高邊坡腳手架平臺穩(wěn)定性驗算及安全監(jiān)測方法

舒媛 馬繼峰 高強

腳手架是建筑施工常見的臨時設(shè)施，是為臨時放置施工工具、建筑材料，配合施工作業(yè)人員高處作業(yè)而搭設(shè)的架體，廣泛應(yīng)用于房建市政、水利水電、道路橋梁等工程領(lǐng)域。腳手架在搭設(shè)、使用及拆除過程面臨較大的安全風(fēng)險，尤其是高邊坡治理工程用的腳手架，一旦出現(xiàn)問題，極可能出現(xiàn)群死群傷的重大安全生產(chǎn)事故。文章主要介紹高邊坡治理工程腳手架的穩(wěn)定性驗算及安全監(jiān)測技術(shù)，并以具體工程為案例進行講解，供類似工程參考。

高邊坡; 腳手架; 穩(wěn)定性驗算; ?安全監(jiān)測

TU731.2B

[定稿日期]2021-08-11

[作者簡介]舒媛（1987～），女，本科，工程師，從事水利水電施工技術(shù)與管理工作;馬繼鋒（1987～），男，本科，工程師，從事水利水電施工技術(shù)與管理工作;高強（1985～），男，本科，高級工程師，從事水利水電施工技術(shù)與管理工作。

高陡邊坡腳手架工程[1]，因為其特有的邊坡地形不規(guī)則、使用時間長、使用期間次生災(zāi)害發(fā)生可能性大、作業(yè)人員多等特點，高陡邊坡腳手架工程面臨的安全風(fēng)險更高。保證腳手架搭設(shè)、使用、拆除期間的施工安全尤為重要和緊迫，意義重大。

腳手架與一般結(jié)構(gòu)相比，其工作條件具有以下特點：①所受荷載變異性較大;②扣件連接節(jié)點屬于半剛性;③腳手架結(jié)構(gòu)、構(gòu)件存在初始缺陷，如桿件的初彎曲、銹蝕，搭設(shè)尺寸誤差、受荷偏心等均較大;④與墻的連接點，對腳手架的約束性變異較大。

1 腳手架穩(wěn)定性驗算研究

1.1 研究思路及對象

單層或多層腳手架的穩(wěn)定性計算可以按一根單柱考慮，立桿與橫梁連接處計算時可假定為鉸接[2-3]。

腳手架穩(wěn)定性驗算通過對搭設(shè)材料性能、荷載組成、搭設(shè)參數(shù)等關(guān)鍵信息分析，建立腳手架計算模型，選取受力最不穩(wěn)定斷面處架體進行受力分析，驗算其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、桿件的軸力和彎矩值、扣件抗滑等是否符合安全使用要求。

1.2 研究方法

腳手架屬于桿系結(jié)構(gòu)，對于桿系結(jié)構(gòu)的彈性理論研究較為成熟，利用有限元分析腳手架安全穩(wěn)定的方法得到大量應(yīng)用，并取得良好效果[4]。當(dāng)前鋼管腳手架主要穩(wěn)定性驗算方法有《結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器》、ANSYS軟件、Midas Civil軟件。

2 安全監(jiān)測方法研究

2.1 監(jiān)測對象

腳手架使用中，監(jiān)測項目有：①桿件的設(shè)置和連接，連墻件、支撐等的構(gòu)造;②扣件螺栓是否松動;③立桿的沉降與垂直度的偏差;④安全防護措施是否到位;⑤是否超載。

2.2 監(jiān)測方法

腳手架安全監(jiān)測方法以無損監(jiān)測為主[5]，扣件螺栓松動依靠人工扭力扳手檢查，安全防護措施通過人工檢查，常見的監(jiān)測方法有：

（1）采用全站儀、經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、卷尺等測量儀器對架體沉降及垂直度進行監(jiān)測，該方法簡單，投入設(shè)備少、設(shè)備來源廣泛，但不能監(jiān)測架體受力情況，且不能實現(xiàn)24 h不間斷實施監(jiān)控和自動報警，人為因素影響大。

（2）利用應(yīng)力傳感器及位移傳感器對結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件進行力及位移的量測，這種測量基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感技術(shù)的結(jié)合，直觀、簡單、監(jiān)測結(jié)果精確、可遠(yuǎn)程監(jiān)控，一旦有異常變化發(fā)生，系統(tǒng)就會自動報警，實現(xiàn)早發(fā)現(xiàn)問題、早應(yīng)對、早預(yù)防。

（3）利用聲發(fā)射傳感器陣列采集腳手架發(fā)生聲發(fā)射事件時的聲發(fā)射信號，并轉(zhuǎn)換電信號輸出給信號采集系統(tǒng)，實現(xiàn)利用較少傳感器對整個腳手架進行無損傷監(jiān)測及預(yù)警，有效解決腳手架損傷監(jiān)測定位不準(zhǔn)的問題。

3 應(yīng)用實例

3.1 工程概況

古瓦水電站位于四川省甘孜藏族自治州鄉(xiāng)城縣境內(nèi)，電站首部樞紐進水口邊坡因自然災(zāi)害發(fā)生大規(guī)模崩塌滑坡破壞，為保證邊坡穩(wěn)定，設(shè)計要求對該邊坡進行預(yù)應(yīng)力錨索支護，腳手架搭設(shè)高度約110 m，搭設(shè)寬度96 m。

3.2 荷載取值

3.2.1 計算荷載

施工荷載主要有腳手架、扣件、方木板、防護網(wǎng)、錨索、鋼筋、鉆機、鉆桿、鉆具自重等各類恒荷載，鉆孔、人員活動等各類活載，以及風(fēng)載（0.2 kN/m2），各類荷載計算前需進行荷載等效，并結(jié)合施工實際，采取適宜的荷載組合。

3.2.2 計算模型

采用Midas Civil建立空間有限元模型，模型均為梁單元，模型中縱向取14跨進行計算，共14 762個節(jié)點，29 406個單元，豎桿底部支撐約束x、y、z三個方向，側(cè)向支撐僅約束x方向（x向為山體指向外側(cè)的方向，y向為平行于山體的水平方向，z向為豎直方向）。

3.2.3 計算結(jié)果分析

3.2.3.1 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

側(cè)向約束按兩步兩跨設(shè)置連墻件，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定系數(shù)3.76，小于4，滿足要求。

3.2.3.2 桿件內(nèi)力計算

（1）桿件軸力。桿件在恒載+活載作用下，桿件的軸力如圖1所示。

（2）桿件彎矩。結(jié)構(gòu)在恒載+活載基本組合作用下，最大彎矩為0.56 kN·m。

（3）立桿穩(wěn)定驗算。在恒載+活載作用下，步距1.4 m時，其安全系數(shù)最小為1.18，立桿長細(xì)比為141，小于210，滿足規(guī)范要求。

（4）水平桿強度驗算。為改善水平桿的受力，采用八字撐加強短桿，按均布荷載施加，計算最大應(yīng)力為151.3 MPa，小于215 MPa，滿足規(guī)范要求。

3.2.3.3 結(jié)構(gòu)位移

（1）結(jié)構(gòu)的整體位移。在恒載+活載作用下，結(jié)構(gòu)位移最大1.55 cm，發(fā)生在頂部。

（2）結(jié)構(gòu)的局部位移。在恒載+活載作用下：邊跨最大位移為0.84 mm，中跨最大位移為0.328 mm，均小于10 mm，且最大撓跨比為1/1 120，小于1/150，滿足規(guī)范要求。

3.2.3.4 支點反力

在恒載+活載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，支架支反力最大21.2 kN（豎直向上），需要的地基承載力為235.6 kPa，施工時保證地基最低承載力大于250 kPa。

3.3 安全監(jiān)測

腳手架施工安全監(jiān)測根據(jù)監(jiān)測對象分為邊坡安全監(jiān)測和架體安全監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測方法分傳統(tǒng)人工監(jiān)測和自動化監(jiān)測（表1）。

本工程邊坡安全監(jiān)測采用全站儀和水準(zhǔn)儀等光學(xué)儀器人工監(jiān)測，主要對邊坡開口線沿線進行水平位移和垂直位移監(jiān)測，架體安全監(jiān)測采用自動、實時、24 h不間斷監(jiān)測系統(tǒng)，通過無線組網(wǎng)，隨時監(jiān)測并傳輸腳手架架體的軸力、傾斜度、位移、溫度等數(shù)據(jù)。

架體安全監(jiān)測在腳手架搭設(shè)最高立桿的上、中、下三個區(qū)域布設(shè)監(jiān)測點，采用應(yīng)力計與雙軸智能傾角傳感器監(jiān)測。自動監(jiān)測系統(tǒng)安裝、調(diào)試完畢后，進入電腦軟件界面，可查詢并打印各個監(jiān)測點任何時段的應(yīng)力應(yīng)變情況（圖2）。

本工程腳手架搭拆及使用全程，各項監(jiān)測數(shù)據(jù)正常，滿足安全使用要求。

3.4 結(jié)論

（1）腳手架的穩(wěn)定性承載能力與架體高度有關(guān)，與寬高比無關(guān)。

（2）連墻件的設(shè)置對高排腳手架的安全穩(wěn)定至關(guān)重要，剪刀撐對架體抗傾覆作用不大，但對提高架體整體穩(wěn)定承載能力作用很大[6]。

（3）采用測量儀器、應(yīng)力及位移傳感器或聲發(fā)射傳感器等監(jiān)測方法，能夠較好實現(xiàn)腳手架安全的準(zhǔn)確監(jiān)測。

4 結(jié)束語

腳手架工程屬于高危工程，腳手架搭拆專項方案正式實施前務(wù)必進行安全穩(wěn)定性驗算，驗算通過后，方可組織施工。在腳手架搭設(shè)、使用及拆除全程，須進行安全監(jiān)測，選用先進的應(yīng)力-應(yīng)變自動監(jiān)測系統(tǒng)，一方面，能夠提升監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，實現(xiàn)24 h自動連續(xù)監(jiān)測、超限報警，另一方面，可以減少人力投入，減輕監(jiān)測作業(yè)強度，降低施工成本，值得類似腳手架工程借鑒參考。

參考文獻

[1] 韓偉偉，丘華生，陳立煌.高陡邊坡支護扣件式腳手架的安全與施工技術(shù)[J].住宅與房地產(chǎn)，2018，26（31）：77-80.

[2] 施秉華.腳手架的傾覆與穩(wěn)定計算[J].施工技術(shù)，1999，30（8）：532-535.

[3] 杜榮軍.腳手架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載能力[J].施工技術(shù)，2001，30（4）：1-5.

[4] 張厚先.用ANSYS分析扣件式鋼管腳手架的承載性狀[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2010，32（1）：166-168.

[5] 應(yīng)志君，徐雙武等.邊坡施工采用超高層鋼管腳手架安全性能研究[J].四川建筑科學(xué)研究，2012，16（4）：092-095.

[6] 蔣洪寧.扣件式鋼管腳手架設(shè)計計算的幾點討論[J].建筑安全，2006，12（2）：102-104.

3580501908261