懸挑小橫桿非常規(guī)腳手架穩(wěn)定性分析

姚明博 馬 駿 錢 毅 周岳林

上海送變電工程有限公司 上海 200235

腳手架是建筑施工中被廣泛運用的多層多跨空間結(jié)構(gòu)體系，承受施工過程中產(chǎn)生的各種荷載。對于腳手架的承載性能，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量試驗與理論分析。易桂香等[1]在鉸接單桿理論的基礎(chǔ)上，針對連墻件豎向間距較大，立桿層數(shù)較多，且未設(shè)廊道斜桿的情況，綜合考慮了連墻件間立桿、多層水平桿和碗扣的整體效應(yīng)，推導(dǎo)出架體穩(wěn)定承載力的解析解?？紤]整體效應(yīng)后，架體的計算承載力與鉸接理論相比有較大提高，更符合真實承載力。張鵬程等[2]為了研究負公差和初彎曲對腳手架構(gòu)件穩(wěn)定承載力的影響，采用我國現(xiàn)行規(guī)范JGJ 130—2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》中的計算方法，計算得到負公差會造成構(gòu)件軸壓承載力下降10.24%～12.59%，負公差和初彎曲共同作用時構(gòu)件承載力下降12.17%～15.28%。近年來，隨著國內(nèi)施工技術(shù)的提升以及對于建筑物結(jié)構(gòu)的特殊需求，腳手架搭設(shè)的要求越來越高。當遇到特殊造型變化的建筑時，由于GB 51210—2016《建筑施工腳手架安全技術(shù)統(tǒng)一標準》對其并沒有具體規(guī)定，現(xiàn)場工程師只能憑經(jīng)驗進行補強或增加支撐，甚至由于腳手架為臨時性結(jié)構(gòu)物，其重要性易被忽略，致使腳手架埋下安全隱患。

本文針對建筑立面凹進不是很深，外腳手架不能正常搭設(shè)的情況，在保證腳手架安全穩(wěn)定的前提下，通過小橫桿懸挑承受一定的施工荷載，以滿足現(xiàn)場施工作業(yè)要求。然而，由于腳手架承受了不同于常規(guī)形式的施工荷載，有必要對腳手架進行整體承載性能分析，計算確定安全懸挑范圍，并進行有針對性的加固，防止腳手架失穩(wěn)破壞，確保人民生命和財產(chǎn)安全。

1 受荷下穩(wěn)定性分析方法

腳手架的荷載傳遞路徑為腳手板—大橫桿—小橫桿—立桿扣件—立桿—基礎(chǔ)。由于小橫桿懸挑并承受施工荷載，除計算大橫桿強度撓度之外，小橫桿本身強度需要滿足要求，同時受荷后的撓度不能超限，根據(jù)荷載傳遞路徑，還需要額外考慮懸挑小橫桿的荷載對內(nèi)立桿穩(wěn)定性和內(nèi)力桿扣件抗滑性能的不利影響。

1.1 懸挑小橫桿抗彎強度計算

大橫桿自重標準值p1按式（1）計算。

最大彎矩考慮為小橫桿自重均布荷載與荷載的計算值最不利分配的彎矩和，考慮懸挑，安全等級為一級，結(jié)構(gòu)重要性因數(shù)γ0=1.1。最大彎矩M按式（5）計算。

則小橫桿的抗彎強度σ根據(jù)材料力學(xué)原理應(yīng)當滿足式（6）要求。

式中：f——鋼管強度；

W——鋼管的截面抗彎矩，由式（7）定義。

式中：D——鋼管外徑；

d——鋼管內(nèi)徑。

1.2 懸挑小橫桿撓度

懸挑小橫桿最大撓度考慮為小橫桿自重均布荷載與最不利分配荷載計算值產(chǎn)生的撓度之和。

均布荷載最大撓度Vq,max由式（8）計算得出。

根據(jù)JGJ 130—2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，最大撓度應(yīng)不大于lx/400。

1.3 扣件抗滑承載力

小橫桿扣件節(jié)點兩側(cè)受力計算原理與1.1節(jié)荷載計算相似，這里只介紹左側(cè)節(jié)點荷載計算方法。

自重標準值F1按式（11）計算。

式中：lb——立桿橫距。

腳手板荷載標準值F2按式（12）計算。

活荷載標準值Q2按式（13）計算。

1.4 內(nèi)立桿穩(wěn)定性

通過受力分析可知，內(nèi)立桿的軸向力大于外立桿的軸向力，且內(nèi)立桿不需要考慮風(fēng)荷載、安全網(wǎng)、欄桿和擋腳板荷載的作用。鋼管立桿受壓強度σ'按式（17）計算。

2 受荷下懸挑長度的安全敏感性分析

以某220 kV變電站腳手架工程為例，鋼管強度為205.0 N/mm2，鋼管強度折減系數(shù)取1.00。雙排腳手架，搭設(shè)高度23.0 m，立桿采用單立管。立桿的縱距1.50 m，立桿的橫距0.80 m。鋼管類型為φ48 mm×2.7 mm，連墻件采用2步3跨，豎向間距3.60 m，水平間距4.50 m。施工活荷載為2.0 kN/m2。腳手板采用竹笆片，荷載為0.10 kN/m2，按照鋪設(shè)12層計算。

懸挑小橫桿上的大橫桿計算、外立桿扣件抗滑力及外立桿穩(wěn)定性計算，與雙排扣件鋼管腳手架計算方法相同，均滿足規(guī)范要求，不再贅述。經(jīng)計算，受荷懸挑小橫桿懸挑長度為500 mm時，小橫桿抗彎強度、扣件豎向作用力、立桿受荷強度值均在規(guī)定的安全限值范圍內(nèi)，撓度值為1.21 mm，接近安全限值1.25 mm。當懸挑長度為450 mm時，各項計算指標均滿足要求。當懸挑長度為550 mm時，撓度值為1.89 mm，大于規(guī)定的限值1.38 mm，不滿足規(guī)范要求。因此，在此計算條件下，安全懸挑長度在500 mm范圍內(nèi)。

此外，懸挑長度增加時，小橫桿撓度和抗彎強度值等均呈現(xiàn)不同程度的增長。圖1顯示了小橫桿抗彎強度與內(nèi)力桿受壓強度隨小橫桿懸挑長度增加的變化規(guī)律，從圖中可以看出，小橫桿抗彎強度增加幅度較大，增長更加顯著。

圖2顯示了扣件豎向作用力隨懸挑長度增加的增長規(guī)律，結(jié)合圖1與圖2可以看出，扣件豎向作用力增長幅度與內(nèi)立桿受壓強度增長幅度相當，為5.5%左右，但扣件豎向作用力未達規(guī)范容許值的富余度更多。

圖1 小橫桿抗彎強度與內(nèi)力桿受壓強度

圖3顯示了小橫桿撓度隨懸挑長度增加的增長規(guī)律，小橫桿撓度隨小橫桿懸挑長度的增加變化顯著，且幅度最大，當懸挑長度為500 mm時，就已經(jīng)接近規(guī)范容許值。

圖3 懸挑小橫桿撓度

綜上所述，小橫桿的撓度受小橫桿懸挑長度的影響最大，為最敏感因素。在后續(xù)的設(shè)計與施工時，根據(jù)此次研究成果采取針對性的措施對薄弱位置進行加固處理，以滿足規(guī)范和現(xiàn)場安全文明施工的要求。

3 技術(shù)經(jīng)濟分析

住建部質(zhì)安司統(tǒng)計資料中2002—2012年備案的建筑施工事故7 065起，死亡人數(shù)8 434人，造成直接經(jīng)濟損失逾百億元[3]，平均每起事故直接經(jīng)濟損失逾百萬元，本文通過嚴格的理論計算以及后續(xù)的加固等措施，避免了因腳手架失穩(wěn)破壞造成的巨大經(jīng)濟損失和人員傷亡，給企業(yè)運營帶來了顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益。

4 結(jié)語

本文通過腳手架的荷載傳遞與結(jié)構(gòu)受力原理，分析了懸挑小橫桿受荷下的腳手架穩(wěn)定性，通過某220 kV變電站工程實例，確定了在一定的搭設(shè)高度、立桿縱橫距等參數(shù)約束下，小橫桿的最大安全懸挑長度為500 mm。同時，研究還發(fā)現(xiàn)，小橫桿懸挑長度增加，小橫桿撓度增幅最大，最早出現(xiàn)超過限值，小橫桿抗彎強度值的增幅次之。因此，在工程實踐中，可以根據(jù)計算分析結(jié)果，對小橫桿懸挑端等薄弱部位進行加固，確保腳手架在施工荷載作用下的安全穩(wěn)固，避免盲目施工給企業(yè)和人民造成的經(jīng)濟損失。