王 向 東

(山西安宇建設(shè)監(jiān)理有限公司,山西 太原 030006)

·施工技術(shù)·

鋼管腳手架設(shè)計(jì)施工的幾個(gè)補(bǔ)充要點(diǎn)

王 向 東

(山西安宇建設(shè)監(jiān)理有限公司,山西 太原 030006)

結(jié)合鋼管腳手架的施工設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，充分理解了規(guī)范中鋼管腳手架的設(shè)計(jì)計(jì)算重點(diǎn)，補(bǔ)充說(shuō)明了規(guī)范中的不足之處，并對(duì)改良鋼管腳手架的設(shè)計(jì)施工過(guò)程進(jìn)行了論述，以達(dá)到安全科學(xué)施工的目的。

腳手架,設(shè)計(jì),施工,要點(diǎn)

腳手架的主要作用有兩個(gè)：安全防護(hù)與施工支撐措施。合格的腳手架可以有效防范高處墜落、物體打擊、支架坍塌等事故。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，因?yàn)槟_手架違規(guī)施工而產(chǎn)生的事故占建筑行業(yè)安全事故的28%。

1 鋼扣式腳手架概述

鋼扣式腳手架主要分兩種：外腳手架和模板支架。其中腳手鋼管是主要受力構(gòu)件，其主要承受軸向力和彎矩。鋼管腳手架以內(nèi)外立桿為豎向受力構(gòu)件。

JGJ 130-2011建筑施工扣件式腳手架安全技術(shù)規(guī)范(以下簡(jiǎn)稱《扣件架規(guī)范》)中，定義步距為h，跨距用lK表示，計(jì)算長(zhǎng)度用l0表示，立桿最上部最下端的扣件結(jié)點(diǎn)以外的部分稱為外伸長(zhǎng)度(通稱自由端)，用a表示。

2 鋼扣式外腳手架與模板支架的區(qū)別

鑒于安全形勢(shì)，國(guó)家建設(shè)部門于2009年出臺(tái)了建質(zhì)[2009]87號(hào)危險(xiǎn)性較大的分部分項(xiàng)工程安全管理辦法，緊接著于2011年發(fā)布修改《扣件架規(guī)范》改為JGJ 130-2011版。

普通外腳手架是用來(lái)支持工人高處作業(yè)的平臺(tái)；滿堂腳手架一般為井字格構(gòu)式(幾何型)，主要用來(lái)支撐上部結(jié)構(gòu)重量，特別是支架整體結(jié)構(gòu)高度不小于8 m，結(jié)構(gòu)體形系數(shù)比H/B>2.0時(shí)(B為支架截面短向尺寸)，必須驗(yàn)算滿堂腳手架的整體穩(wěn)定性，計(jì)算并設(shè)計(jì)斜撐、拋撐、剪刀撐或連墻件來(lái)增加穩(wěn)定性。

鋼管式外腳手架的穩(wěn)定性主要依靠連墻件和附加支撐系統(tǒng)完成，自身屬于非幾何不可變桿系結(jié)構(gòu)。其立桿的計(jì)算長(zhǎng)度l0′按式(1)計(jì)算：

l0′=κ1·κ2·μ′·h

(1)

其中，

μ′=m1·m2·μ1

(2)

其中,κ1為考慮安全保證要求(即按“單一系數(shù)法”復(fù)核時(shí)，穩(wěn)定計(jì)算要達(dá)到安全系數(shù)K≥2的要求，參考英國(guó)標(biāo)準(zhǔn))的立桿計(jì)算長(zhǎng)度附加系數(shù);κ2為考慮搭設(shè)高度影響的立桿計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)；μ′為“非幾何不可變桿系結(jié)構(gòu)”支架立桿的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，可查《建筑施工腳手架實(shí)用手冊(cè)》P461表15-112；μ1為將“非幾何不可變桿系結(jié)構(gòu)”支架視為“有側(cè)移的框架柱”，按其線剛度比值K1，K2確定的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，可查GB 17-88鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的附表4.2得到；m1,m2為考慮扣件式鋼管腳手架的穩(wěn)定約束條件中連墻桿和縱向水平桿作用的調(diào)整系數(shù)，見(jiàn)《建筑施工腳手架實(shí)用手冊(cè)》P456～P460的內(nèi)容。

滿堂腳手架本身按照結(jié)構(gòu)要求增加了聯(lián)系桿和斜撐后，屬于幾何不可變桿系結(jié)構(gòu)。在對(duì)滿堂腳手架整體穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，計(jì)算長(zhǎng)度l0按式(3)計(jì)算：

l0=κ1·κ2·l01=κ1·κ2·(h+2a)

(3)

且:

a≤0.5(μ′-1)h

(4)

其中,l01為不調(diào)整前立桿計(jì)算長(zhǎng)度;κ1,κ2的取值可從《扣件式鋼管模板高支架的設(shè)計(jì)和使用安全》中表1，表2查得。

可見(jiàn)，對(duì)穩(wěn)定性不同要求的這兩種腳手架，因結(jié)構(gòu)組合形式?jīng)Q定不同的桿件計(jì)算長(zhǎng)度l0，從而決定長(zhǎng)細(xì)比λ0作為模板支架的滿堂腳手架應(yīng)該運(yùn)用式(3)，式(4)進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)。

3 腳手架荷載的錯(cuò)誤組合

我國(guó)《扣件架規(guī)范》4.3規(guī)定，腳手架的荷載組合為：永久荷載+施工均布活載。事實(shí)上施工荷載決不是均布的，外腳手架荷載組合施工荷載往往不是均布的而且很容易集中。

因此，對(duì)外腳手架來(lái)說(shuō)施工動(dòng)載=人體重量+工具或設(shè)備重量+暫堆物料重量+沖擊荷載是比較合理的荷載組合。如果不可避免地在外腳手架上附著了施工機(jī)具設(shè)備，施工沖擊荷載和暫堆物料自重應(yīng)該根據(jù)不同的附著設(shè)備及其自重進(jìn)行系數(shù)調(diào)整，可依據(jù)GB 50009-2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范得到P1,P2值，進(jìn)行重點(diǎn)計(jì)算設(shè)計(jì)。

外腳手架柔性布置圖及堆載實(shí)驗(yàn)破壞示意圖見(jiàn)圖1,圖2。

對(duì)滿堂支架來(lái)說(shuō)其計(jì)算荷載必須考慮以上兩種荷載。荷載組合應(yīng)為永久荷載+施工動(dòng)載，其中永久荷載=架子自重+模板自重+上部結(jié)構(gòu)自重，施工動(dòng)載=人員重量+工具或設(shè)備重量+暫堆物料重量+沖擊荷載。但滿堂腳手架的整體安全性和整體穩(wěn)定性必須取相對(duì)高值。滿堂架剛性示意圖見(jiàn)圖3,簡(jiǎn)化受力示意圖見(jiàn)圖4,整體失穩(wěn)示意圖見(jiàn)圖5。

風(fēng)荷載的大小隨建筑物高度變化很大，超過(guò)24 m高的外腳手架必須要核算。不同的封閉形式風(fēng)載變化很大，《扣件架規(guī)范》表4.2.4中的體型系數(shù)φ應(yīng)該按不同圍蔽材料的風(fēng)阻系數(shù)進(jìn)行換算方更合理。

《扣件架規(guī)范》計(jì)算式4.2.3規(guī)定基本風(fēng)壓ω0按GB 50009-2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范采用，但9.0.5條規(guī)定6級(jí)以上風(fēng)力停止作業(yè)，所以取基本風(fēng)壓時(shí)應(yīng)該按最低6級(jí)風(fēng)力折算，確保安全系數(shù)。

風(fēng)荷載是不均勻的，一般來(lái)說(shuō)其頂部自由端的系數(shù)μs大于中間區(qū)段。新《扣件架規(guī)范》中只規(guī)定水平均布風(fēng)荷載，是非常局限的。

4 管材質(zhì)量對(duì)腳手架的影響

現(xiàn)行腳手架用的鋼管有兩種：直徑為D51或D48，新《扣件架規(guī)范》中選標(biāo)準(zhǔn)壁厚δ=3.6 mm。但市場(chǎng)上出現(xiàn)多種壁厚實(shí)際尺寸只有3.2 mm～2.8 mm。實(shí)際施工生產(chǎn)中，按照標(biāo)準(zhǔn)的壁厚計(jì)算，會(huì)給安全使用埋下隱患。本節(jié)以壁厚3.5 mm與3.0 mm的鋼管做對(duì)比說(shuō)明。

首先是桿件斷面慣性矩I值的變化。選擇鋼管D=51時(shí)，δ1=3.5，δ2=3.0兩種情況比對(duì)。假設(shè)鋼管只受軸向壓力，代入環(huán)形截面的慣性矩公式：I=π(D4-d4)/64。

得到:

I1=π(514-434)/64=3.02π×106/64。

I2=π(514-444)/64=2.67π×106/64。

ΔI=I1-I2=0.35π×106/64。

結(jié)論：慣性矩因壁厚變薄減少了：

ΔI/I1×100%=11.6%。

在結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞的臨界狀態(tài)，歐拉臨界荷載公式為：

PE=π2EI/(4h2)。

其中，彈性模量E是定值(如果實(shí)際采購(gòu)的桿件材質(zhì)有變化時(shí)，E值也要隨之調(diào)整)，當(dāng)I值的改變量為-11.6%時(shí)，臨界荷載也相應(yīng)減少了11.6%。

其次是桿件斷面回轉(zhuǎn)半徑i的變化。仍選上述鋼管的參數(shù)，腳手架步距假設(shè)按1.8 m。從管材參數(shù)表查得：

鋼管壁厚t從3.5 mm變薄到3.0 mm時(shí)，截面積A由5.44變

為4.71，回轉(zhuǎn)半徑i值由1.75變?yōu)?.77。

代入公式：λ=l0/I后，λ1=103.9，λ2=101.7。

依λ1，λ2值查附表C，得出φ1=0.558，φ2=0.573。

假定不考慮風(fēng)載，軸向力N定值時(shí)，進(jìn)行簡(jiǎn)單的驗(yàn)算。那么根據(jù)《扣件架規(guī)范》公式5.3.1-1，得到應(yīng)力：

f1=N/(φ1A1)=0.33 N。

f2=N/(φ2A2)=0.27 N。

得到：Δf=0.06 N。

可以看到，當(dāng)鋼管壁厚變薄到3.0 mm時(shí)，應(yīng)力降低了Δf/f1×100%=18%。

從以上驗(yàn)算得出，管壁變化0.4 mm～0.5 mm，其承受的應(yīng)力和穩(wěn)定性變化率在12%以上；材質(zhì)不達(dá)國(guó)標(biāo)時(shí)，彈性模量E變化很大，設(shè)計(jì)計(jì)算鋼管腳手架時(shí)應(yīng)該以實(shí)際采購(gòu)的鋼管材質(zhì)、壁厚為計(jì)算依據(jù)，不能生搬硬套新舊《扣件架規(guī)范》中的數(shù)值。

5 滿堂腳手架自由端長(zhǎng)的重要意義

對(duì)承受結(jié)構(gòu)載荷的滿堂腳手架來(lái)說(shuō)，其自由端a對(duì)腳手架的影響更大。《扣件架規(guī)范》5.6.2規(guī)定模板支架的l0計(jì)算運(yùn)用公式5.6.2-3，l0=h+2a。事實(shí)上，該式僅用于模板支架兩個(gè)自由端的長(zhǎng)度計(jì)算，滿堂架的中間立桿計(jì)算因?yàn)闆](méi)有明確規(guī)定，所以仍然套用《扣件架規(guī)范》5.3.3式，l0=κ·μ·h。

假設(shè)條件為滿堂架h=1.8，立桿橫距1.55，二步三跨連墻，那么:

l0=1.55×1.60×1.8=3.33 m。

代入5.6.2-3得：a=κ·h·(μ-1)/2=0.76 m。

在滿堂架實(shí)際施工中，往往套用《扣件架規(guī)范》，得出a值很大。事實(shí)上架頂自由端值a超長(zhǎng)是目前滿堂腳手架安全事故頻繁的主要原因。JGJ 130-2011版規(guī)定掃地桿高度不大于200 mm，對(duì)上部自由端仍然沒(méi)有規(guī)定?？紤]滿堂架上端建筑結(jié)構(gòu)的不規(guī)則情況，建議在實(shí)際施工中自由長(zhǎng)度不能超過(guò)300 mm，可以作為有效的安全做法推廣。

從圖5的破壞過(guò)程可以看出，整體來(lái)說(shuō)滿堂架也是一個(gè)桿件，滿堂腳手架的整體穩(wěn)定性同樣密切依靠連墻結(jié)構(gòu)和斜向支撐，特別是相對(duì)短向截面。

綜上所述，現(xiàn)行的JGJ 130-2011建筑施工扣件式腳手架安全技術(shù)規(guī)范仍有不少內(nèi)容細(xì)節(jié)不能滿足施工要求，希望本文能對(duì)大家的腳手架施工安全技術(shù)起到一定的指導(dǎo)作用。

[1] JGJ 130-2011，建筑施工扣件式腳手架安全技術(shù)規(guī)范[S].

[2] 杜榮軍.扣件式鋼管模板高支架的設(shè)計(jì)和使用安全[J].施工技術(shù)，2002(3)：75-77.

[3] BS 5975-82，腳手架實(shí)施規(guī)范[S].

[4] 建筑施工腳手架實(shí)用手冊(cè)[Z].

[5] (97)建標(biāo)工字第20號(hào)，編制建筑施工腳手架安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一規(guī)定[S].

[6] GB 50009-2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

Some supplementary key points in steel pipe scaffold design construction

WANG Xiang-dong

(ShanxiAnyuConstructionSupervisionLimitedCompany,Taiyuan030006,China)

Combining with the construction and design practice experience of steel pipe scaffold, this paper fully understood the design and calculation key points of steel pipe scaffold in specification, explained the deficiency in specification, and discussed the improvement steel pipe scaffold design in construction process, achieved the purposes of safety and science construction.

scaffold, design, construction, key point

2014-07-12

王向東(1970- ),男,工程師

1009-6825(2014)27-0107-02

TU731.2

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