超高陡邊坡加固用鋼管腳手架的設(shè)計與應(yīng)用

劉寶奎 張治平 夏志雄 楊詩源

鐵科院（深圳）研究設(shè)計院有限公司，廣東深圳518034

扣件式鋼管腳手架因加工簡單、安裝拆卸方便和施工便捷，在建筑、邊坡加固工程中得到廣泛應(yīng)用［1］。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，敞開式滿堂腳手架高度不應(yīng)超過36 m，而超高陡邊坡加固用腳手架的搭設(shè)高度須超過規(guī)范值才能滿足需要。對于高腳手架的設(shè)計，殘余應(yīng)力、初偏心、初彎曲、節(jié)點剛性等因素對計算結(jié)果影響很大［2-5］，荷載也不僅僅是施工人員、模板和架體的重量，還要考慮材料運輸、施工中的荷載［6-7］。

以往對腳手架的研究主要集中于房屋建筑方面［8-10］，對于超高陡邊坡加固用腳手架研究極少。本文針對坡度超過80°的鐵路超高陡邊坡加固中搭設(shè)高度超百米的腳手架，采用分級、分離式工字鋼懸挑結(jié)構(gòu)，并在渝懷（重慶—懷化）鐵路超高陡邊坡上應(yīng)用，驗證其效果。

1 超高陡邊坡加固用腳手架的設(shè)計

1.1 設(shè)計難題

①腳手架整體高度超過規(guī)范值，計算方法沒有經(jīng)驗可參考；②邊坡高度超過百米，坡度超過80°，腳手架的立桿基礎(chǔ)須單獨考慮；③高陡邊坡不可避免出現(xiàn)危巖，腳手架須適用于危巖段；④架子高且非房屋建筑上封閉式腳手架，其兩端是敞開的，整體性差，受風(fēng)荷載影響大；⑤架體的載重大，設(shè)計時須考慮各種荷載，并采取必要措施減小荷載；⑥須考慮現(xiàn)場施工的可行性和腳手架的穩(wěn)定性。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

腳手架的設(shè)計既要滿足施工需要又要具有可操作性，既要整體安全穩(wěn)定又要施工便捷。充分考慮腳手架設(shè)計難題和應(yīng)具備的功能，采用分級、分離式懸挑結(jié)構(gòu)。腳手架主要由懸挑平臺和架體組成。懸挑平臺采用工字鋼制作，架體采用鋼管搭接，如圖1所示。分級高度21 m，上下兩級之間完全分離。腳手架立桿的橫向間距1.0 m，縱向間距1.5 m，步距1.5 m。

圖1 腳手架斷面（單位：mm）

1）懸挑平臺的設(shè)計

綜合考慮各種因素，最終選用2根12#工字鋼制作懸挑平臺，一根水平，另一根傾斜，傾斜角度盡可能大些，受鉆機施工影響很難超過30°。實際上因為角度太大，不僅施工難度大，而且斜向工字鋼太長整體穩(wěn)定性差。工字鋼的錨固段、嵌固段鉆孔注純水泥漿?，F(xiàn)有小型鉆機的鉆孔直徑很難超過180 mm。懸挑水平工字鋼采用8#槽鋼（開口朝上）通長布置滿焊連接，槽鋼間距和腳手架立桿縱向間距一致，確保腳手架立桿能坐落在工字鋼和槽鋼的交叉部位，并立在槽鋼內(nèi)部。這樣既能滿足架體穩(wěn)定性需要，又能限制腳手架立桿的移動空間。

2）立桿排數(shù)的選擇

正常情況下需要3排立桿，坡度較大或近直立時需要4排，主要是滿足腳手架的功能需要，同時考慮經(jīng)濟性。

3）坡面腳手架立桿基礎(chǔ)的設(shè)計

陡立坡面腳手架立桿的基礎(chǔ)采用斜向鋼錨管制作而成，通過設(shè)置雙立桿和大橫桿的方式進行連接；斜向鋼錨管與大橫桿連接，2根立桿分立于斜向鋼錨管的兩側(cè)。

4）連墻件的設(shè)計

連墻件通過斜向鉆孔，插入鋼管并注純水泥漿的方式形成，其與小橫桿采用扣件連接。

5）安全儲備的設(shè)計

φ16斜拉鋼絲繩一端設(shè)置在鉆孔中，另一端設(shè)置在懸挑平臺的端部，起到限制懸挑平臺端部變形，進而增加懸挑結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的作用。其僅作為安全儲備，計算時不予考慮。

對于超高陡邊坡加固用腳手架，風(fēng)荷載是必須考慮的因素。為盡可能降低風(fēng)荷載的影響，設(shè)計時腳手架最外側(cè)未按規(guī)范要求布置密目安全網(wǎng)，而是采用安全立網(wǎng)。

1.3 直立段、危巖段腳手架的設(shè)計

對于直立段邊坡，若腳手架仍采用3排立桿無法滿足其功能需要。對于不能清除的危巖，必須在其上部加固施工時，腳手架的懸挑平臺不能直接設(shè)置在危巖上。對直立段、危巖段腳手架應(yīng)特殊設(shè)計，具體如圖2所示。

圖2 特殊地段腳手架設(shè)計（單位：mm）

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

采用MIDAS軟件建立計算模型（圖3），對腳手架的安全性進行驗算。腳手架長45 m，高21 m，立桿步距1.5 m，橫向間距1.0 m，縱向間距分為1.25、1.50 m兩種。立桿底部按鉸接處理?？v桿端部按自由約束處理。對于小橫桿端部的約束處理如下：①連接連墻件的小橫桿的桿端按鉸接約束處理；②未連接連墻件的小橫桿的桿端按自由約束處理；③所有立桿和橫桿節(jié)點處均設(shè)置縱桿，除端部節(jié)點外，內(nèi)部節(jié)點按剛接處理。

圖3 懸挑腳手架計算模型

2.2 荷載傳遞路徑、類型及取值

1）荷載傳遞路徑

荷載傳遞路徑為腳手板→縱向水平桿（大橫桿）→橫向水平桿（小橫桿）→立桿→工字鋼。

2）荷載類型和取值

①永久荷載

一般情況下應(yīng)選擇鋼管外徑48.3 mm，壁厚3.5 mm的鋼管，考慮到實際使用中鋼管的外徑和壁厚均不能得到保證，設(shè)計計算時鋼管外徑取48 mm，壁厚取3 mm，重量取39.7 N/m。永久荷載以線荷載形式施加。桿件、直角扣件和對接扣件總重49.98 N/m，欄桿和擋腳板總重171 N/m，安全網(wǎng)重20 N/m。

②施工荷載

每級腳手架的作業(yè)層只允許1層，禁止多層作業(yè)。按照JGJ 130—2011每個作業(yè)層施工荷載取3 kN/m2。

③風(fēng)荷載

腳手架的外側(cè)掛安全立網(wǎng)。按照JGJ 130—2011計算風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值wk，計算公式為

式中：uz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)；w0為基本風(fēng)壓，kN/m2。

2.3 工況設(shè)置

根據(jù)坡度和腳手架立桿縱向間距的不同，分為4種工況，分別建立模型進行計算和分析。

工況1：坡面坡度83°，縱向間距1.25 m；

工況2：坡面坡度83°，縱向間距1.50 m；

工況3：坡面直立，縱向間距1.25 m；

工況4：坡面直立，縱向間距1.50 m。

2.4 荷載效應(yīng)組合

按JGJ 130—2011第4.3.1條考慮荷載效應(yīng)組合。

組合1：永久荷載+施工荷載；

組合2：永久荷載+0.9×（施工荷載+風(fēng)荷載）；

組合3：1.2×永久荷載+1.4×施工荷載；

組合4：1.2×永久荷載+0.9×1.4×（施工荷載+風(fēng)荷載）。

2.5 計算結(jié)果

腳手架受力的數(shù)值計算結(jié)果見表1。可見，各工況不同荷載效應(yīng)組合下，除了連墻件的承載力，其他各項參數(shù)均在容許值以內(nèi)，其安全性滿足規(guī)范要求。連墻件的承載力須通過現(xiàn)場試驗確定其具體錨固長度，以確保其承載力滿足設(shè)計要求。

表1 腳手架受力的數(shù)值計算結(jié)果

3 現(xiàn)場試驗

3.1 試驗平臺及監(jiān)測點布置

試驗平臺長18 m，高15 m。懸挑工字鋼間距1.5 m；腳手架立桿縱向間距1.5 m，橫向間距1.0 m，步距按1.2、1.8 m間隔布置。監(jiān)測斷面和位移監(jiān)測點布置見圖4。位移監(jiān)測點分為縱向、水平和豎向三種。本文以水平工字鋼豎向監(jiān)測點PS-1—PS-4、斜向工字鋼豎向監(jiān)測點XS-1為例分析監(jiān)測結(jié)果。平臺搭設(shè)及測試儀器安裝見圖5。

圖4 監(jiān)測斷面和位移監(jiān)測點布置（單位：cm）

圖5 平臺搭設(shè)及測試儀器安裝

3.2 監(jiān)測結(jié)果

采用成捆的鋼管施加豎向均布荷載。斷面2工字鋼的豎向位移隨荷載變化曲線見圖6。

圖6 斷面2工字鋼的豎向位移隨荷載變化曲線

由圖6可見：①腳手架工字鋼的豎向位移隨施加荷載的增大而增大。②水平工字鋼的豎向位移明顯大于斜向工字鋼。③水平工字鋼兩端的豎向位移（PS-1、PS-4）小于中間部位（PS-2、PS-3），說明中間部位受荷載作用更明顯。④荷載為155 kN時最大豎向位移為7.36 mm。此時腳手架未發(fā)生破壞，結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

邊坡位于渝懷鐵路武隆段一山體上部，加固長度約210 m，高度65～130 m，邊坡坡度83°，部分地段近直立，見圖7。邊坡巖性為三疊系嘉陵江組（T1j）灰?guī)r，弱風(fēng)化，深灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀，含少量燧石團塊，間夾薄層生物碎屑，巖質(zhì)堅硬。

圖7 邊坡原貌（單位：m）

4.2 邊坡加固方案和懸挑腳手架設(shè)計

邊坡采用雙錨固錨索框架和預(yù)應(yīng)力錨桿框架加固，具體方案見圖8。

圖8 邊坡加固方案（單位：m）

針對邊坡加固需要對腳手架進行了設(shè)計，具體見圖9。懸挑平臺采用2根12#工字鋼現(xiàn)場焊接而成，其錨固段、嵌固段鉆孔直徑均為180 mm，采用純水泥漿澆注。腳手架沿邊坡高度分層布置，同一層的腳手架通長布置，形成整體結(jié)構(gòu)。腳手架每層高21 m，層高超過21 m時，再設(shè)置1層。腳手架寬：直立段不小于3.5 m，陡坡段不小于2.5 m。立桿的歩距1.5 m，縱向間距1.5 m，橫向間距1.0 m。坡面立桿采用雙立桿，主桿通長布置，副桿長6 m。連墻件采用二步二跨。腳手架的外側(cè)立面采用剪刀撐防護。防護網(wǎng)采用安全立網(wǎng)。施工現(xiàn)場見圖10。

圖9 邊坡中腳手架的布置（單位：m）

圖10 腳手架施工現(xiàn)場

4.3 邊坡加固效果

分級、分離式懸挑腳手架能滿足超高陡邊坡加固需要?，F(xiàn)場施工過程中腳手架承受住了施工荷載和風(fēng)荷載的檢驗，結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

5 結(jié)論和建議

1）采用分級、分離式懸挑腳手架設(shè)計，突破了邊坡加固工程高度和坡度的限制。雖然分級又分離，但在同一層上懸挑平臺通過槽鋼連接成一個整體。若有條件可將懸挑架手架的斜向工字鋼也連接在一起，增加腳手架的整體穩(wěn)定性。

2）搭設(shè)高度21 m，立桿步距1.5 m、縱向間距1.5 m、橫向間距1.0 m時，在滿足安全儲備的前提下腳手架結(jié)構(gòu)體系的受力已接近極限承載力。為提高承載力，須采取增設(shè)雙立桿、斜拉鋼絲繩、剪刀撐等措施。

3）本設(shè)計中斜拉鋼絲繩僅作為安全儲備，因為在21 m高度范圍內(nèi)施工難免出現(xiàn)臨時雙層荷載或荷載超限的情況，同時架體搭設(shè)太高，一旦出現(xiàn)險情后果嚴重。此外，懸挑平臺的水平度要求非常高，斜拉鋼絲繩可增加懸挑平臺的水平度，從而增加腳手架的整體穩(wěn)定性。

4）腳手架立桿的下端坐落在8#槽鋼內(nèi)，便于應(yīng)力調(diào)整，避免固定端出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

5）腳手架的外掛網(wǎng)采用安全立網(wǎng)而不是密目安全網(wǎng)，顯著降低了風(fēng)荷載的影響。

6）設(shè)計前，懸挑平臺錨固、嵌固深度和連墻件的錨固長度須進行現(xiàn)場試驗，獲取承載力等相關(guān)參數(shù)。若不能及時試驗，正式施工前須進行相關(guān)試驗驗證設(shè)計的可行性。

7）當(dāng)腳手架發(fā)生一定的傾斜或變形時其可靠度會顯著降低。若出現(xiàn)該情況，應(yīng)對腳手架結(jié)構(gòu)及時予以調(diào)整，滿足規(guī)范要求后方可繼續(xù)使用。