉腳手架的基本構成是設計的第一步，結合《建筑施工》課程，補充介紹腳手架的基本構造和搭設要求。如圖1[3]，逐一講解：立桿、縱向水平桿、橫向水平桿、剪刀撐、橫向支撐、掃地桿、連墻件、墊板、底座等構造的基本概念及主要作用；腳手架搭設高度、寬度、立桿步距、立桿橫距、連墻件的布置。讓學生明確各構件的基本作用，例如：剪刀撐可以增強腳手架的穩(wěn)定性和整體剛度；掃地桿連接在立桿下端，能夠約束立桿下端的移動；立桿垂直于地面，承受施工荷載和自重，并將其通過底座和墊板傳給地基。

通過構造知識的補充，讓學生查閱規(guī)范，自行確定出符合要求的腳手架基本構造設置，例如：鋼管采用直徑48.3mm、壁厚3.6mm的焊接鋼管(根據參考文獻[3]，直徑48mm鋼管具有使用性能好的特點[3])，立桿的縱距1.5m，立桿橫距1.1m，立桿步距1.8m，內排腳手架距離結構0.3m等。

2.2 幾何組成分析

腳手架由多根桿件相互連接組成，用于支撐腳手架自重和施工中的荷載。設計出的腳手架必須能保持結構自身的穩(wěn)定狀態(tài)?；仡櫋督ㄖW》中結構力學部分“結構計算簡圖與平面體系的幾何組成分析”章節(jié)，復習幾何不變體系的簡單組成規(guī)則：二元體規(guī)則、兩剛片規(guī)則、三剛片規(guī)則。引導學生運用這些規(guī)則分析設計的腳手架是否穩(wěn)定，判斷設計的腳手架是否為幾何不變體系，有無多余約束。

2.3 鋼管截面的幾何性質

慣性矩、慣性半徑、抗彎截面系數等截面的幾何性質，在《建筑力學》“平面幾何性質”章節(jié)中介紹過，圓環(huán)的慣性矩I=π(D4-d4)/64，抗彎截面系數(截面模量)W=π(D4-d4)/32D，其中D為外徑，d是內徑。腳手架鋼管截面的幾何性質需要在后續(xù)計算過程中用到，可以由公式計算出，或者根據參考文獻[3]，如表1得來。

表1 腳手架鋼管截面的幾何特性

從表中可知，計算中常用的幾何性質：鋼管腳手架的截面面積A=5.06 cm2=506mm2，慣性矩I=12.71cm4=127100mm4，截面模量W=5.26 cm3=5260mm3。

2.4 荷載參數及荷載取值

荷載是腳手架設計的一個關鍵知識點，在以往力學課程中，曾經講述過集中荷載、線荷載、面荷載、體荷載?；仡欉@些知識后，可以直接引導學生查閱規(guī)范和相關資料，確定出設計的基本荷載參數。例如：雙排腳手架自重標準值0.13KN/m，木腳手板自重0.35KN/m2，施工均布活荷載3KN/m2，吊掛的安全網等安全措施荷載0.005KN/m2。

但是，在力學課程中沒有涉及到：風荷載標準值計算、荷載標準值與荷載設計值的關系、荷載組合等問題，需要另外補充《建筑結構》課程中相應的知識點。

第一，按照《建筑結構荷載規(guī)范》公式wk=μz·μs·wo講述風荷載標準值的概念，由式中基本風壓wo，風荷載高度變化系數μz，風荷載體形系數μs確定出風荷載標準值。

第二，解釋標準值與設計值的關系。荷載和材料都有設計值和標準值，由于荷載是隨機變量，實際荷載值有超過荷載標準值的可能，所以在荷載標準值的基礎上乘以一個大于1的調整系數，得到荷載設計值；與荷載設計值不同，對材料而言，由于材料材質的不均勻、施工偏差等原因，會導致材料強度不穩(wěn)定，將材料強度標準值除以一個大于1的系數，得到材料強度設計值。即：荷載標準值<荷載設計值，材料強度標準值>材料強度設計值。

第三，介紹承載力極限狀態(tài)下荷載的基本組合：①由可變荷載效應起控制作用的組合，②由永久荷載效應控制的組合。荷載效應組合的設計值從兩者中取最不利值。

根據參考文獻[3] ，根據荷載的最不利組合取值，荷載組合宜按照表2取值。

表2 荷載效應組合

在腳手架立桿穩(wěn)定計算時，①在不考慮風荷載時，永久荷載+施工均布活荷載，立桿的軸向壓力設計值N=1.2(NG1K+NG2K)+1.4ΣNQK，②在考慮風荷載時，永久荷載+0.9(施工均布活荷載+風荷載)，立桿的軸向壓力設計值N=1.2(NG1K+NG2K)+0.9×1.4ΣNQK。NG1K+NG2K=NGK表示永久荷載標準值，NQK表示可變荷載標準值。組合計算得到的荷載設計值都大于標準值。

與荷載設計值不同，在計算地基承載力設計值fg時，也需要將其承載力標準值fgk乘以相應的系數kc，即：fg=kcfgk。因為立桿基礎(底座、墊板)通常置于地表，地基承載力容易受到外界因素影響而下降，應采用調整系數kc對地基承載力進行折減，以保證腳手架安全，所以，通常情況下kc≤1，計算出的地基承載力設計值會小于其標準值。對回填土地基，應將地基承載力特征值乘以調整系數0.4。

2.5 抗彎強度、撓度的計算

大橫桿(縱向水平桿)和小橫桿(橫向水平桿)都需要計算抗彎強度和撓度，由兩者的位置繪圖，再進行受力分析。根據參考文獻[3]，大橫桿宜按照三跨連續(xù)梁進行計算，小橫桿宜按簡支梁計算。

如果按照本文的圖1“落地扣件式鋼管腳手架基本構造示意圖”，小橫桿在大橫桿的上面。小橫桿按簡支梁計算，如圖2、圖3所示。小橫桿受到的均布荷載q按照小橫桿的自重標準值、腳手板荷載標準值、活荷載標準值計算?？缰凶畲髲澗刂禐镸max=ql2/8，正應力σmax=Mmax/Wz。

圖2 簡支梁受均布荷載示意圖

圖3 簡支梁受均布荷載的彎矩圖

小橫桿下是大橫桿，大橫桿宜按照三跨連續(xù)梁進行計算。受力簡圖如圖4，有集中力和均布荷載。

圖4 大橫桿受力示意圖

三跨連續(xù)梁的手算較復雜，可直接給學生介紹《建筑結構》中的“建筑結構設計靜力計算常用表”，查表進行計算。由參考文獻[4]節(jié)選出表3。

對圖4的荷載情況，由表3中1、4項的內力系數可知，三跨布滿均布荷載時的最大彎矩值是Mqmax=0.08ql2，三跨的每跨跨中有集中荷載時的最大彎矩值是MFmax=0.175Fl，由這兩者組合計算彎矩值Mmax，然后計算出最大正應力σmax=Mmax/Wz，再將與腳手架鋼管的強度值[σ]比較，若σmax≤[σ]則滿足要求。由參考文獻[3]，Q235鋼的抗拉、抗壓和抗彎強度設計值為205N/mm2，取[σ]=205 N/mm2。

表3 等截面三跨連續(xù)梁在常用荷載下的內力系數表

最大撓度值的計算與彎曲強度相似，先計算出撓度v，然后進行比較，如果v≤[v]則符合要求。

2.6 立桿穩(wěn)定性計算

壓桿穩(wěn)定的概念、實用計算在《建筑力學》中已經給學生講解過，穩(wěn)定條件是σ=F/A≤φ[σ]。參考文獻[3]中(5.2.6-1)式和(5.2.6-2)式給出了不考慮風荷載和考慮風荷載下的立桿穩(wěn)定計算方法，即：

不考慮風荷載時，立桿是受壓構件；考慮風荷載時，立桿一方面受豎向荷載，一方面受橫向的風荷載，屬于壓彎構件。在計算時，先查表或計算求得：軸心受壓構件的穩(wěn)定系數φ，長細比λ，計算長度lo，截面回轉半徑i，立桿截面面積A，立桿段由風荷載設計值產生的彎矩MW，鋼材的抗壓強度設計值f等值，再分是否考慮風荷載進行計算，若σ≤f則立桿穩(wěn)定滿足要求。

2.7 其他計算

扣件抗滑力計算、最大搭設高度計算、連墻件計算、立桿地基承載力計算、腳手架配件數估算等計算不復雜，參考相關文獻由學生自學。

3 結語

在腳手架設計中，把建筑力學中截面的幾何性質、彎曲強度、撓度計算、穩(wěn)定性分析、壓桿穩(wěn)定等知識進行歸納，再引入荷載組合、標準值與設計值等幾個結構設計概念，就完成了從單一的力學知識到腳手架設計的整體銜接。通過這一過程，不僅把建筑力學中的大部分知識點匯總起來做了一個很好的復習，還依托腳手架安全技術規(guī)范引導學生把力學知識用于工程實踐，加深學生對理論知識的理解和領悟，在學習中完成質的飛躍。

[1]黃薇.淺談腳手架設計在高職建筑力學教學改革中的運用[J].職業(yè)教育,2016,(23):20.

[2]筑龍網.模板與腳手架工程施工方案范例精選[J].中國電力出版社,2008:32.

[3]JGJ 130-2011.建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規(guī)范[S].

[4]曹長禮.建筑結構[J].西南交通大學出版社，2008.

(編輯 文新梅)

Discussion on the Connection of Design of Scaffold and Knowledge points in the Teaching of Architectural Mechanics in Higher Vocational Colleges

HUANG Wei

(Department of Architectural Engineering, Chongqing Water Resources and Electric Engineering College, Chongqing 402160, China)

Combining with the present situation of the course of architectural mechanics of the construction engineering specialty in higher vocational colleges, in order to improve the students’ ability to apply the knowledge of mechanics, the design of the scaffold is added in the course. According to the relevant knowledge of scaffold, taking design and calculation of scaffold as clues, mainly analyze some mechanics knowledge and design knowledge in the design issues involved, to provide reference for related courses and teaching reform.

higher vocational college; design of scaffold design; architectural mechanics; teaching reform

2017-02-20

重慶水利電力職業(yè)技術學院校級教改項目，項目編號：2015022。

黃薇(1985- )，女。工程碩士，工程師、講師。研究方向：土木工程施工、結構工程、防災減災工程及防護工程。

G712

B

1672-0601(2017)03-0053-05