碗扣式鋼管腳手架安全穩(wěn)定分析與評價

1、 分類號：U44；U45 10710-2009121100 碩 士 學 位 論 文碗扣式鋼管腳手架安全穩(wěn)定分析與評價嚴娜導師姓名職稱申請學位級別論文提交日期學位授予單位劉來君教授碩士學科專業(yè)名稱橋梁與隧道工程2012年 4月 25 日論文答辯日期2012年 5月 27日長安大學 Analysis and Evaluation of Safety and Stabilityof the Cuplok Steel Tubular ScaffoldingA Dissertation Submitted for the Degree of Master Candidate：Yan NaSupervis

2、or：Prof.Liu LaijunChangan University, Xian, China 摘要碗扣式鋼管模板支撐體系由于通用性強、承載力高、使用成本相對較低等原因在橋梁建設中得到廣泛應用，但是隨著模板支架的增高及各方面的原因，目前國內外因此而導致模板系統(tǒng)坍塌工程事故也屢見不鮮，給工程各方帶來不可預見的經濟損失。如何提高碗扣式鋼管支撐架的安全穩(wěn)定性，是建筑行業(yè)的一個新課題。本文以前人對碗扣式鋼管模板支撐體系的研究為基礎，依托西安市東北二環(huán)（二期）立交建設工程，采用有限元分析軟件MIDAS FEA及MIDAS CIVIL對碗扣節(jié)點及碗扣式鋼管支撐架整體模型的受力性能進行了模擬，對碗扣式鋼

3、管支撐架的安全穩(wěn)定性能進行研究，分析了各種影響其安全穩(wěn)定性的因素；并在此模擬的基礎上對模板支撐體系的承載能力進行系統(tǒng)地分析，將有限元分析與理論分析進行比較，分析碗扣式支架的整體穩(wěn)定性能；最后提出了碗扣式鋼管腳手架施工安全驗收及評價標準。研究過程中得出了一些有益的結論，主要包括:1.本文通過收集資料，首先論述了鋼管支撐體系的國內外研究現狀，指出了目前碗扣式鋼管腳手架理論研究的不足，得出碗扣式鋼管支架安全穩(wěn)定性研究的必要性；2.碗扣式鋼管支架節(jié)點的半剛性連接特性較為正確地反映其真實的受力狀況，通過碗扣節(jié)點的實體模型建立分析,得到了碗扣式鋼管支架節(jié)點半剛性連接的分析模型；3.在分析碗扣式支撐架安全穩(wěn)

4、定性的問題上，從構造設計、施工質量、材料質量、施工荷載、施工管理五個方面進行詳細分析，得出重要結論；4.依托西安市東北二環(huán)立交建設工程項目對地基的沉降、支架變形、支架受力進行實時監(jiān)測，將監(jiān)測數據與理論數據進行比較，評估支架的整體穩(wěn)定性能；5.通過分析，對影響碗扣式支撐架體系承載力的五大因素即構造設計、施工質量、材料質量、施工荷載、施工管理進行定性分析，從宏觀上確定各因素對碗扣式支撐架體系承載力的影響程度，然后運用層次分析法和模糊評判法對各因素的影響進行分析，求出各因素的影響權重，再對它們進行綜合評價,并用實例證實分析的合理性。關鍵詞：碗扣式鋼管腳手架，半剛性節(jié)點，安全穩(wěn)定，安全評價標準i Ab

5、stractDue to universality, high bearing capacity and lower use cost,cuplok steel tubularformwork supporting system is used widely in bridge construction.With the higher formworkscaffolding and the every reasons,that cause collapsed engineering accident of templatesystem at home and abroad,it brings

6、the unforeseeable economic losses in the parties to theproject.it is a new topic in the construction industry that how to improve the safety andstability of cuplok steel tubular formwork supporting system.This paper bases on the study ofcuplok steel tubular formwork supporting system,rely on the ove

7、rpass construction project onthe northeast of xian, simulate the stress performance of the cuplok node and whole model ofcuplok supporting system with the finite element analysis software Midas FEA and MidasCIVIL,systematically analysis the bearing capacity of cuplok supporting system model on thiss

8、imulation,and compare and research finite element analysis and the theoretical analysis;thenresearch the Safety stable performance of cuplok steel tubular formwork supportingsystem,analyze the various factors influencing security stability of the support;finally putforward Construction safety accept

9、ance and evaluation standard of cuplok steel tubularscaffolding.Obtain some useful conclusions in the course of the study ,mainly including:1.Through the collection of data,firstly this paper discusses research situation at homeand abroad of the steel tube support system,points out the limitations o

10、f theoretical researchon cuplok steel tubular scaffolding,obtains the necessity of studing minimum safety stabilityon cuplok steel tubular scaffolding;2.The Semi-rigid connection properties on cuplok formwork supporting system moreaccurately reflects the true state of stress,through model and analys

11、is the entity model oncuplok node,obtaine the analysis model of cuplok formwork supporting system node withSemi-rigid connection;3.On the analysis of the safety stability on cuplok supporting system,we can analysisparticularly and get some main conclusions from five aspects,that is structure design,

12、construction quality,material quality,construction load,field management;4.According to the overpass construction project on the northeast of xian,monitor thesettlement of foundation,supports deformation, supports stress,compare the monitoring datai and the theoretical data,evaluate overall stabilit

13、y of trestle;5.Through the analysis,qualitative analysis five factors influencing bearing capacity ofcuplok formwork supporting system,that structure design,construction quality, material quality,construction load,field management, on macroscopic determine each factors influence degreeto bearing cap

14、acity of cuplok formwork supporting system,then analyze the effect of variousfactors with the analytic hierarchy process and fuzzy evaluation method, confirm therationality of the analysis by the examples.Key Words：cuplok steel tubular scaffolding,semi-rigid node, security and stability, safetyevalu

15、ation standard.ii 目錄第一章緒論 .11.1鋼管腳手架的發(fā)展. 11.2現存的主要問題 . 11.2.1支架倒塌事故工程實例 . 11.2.2支架倒塌事故發(fā)生的主要原因. 21.3課題研究的意義 . 31.4國內外研究現狀 . 41.4.1國內研究現狀. 41.4.2國外研究現狀及港臺地區(qū)研究現狀. 71.5本課題的主要研究內容. 81.6本章小結. 8第二章碗扣式鋼管腳手架的受力性能分析 .92.1碗扣式鋼管腳手架構件的受力特點. 92.1.1碗扣式鋼管腳手架的基本構造. 92.1.2碗扣式鋼管腳手架的特點. 92.2鋼管腳手架計算理論 . 102.2.1鉸接計算理論. 1

16、02.2.2有側移多層鋼架計算理論. 102.2.3節(jié)點半剛性計算理論. 102.3碗扣節(jié)點性能分析. 112.3.1碗扣節(jié)點的特點. 112.3.2碗扣節(jié)點的模擬. 112.4本章小結. 17第三章碗扣式鋼管腳手架的安全穩(wěn)定因素研究 .183.1支架構造及設計計算 . 183.1.1立桿步距. 183.1.2立桿間距. 193.1.3剪刀撐的設置. 203.1.4掃地桿的設置. 233.1.5立桿伸出頂層水平桿的長度 . 24i 3.1.6搭設高度 . 253.1.7設計計算 . 263.2與施工因素有關 . 273.2.1桿件的搭設. 273.2.2地基處理 . 283.2.3碗扣節(jié)點的規(guī)

17、范性 . 283.2.4搭設是否按設計方案. 283.3材料質量. 293.3.1材料加工是否合格 . 293.3.2材料缺陷 . 303.4施工荷載的變化 . 303.4.1輸送混凝土泵管的水平沖力. 313.4.2澆筑混凝土振搗器的水平振動力. 313.4.3風荷載. 313.5現場管理. 333.5.1安全管理機構的建立. 333.5.2管理職責的確定. 343.5.3模板工程施工管理程序 . 353.5.4模板工程施工安全檢查標準. 353.6本章小結. 35第四章碗扣式鋼管腳手架的整體穩(wěn)定性分析.374.1支撐體系的穩(wěn)定分析方法. 374.2碗扣式鋼管腳手架的整體穩(wěn)定性分析 . 38

18、4.2.1依托工程簡介 . 384.2.2碗扣式鋼管腳手架的監(jiān)測內容. 404.2.3碗扣式鋼管腳手架仿真模型建立. 434.2.4碗扣式鋼管腳手架計算結果分析. 444.3有限元計算結果與監(jiān)測實測值的比較分析 . 484.3.1碗扣式腳手架變形監(jiān)測結果分析. 484.3.2碗扣式腳手架變形結果比較分析. 544.3.3碗扣式腳手架應力監(jiān)測結果分析. 56ii 4.3.4碗扣式腳手架應力結果比較分析 . 594.4本章小結. 61第五章碗扣式鋼管腳手架施工安全驗收及評價標準 .625.1模糊理論. 625.2安全驗收及評價體系 . 625.2.1模板支架工程施工安全驗收及評價標準. 625.2

19、.2模板支架工程施工安全狀態(tài)綜合評價 . 675.3實例分析. 775.4本章小結. 80第六章結論及展望 .816.1結論 . 816.2展望 . 81參考文獻 .83致謝 .88iii 長安大學碩士學位論文第一章緒論1.1 鋼管腳手架的發(fā)展近年來，由于交通功能和橋梁美學的需要，城市立交橋規(guī)模大小不同，造型亦各具特色。因此，除混凝土預制梁外，現澆鋼筋混凝土結構和混凝土鋼聯(lián)合梁結構日益增多。而在混凝土結構工程施工中，模板工程是關乎工程質量和安全的非常關鍵和重要的一道工序。模板工程通常由兩大部分組成：模板及支撐體系。施工中對支架也提出了更多更高的要求。支架的優(yōu)點主要表現在以下幾個方面1：1.支架

20、的承載能力高2.支架高度變化適應性強3.支架組裝的速度快、占地小4.支架功能多腳手架是土木工程施工中必不可少的臨時設施，廣泛應用于各類基本建設項目中。腳手架既要滿足施工需要，且又要為保證工程質量和提高工效創(chuàng)造條件，同時還應為組織快速施工提供工作面，確保施工人員的人身安全。腳手架要有足夠的牢固性和穩(wěn)定性，保證在施工期間對所規(guī)定的荷載或在氣候條件的影響下不變形、不搖晃、不傾斜，能確保作業(yè)人員的人身安全；要有足夠的面積滿足堆料、運輸、操作和行走的要求；構造要簡單，搭設、拆除和搬運要方便，使用要安全2。1.2 現存的主要問題1.2.1支架倒塌事故工程實例34590年代以來，美國、日本和我國一些地區(qū)多次

21、發(fā)生腳手架、模板倒塌等重大工程事故，造成了慘痛的傷亡和財產的巨大損失，社會影響極為惡劣。例如：實例1：1992年2月14日，日本金澤的一座體育館在澆搗三層樓樓板的梁和板時，腳手架倒塌，造成7個工人死亡和13個其他人員受傷；實例2：1995年11月廣東翁源縣南門坪大橋模板支架失穩(wěn)倒塌，造成5人死亡，6人受傷的重大事故；實例3：1996年12月廣東韶關坪乳公路白橋坑特大型橋施工中，支架發(fā)生過大彎曲變形，最終失穩(wěn)倒塌，造成32人死亡，59人受傷的重大事故；1 第一章緒論實例4：1998年4月云南省永善縣35米跨度石拱橋工程，由于拱模支撐失穩(wěn)模板倒塌，造成10人死亡，22人重傷，14人輕傷的重大事故；

22、實例 5：1998年 9月青海省橋頭電廠某冷卻塔施工中，模板支撐失穩(wěn)全部倒塌，造成4人死亡，10人重傷，38人輕傷的重大事故；實例6：2000年10月南京電視臺新演播大廳36m高支模架在澆筑混凝土過程中架體突然坍塌(坍塌時間僅延續(xù)4s),造成6人死亡、重傷11人、輕傷24人的重大安全事故；實例7：2002年浙江省杭州、寧波等市連續(xù)發(fā)生3起模板支撐架倒塌,造成19人死亡、44人受傷的重大惡性事故；實例8：2003年廈門“八九”模板支撐架倒塌,造成7人死亡、38人受傷重大傷亡事故；實例9：2003年4月10日，距剛修好不久的“黃河第一龍門吊”幾十米處一座約30米高的輔助支架轟然倒塌，倒塌面積近百平

23、方米。人員傷亡情況不詳；實例10：2005年北京西西工程模板支撐系統(tǒng)坍塌造成8人死亡、21人受傷的重大安全事故等。1.2.2支架倒塌事故發(fā)生的主要原因678模板支撐體系之所以成為建筑施工中的安全隱患，主要是由于其自身存在的特殊性，例如支撐架和腳手架鋼管的材料不合格或超期使用，缺乏相關的質量和標準管理制約，因此模板支撐體系倒塌事故發(fā)生的幾率比房屋結構要高。下面本文就支模架的特殊性對事故發(fā)生的原因進行分析說明：1.架體搭設的隨意性首先，支撐架多為施工單位單憑工程經驗進行簡單設計或不設計，并且其結構形式，桿件參數等常需要根據實際施工情況進行調整，變化較大；其次，支撐架的搭設受到諸多外界因素的影響，由

24、此而引起的一系列支撐架構造參數的變化，最終導致模板支撐架實際施工搭設情況與設計圖紙不符。2.計算方法的滯后性2001年國家頒布了與之相關的安全技術規(guī)范建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規(guī)范9（JGJ130-2001）(以下簡稱“規(guī)范”)，但是模板支撐架的介紹只是處于邊沿地位，計算簡單，而一些關鍵性的規(guī)定還是照搬國外規(guī)范，由于國內與國外2 長安大學碩士學位論文支模架構造的差異性和復雜性，這種做法是不安全的。3.節(jié)點連接的差異性扣件的剛度范圍變化較大，施工過程中難以確定扣件的半剛性程度，以致節(jié)點的差異性直接影響支撐架的受力情況。4.材料問題根據建筑施工安全檢查評分標準(JGJ59-99)10的規(guī)定,

25、應禁止使用竹腳手架，原因是國家規(guī)程規(guī)定作為腳手架的竹材質，必須為 4年生長期和竹竿梢直徑不小于7.5cm的竹材。而目前各地搭設竹腳手架的材質遠遠達不到這一要求，直接影響了腳手架的承載能力。5.荷載取值的變異性11首先，支撐架的荷載除了結構的恒載之外，其施工荷載隨時間的變化而變化；其次，結構荷載的簡化模型也存在差異性。6.地基處理不當12從歷年來橋梁施工工程事故統(tǒng)計,大約有40%支撐倒塌是由于地基沉降、滑坡、坍塌等地基處理不當引起的。由于某處支撐的局部沉降傾斜,外荷載向該處集中致使該處承載力不足或穩(wěn)定性差而引起整個結構的倒塌。7.管理問題12施工現場管理混亂,操作人員隨意性大,未嚴格按設計要求安

26、裝和拆除支撐或者安裝質量不合格。1.3 課題研究的意義隨著我國建筑行業(yè)的高速發(fā)展，模板支撐架體系的應用越來越頻繁和普遍，其中，碗扣式模板支架在高架橋梁和一系列高層建筑施工中得到了廣泛應用。但是，碗扣式模板支架的使用和計算基本是參照規(guī)范建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術規(guī)范，然而模板支架本身的工程事故時常發(fā)生，給國家和人民帶來了極大的損失，究其原因，是由于設計計算錯誤、構配件質量問題、施工質量問題或者管理上的疏忽等方面造成，隨著事故的頻繁發(fā)生，部分專家和學者開始質疑和拷問相關規(guī)范和理論。河北建設集團有限公司和中天建設集團有限公司編制了建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術規(guī)范（JGJ166-2008）1

27、3，在專家質詢會上，相關專家對碗扣式模板支3 第一章緒論架的節(jié)點性能以及其模板支撐架的承載能力提出疑問，需要對碗扣式模板支架和其節(jié)點性能試驗，從而獲得相關的試驗數據為規(guī)范的制定提供依據。由河北建設集團和中天建設集團牽頭，在天津大學結構實驗室進行了碗扣式鋼管模板支架承載力試驗，得到了寶貴的試驗數據和結果，為規(guī)范的修訂和計算理論的檢驗提供了試驗依據。本課題依托西安市東二環(huán)北二環(huán)立交橋建設工程，重點對支架檢測、監(jiān)測和控制系統(tǒng)研究，同時探討地基變形、支架構造因素、荷載效應組合對支架穩(wěn)定性的影響，并對碗扣節(jié)點的受力、支架局部穩(wěn)定性等問題進行研究。為支架的設計、施工提供可靠的理論依據，特別是使所取得的成果

28、應用于工程實際，以解決工程所需。1.4 國內外研究現狀141.4.1國內研究現狀在模板支架方面的研究，國內學者主要是從架體試驗、理論計算、程序開發(fā)和可靠度等幾個方面展開的。1.試驗方面1)哈爾濱建筑工程學院的黃寶魁教授 15和試驗研究。等對雙排扣件式鋼管腳手架進行了理論分析中采用數理統(tǒng)計的方法分析了由試驗得到的2)青島建筑工程學院袁欣平在文獻 1617結果，主要是針對縱向水平桿架設水平度偏差值和立桿架設垂直度偏差值的合理限值問題提出了合理的數值。3)吉林建筑工程學院尹德生在文獻1819中介紹了當采用直角扣件時，采用如何的方法能夠準確的測量節(jié)點處的轉動剛度，并且提供了理論依據，從而創(chuàng)造了對整個鋼

29、管支架系統(tǒng)建立切合實際的力學模型以及在不知道彎曲主軸的情況下鋼管截面彎矩和軸力測定的電測方法。4)華北礦業(yè)高等專科學校張曼莉等在文獻20中，對于扣件式鋼管腳手架在工作狀態(tài)下的應力以及立柱處的軸向的拉壓力采用電測法進行了實測，并且對其最大承載力進行了理論分析。5)東南大學土木工程學院李維濱副教授等在文獻 21中采用足尺試驗對于不同形式不同支撐方案的單扣件支撐架和雙扣件支撐架等七種方案進行了試驗和研究，通過試驗的結果分析，得到了以下有關支撐架的有益結論。4 長安大學碩士學位論文6)鹽城工學院的劉桐等22、東南大學土木工程學院李維濱副教授等23提出:在設計模板支架的過程中，橫向水平鋼管的撓度尤為重要

30、，需要單獨驗算，因為當橫向水平鋼管的間距較大時，架體可能會由于鋼管的撓度過大而產生較大的變形；在施工過程中建議對工程現場進行實地考察，考慮鋼管的負公差，采用合理的小于實際壁厚的鋼管截面進行設計和驗算；采用數理統(tǒng)計的方法分析了支撐架體的試驗數據，修正了單跨鋼管作為橫向水平鋼q ck管的撓度驗算公式 f = a 384 EI(8lb - 4c lb + c3 2 3)。2.理論計算方面1)北京住宅開發(fā)建設集團公司的余宗明總工對碗扣型腳手架的承載力進行了試驗研究。對于架體交接處，采用完全鉸接的假定，計算了架體的整體穩(wěn)定承載力，并且通過試驗的數據，與理論分析進行對比，驗證其可行性24。2)北京中建建筑

31、科學技術研究院高級工程師杜榮軍指出：在現場使用的鋼管腳手架，由于荷載形式、結構類型及工程實際情況的不同，只要是采用鋼管立桿、橫桿和斜桿通過直角扣件或是旋轉扣件連接而成的模板支架，都必須嚴格按照編制建筑施工腳手架安全技術標準的統(tǒng)一規(guī)定（建標1993062號，以下簡稱統(tǒng)一規(guī)定）的設計方法進行設計，并嚴格按照設計搭設架體，絕對不能套用其他鋼結構的計算方法，應一律采用以概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計法25。另外,杜榮軍高工還研究了扣件式鋼管模板高支撐架（支撐高度4m）的設計計算方法，他指出：現行的規(guī)范建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規(guī)范(JGJ130-2001)中關于模板支架的計算還存在一些問題，并且提

32、出了兩種關于支架的計算方法，其本質是兩類支架合理的計算長度系數問題，其理論基礎仍然是立桿單桿穩(wěn)定計算法26。3)哈爾濱工業(yè)大學劉宗仁教授在文獻27中指出：采用鋼管立桿、橫桿和斜桿通過直角扣件或是旋轉扣件連接而成的扣件式鋼管腳手架，其橫桿和立桿交接處，即不是完全的剛性，也不是完全的鉸接，而是處于中間狀態(tài)的“半剛性”節(jié)點；而且，扣件的螺栓擰緊程度對于整個架體的整體穩(wěn)定承載力也會產生很大的影響。4)劉家彬、郭正興在文獻28中介紹了南京市電視臺新演播大廳高支撐架體的倒塌，分析了架體倒塌的原因，總結了教訓，并闡述了扣件式鋼管腳手架設計的主要注意事項和關鍵點。5 第一章緒論5)同濟大學的敖鴻斐29就扣件式

33、鋼管腳手架扣件的轉動剛度做了試驗，最終得到了一個關于角位移與彎矩的簡化模型關系式如式 M = Kq所示，其中k為腳手架扣件連接的轉動剛度。6)同濟大學的岳峰30通過試驗研究和理論分析，也提出了針對腳手架扣件連接的彎矩與初始剛度的二參數模型，如式 M = n ln(1+ Rkiq )所示，式中:R為初始連接剛度；kinn為曲線擬和形狀參數。7)浙江大學結構工程研究所魯征31等對直角扣件進行了抗扭試驗，該試驗分別考慮了扣件螺栓擰緊力矩為20、30、40、50、60（Nm)五種情況，每一扣件別考慮這五種情況為一組試驗，共進行 10組，每組試驗后更換扣件。采用數理統(tǒng)計的方法，選擇對數模型對不同擰緊力矩下直角扣件M關系進行擬合:M = n ln(1+ Rkiq ),式中：n形狀參數；R初始剛度，單位為kNm/rad，其中，kin對應不同的扣件螺栓擰緊力矩所得到的形狀系數和初始剛度如表1.1所示：表1.1T(NM)不同扣件螺栓擰緊力矩下的形狀系數和初始剛度2030405060n1.166016.540.895131.650.744746.850.687754.070.669271.27Rki (kNm/rad)3.程序開發(fā)和可靠度方面l)哈爾濱工業(yè)大學劉宗仁教授等在文獻32中介紹了其自行開發(fā)的軟件SCAFFV3.0，這是一種專門用