脚手架的抗倾覆验算与稳定性计算.pdf

-脚手架的抗倾覆验算与稳定性计算脚手架的抗倾覆验算与稳定性计算摘要当模板支架、施工用操作架等脚手架不设连墙杆时，必须首先对脚手架进展抗倾覆验算，然后才是强度、刚度和稳定性计算。而现行的国家标准中没有倾覆验算和稳定性验算内容。根据国家有关标准导出了脚手架倾覆验算公式， 并有 2 个算例辅以说明。最后指出脚手架高宽比与脚手架的倾覆有关，与脚手架稳定性承载能力无关。关键词脚手架;倾覆;稳定性;验算构造设计中， “倾覆与“稳定这两个含义是不一样的，设计时都应考虑。建筑构造可靠度设计统一标准gb50068-2001 第 3.0.2条第一款规定承载能力极限状态包括“: 整个构造或构造的一局部作为刚体失去平衡(如倾覆等)。构造或构造构件丧失稳定(如压屈等)。可见它们同属于承载能力极限状态，但应分别考虑。建筑构造设计术语和符号标准gb/t 50083-97， 对 “倾覆和 “稳定分别作出了定义，并称“倾覆验算和“稳定计算。 建筑地基根底设计标准gb50007-2002，关于地基稳定性计算就是防止地基整体(刚体)滑动的计算。 砌体构造设计标准gb50003-2001 对悬挑梁及雨篷的倾覆验算都有专门规定。施工现场的起重机械在起吊重物时也要做倾覆验算。对于脚手架，由于浮搁在地基上，更应该做倾覆验算。建筑施工扣件式钢管脚手架平安技术标准jgj130-2001 及建筑施工门式钢管脚手架平安技术标准jgj128-2000 中都没有倾覆验算.z.-的内容，这是因为这两本标准规定的脚手架都设置了“连墙杆，倾覆力矩由墙体抵抗，因此就免去了倾覆验算。如果不设连墙杆，则脚手架的倾覆验算在这两本标准中就成为不可缺少的内容了。所以，对于模板支架、施工用的操作架等无连墙杆的脚手架，首先应保证脚手架不倾覆而进展倾覆验算，然后才是强度、刚度和稳定性计算。如果需要，还可进展正常使用极限状态计算。1 脚手架的倾覆验算1.1 通用的验算公式推导无连墙杆的脚手架，作为一个刚体应按如下表达式进展倾覆验算:1式中:g1、cg1、g1 k 分别为起有利作用的永久荷载的分项系数、效应系数、荷载标准值;g2、cg2、g2 k 分别为起不利作用的永久荷载的荷载分项系数、效应系数、荷载标准值;cq1、q1 k 分别为第一个可变荷载的荷载效应系数、荷载标准值;cqi、qik 分别为第i 个可变荷载的荷载效应系数、荷载标准值;ci 为第 i 个可变荷载的组合值系数。当风荷载与一个以上的其它可变荷载组合时采用0.9;当风荷载仅与永久荷载组合时采用 1.0。对于平、立面无突出凹凸不平的脚手架，以下简称为规整脚手架，其倾覆验算应按如下表达式进展:2式中:0.9 为起有利作用的永久荷载的荷载分顶系数;cw、wk为风荷载的效应系数、风荷载的标准值。对于规整脚手架，其上作用的永久荷载、可变荷载是抗倾覆的，.z.-它们不应参与倾覆验算。此时应按如下表达式进展倾覆验算:3以上式(1)适用于外形复杂的脚手架，式(2)适用于有施工活荷载的规整脚手架，式(3)适用于无外荷载的规整脚手架。在倾覆验算时，为保证平安，需引入抗倾覆平安系数k，一般取k=1.2，即抗倾覆力矩为倾覆力矩的 1.2 倍以上。1.2 规整脚手架倾覆验算公式的进一步推导设搭设的规整脚手架，长度 l(m)、宽度 b(m)及高度 h(m)，其上只有脚手架自重和风荷载作用。其倾覆沿受风面大的脚手架的外沿线， 倾覆力矩 mov 由风荷载产生:mov=1.4wklh2/2， 沿单位长度上的倾覆力矩 mov=1.4wkh2/2。抗倾覆力矩 mr 由脚手架自重产生:mr=0.9gklhb/2， 沿单位长度上的抗倾覆力矩 mr=0.9gkhb/2。引入抗倾覆系数 k，倾覆力矩与抗倾覆力矩之间的关系应满足下式要求:1.4kwkh2/20.9gkhb/2将其整理后可得到:4取 k=1.2 代入式(4)，得:5式中:gk 为脚手架按受风面面积平均分布的自重标准值(kn/m2);wk 为风荷载标准值，wk=zs w0。风压高度变化系数z 按现行国家标准建筑构造荷载标准gb50009-2001 规定采用，风荷载体型系数s 可参考 jgj130-2001 采用，根本风压 w0(kn/m2)按gb50009-2001 规定采用，也可按风力计算确定。由式(4)、(5)可知，保证脚手架不倾覆，其高度与宽度之比值应.z.-受到限制，比值与脚手架自重大小成正比，与风荷载成反比。1.3 计算实例 1设规整脚手架的立杆间距为1.0m1.0m， 步距1.2m， 长度l=20m，宽度 b=4m，高度 h=19.2m 的敞开式满堂扣件式钢管脚手架。现应用式(5)对该脚手架作倾覆验算。1)无纵、横竖向剪刀撑时脚手架自重标准值:立杆 521=105 根， 设每根长 20m， 共 2100m;纵向水平杆 85 根，横向水平杆 357 根，共 3128m;直角扣件共 3570个。 脚手架自重 gk=247.879kn， gk=247.879/(2019.2)=0.6455 kn/m2。根本风压取九级风。平均风速产生的 w0=0.32kn/m2，z=1.25(b 类粗糙度地面，高 20m)，s=1.3=0.1625，风荷载标准值wk=0.065kn/m2，以上数值代入式(5)得:h/b0.53570.6455/0.065=5.32， 而本脚手架的高度与宽度之比为 19.2/4=4.85.32， 说明九级风时本脚手架不会发生倾覆倒塌。2)设纵、横竖向剪刀撑时纵向外侧面设竖向剪刀撑，与水平横杆夹角 50.2，共 80 根。横向每 4 跨设竖向剪刀撑，与水平横杆夹角50.2，共48 根。剪刀撑合计长度 800m。转角扣件共 640 个。脚手架自重增加 37.184kn，gk=0.645 5+37.184/20/19.2=0.742 3kn/m2，h/b=6.12。高宽比增加了15%，说明脚手架的剪刀撑对抗倾覆作用不大，但对提高稳定承载能力作用很大。1.4 计算实例 2.z.-设规整脚手架的立杆间距为1.2m1.2m， 步距1.2m， 长度l=24m，宽度 b=4.8m，高度 h=19.2m 的敞开式满堂扣件式钢管脚手架。现应用式(5)对该脚手架作倾覆验算。1)无纵、横竖向剪刀撑时脚手架自重标准值:立杆 521=105 根， 设每根长 24m 共 2520m，纵向水平杆 85 根， 横向水平杆 357 根， 共 3753.6m， 直角扣件共 3570个。脚手架自重 gk=288.030kn，gk=288.030/20/19.2=0.625kn/m2。根本风压取九级风，平均风速产生的 w0=0.32kn/m2，z=1.25(b 类粗糙度地面，高 20m)，s=1.3=0.149 5，风荷载标准值 wk=0.0598kn/m2，以上数值代入式(5)得:h/b0.535 70.625/0.059 8=5.60，而本脚手架的高度与宽度之比为 19.2/4.8=4.05.60，仍说明九级风时本脚手架不会发生倾覆倒塌。2)设纵、横竖向剪刀撑时纵、横向设竖向剪刀撑同例1，根数也一样，但每根剪刀撑长度由 6.25m 变为 6.788m。剪刀撑合计长度 868.89m。转角扣件共 640个。脚手架自重增加 42.709kn，gk=0.682 7kn/m2，h/b=6.12。高宽比增加了 16%，仍说明脚手架的剪刀撑对抗倾覆作用不大，但对提高脚手架的稳定承载能力作用肯定很大。如果采用10 年一遇根本风压 w0=0.4kn/m2， 则上面例 1 的 h/b=4.26， 4.90;例 2 的 h/b=4.22，4.90，都小于5.0。在此必须注意，作用在脚手架上的永久荷载或施工活荷载起抗倾覆作用，所以不参与倾覆验算。.z.-总之，用式(4)、(5)对规整脚手架作倾覆验算是比拟容易的，用脚手架的高宽比值表达抗倾覆是可行的。复杂的脚手架用公式(1)作倾覆验算也不难。2 脚手架的稳定性计算脚手架属于杆系构造，对于杆系构造的弹性稳定理论比拟成熟，并解决了许多实际问题。常用的刚架、排架、桁架等复杂的平面和空间构造的稳定性已有现成的手册可供查用。但脚手架由于施工因素的强烈干扰，使脚手架的立杆与水平横杆的连接性能不确定，导致不能应用前人的成果。但是，计算公式和图表不能直接套用，不等于稳定理论也过时。很多学者从实际工程和稳定理论出发，依据实践经历，应用强化构造构造措施和简单稳定验算方法，临时应付满足工程应用，不解决长远问题。当前唯一的解决途径是做必要的稳定试验， 根据试验结果总结出理论上说得过去、 好用的计算公式。以下笔者只是想对脚手架稳定性分析计算谈点粗浅的认识，用以区分脚手架的稳定性计算与倾覆验算。有些标准在脚手架设计条文中引入了脚手架的高宽比，有一个标准规定模板支架的短向高宽比不宜大于5，大于 5 的应增设稳定措施。这个“5不知从何而来但与上面例题计算结果比拟接近。但仍大于 10 年一遇风荷载算得的 h/b=4.22，显得不平安。另一个标准规定的高宽比最大值没有超过 2.5， 而且高宽比大小与脚手架立杆计算长度系数拉上关系，但又看不清楚是什么关系，似乎是高宽比大，计算长度系数也大，即稳定承载能力小。.z.-为此，笔者查阅了有关文献。对于排架构造，例如单根悬臂柱的计算长度系数为 2， 二根一样的悬臂柱用一根横梁铰接连成排架，排架柱计算长度系数仍为 2，且与横梁跨度大小无关。但用刚接连成刚架，刚架柱计算长度系数1+ibh/(6icl)，式中ib、ic 分别为横梁、柱的截面惯性矩，l、h 分别为横梁跨度、柱高度。说明此时柱的计算长度系数与梁跨度有关，与高跨比(h/l)有关，更准确地说与梁柱线刚度之比有关。有的学者总结为:单层或多层排架柱的稳定性计算可以用一根单柱，单层或多层刚架柱的稳定性计算需要梁柱一起考虑。对于当前常用脚手架，立杆与横梁连接处于铰接与刚接之间，考虑施工等因素的影响，假定为铰接为好，所以用一根立杆的稳定性计算来代表整个脚手架的稳定性计算， 已有的标准也是这样规定的。 由此可见，排架的稳定性承载能力与排架高度有关，但与高宽比无关。脚手架已假定为排架，其稳定性承载能力也应与高度有关，而与高宽比无关，兹于刚接因素的影响可用一系数来补偿就可以了。因此，建议脚手架立杆计算长度系数规定与脚手架高宽比要求分别写。3 结语当前常用脚手架的高宽比与脚手架倾覆有关，与稳定性承载能力无关。建议在编制有关标准时应分开表达。.z.