淺談高型腳手架的幾何不變條件

淺談高型腳手架的幾何不變條件

近年來，非鋼框架的安全使用一直是一個(gè)受關(guān)注的問題。2003年，在國務(wù)院的領(lǐng)導(dǎo)下，建設(shè)部、國家質(zhì)量監(jiān)督和監(jiān)督管理總局聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于建筑工具和貨物扣件特殊處理的通知》。強(qiáng)調(diào)了拱的質(zhì)量問題，并提出了具體的處理要求。然而，對(duì)于技術(shù)人員來說，除了結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量外，工藝技術(shù)問題實(shí)際上存在很多缺點(diǎn)和不足。分析如下。(1）對(duì)腳手架整體結(jié)構(gòu)的構(gòu)成缺乏深入具體的分析，仍然以杉篙腳手架的籠統(tǒng)構(gòu)成方法（如十字蓋斜桿結(jié)構(gòu)）來保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。此時(shí)，桿系的整體結(jié)構(gòu)并不明確橫立桿的交叉點(diǎn)是“鉸”，也不明確斜桿必須通過該交叉點(diǎn)，因而無法分析整個(gè)結(jié)構(gòu)的幾何不變條件。(2）腳手架結(jié)構(gòu)計(jì)算缺乏結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖，我國腳手架結(jié)構(gòu)計(jì)算手冊(cè)乃至規(guī)范都沒有繪制結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖。這樣就不能科學(xué)分析結(jié)構(gòu)是否是幾何不變的，更不能正確確定立桿的計(jì)算長度，因而就失去了正確判斷和計(jì)算結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)。(3）腳手架的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)是確定腳手架計(jì)算方法的重要驗(yàn)證手段。通常對(duì)所施加荷載的結(jié)構(gòu)體試驗(yàn)前給予理論上的假設(shè)（也就是繪制出結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖），然后將荷載試驗(yàn)結(jié)果與所作理論假設(shè)結(jié)果對(duì)照，分析二者的異同來修正理論計(jì)算的謬誤之處，但扣件式腳手架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)就沒有明確的計(jì)算簡圖。試驗(yàn)只知道影響腳手架承載力的因素主要是立桿縱橫向間距、水平桿步距、拉墻件等，但沒有估計(jì)到斜桿設(shè)置方法的影響，因而其結(jié)構(gòu)構(gòu)造是一個(gè)模糊的結(jié)構(gòu)概念。最后所得到的試驗(yàn)結(jié)果也是一個(gè)綜合的模糊的結(jié)果，不可能將各個(gè)影響因素分離出來。針對(duì)以上腳手架安全使用上的不足因素，在制定碗扣架安全使用規(guī)則時(shí)，首先對(duì)腳手架整體搭設(shè)的規(guī)則給予嚴(yán)格的規(guī)定。將整體結(jié)構(gòu)的幾何不變性放到首位，強(qiáng)調(diào)橫立桿組成的網(wǎng)格式結(jié)構(gòu)中斜桿配置的重要性，對(duì)碗扣架斜桿除原有的專用斜桿（兩端帶旋轉(zhuǎn)插頭）之外，再加一種與上下橫桿銷接的十字撐構(gòu)件。對(duì)于在碗扣架結(jié)構(gòu)體系中較為薄弱的無拉墻件立桿問題，采用了在拉墻件標(biāo)高處增加水平斜桿的措施，使水平橫桿與之構(gòu)成水平桁架，保證了無連墻件立桿的支撐點(diǎn)，通過以上各項(xiàng)措施可保證架體的幾何不變性。1斜桿的增加碗扣架以主要構(gòu)件橫、立桿構(gòu)成十字交叉的網(wǎng)格形結(jié)構(gòu)，如果視橫桿與立桿交叉處為“鉸”，則整個(gè)網(wǎng)格形成平行四邊形體系。平行四邊形構(gòu)成的桿系結(jié)構(gòu)是一種可變結(jié)構(gòu)，這種可變結(jié)構(gòu)體系既不可能承受荷載又不能進(jìn)行計(jì)算。如果想消除其可變性，就需要在節(jié)點(diǎn)間增加斜桿使平行四邊形變?yōu)槿切误w系。由此可見斜桿在腳手架中的重要性。對(duì)網(wǎng)格式結(jié)構(gòu)的幾何分析可以得到幾何不變性的基本條件（圖1）:(1)每層(步)有一根斜桿；(2）每層有一側(cè)向支撐點(diǎn)。若該桿系的斜桿或側(cè)向支桿多于一根，則該體系將成為超靜定結(jié)構(gòu)。碗扣架構(gòu)成的架體基本上可分為兩種情況：一種是雙排外腳手架，其架體由兩排立桿靠近建筑物搭設(shè)，其側(cè)向必須依靠連墻件與建筑物拉接，形成x、y兩個(gè)軸向結(jié)構(gòu)不同的形式；而另一種以模板支撐架為代表的沿x、y兩個(gè)方向都形成沿軸線的網(wǎng)格式結(jié)構(gòu)。此二種結(jié)構(gòu)形式中前者較為復(fù)雜，其原因是雙排外腳手架極度依賴連墻件來維持側(cè)向穩(wěn)定，而連墻件的設(shè)置不能按設(shè)計(jì)者的主觀意志來確定。其次是雙排立桿間的廊道是施工人員的操作平臺(tái)和通道，因而設(shè)置斜桿受到限制，因而兩種架體的解決方法并不相同。2雙側(cè)統(tǒng)一分角設(shè)置(1)模板支撐架的斜桿通常采用覫48×3.5鋼管與旋轉(zhuǎn)扣件制作。當(dāng)高度不大,長度較長時(shí)采用八字斜撐(圖2);當(dāng)高度較大,長度較短時(shí)采用雙側(cè)八字撐或多層八字撐(圖3)來解決。擺脫傳統(tǒng)的十字蓋斜撐,目的是消除斜桿在交叉處的重疊,保證每一個(gè)斜桿扣件與橫、立桿連接牢固。此外,此種設(shè)置保證了每層有兩根斜桿，使幾何不變性更為穩(wěn)固。(2）兩端通高十字撐設(shè)置（圖4）。對(duì)于立桿密度較大時(shí)的橋梁支架，為便于操作可采用兩端通高十字撐的辦法。(3）當(dāng)橫桿端部有建筑結(jié)構(gòu)墻或柱可支撐時(shí)，亦可增加側(cè)向支撐點(diǎn)，達(dá)到幾何不變的條件。3雙排外腳手架立桿的確定雙排腳手架在x、y兩個(gè)方向的結(jié)構(gòu)是不同的，其大面或縱軸方向仍然是一個(gè)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)（圖5），但其橫斷面方向則由雙立桿與拉墻件組成。在縱軸方向可按模板支撐架設(shè)置八字撐，滿足幾何不變條件；亦可采用兩端設(shè)通高斜桿來解決。這是因?yàn)榇竺嫱鈧?cè)碗扣有插頭位置，可插入專用斜桿之故。在橫截面（y軸）方向情況較為復(fù)雜，其影響因素有：拉墻件既是保證架體側(cè)向不致傾覆的主要構(gòu)件，而且拉墻件也是立桿在y方向立桿軸心受壓計(jì)算長度的主要因素（當(dāng)廊道不設(shè)斜桿時(shí)），由圖5可看出，立桿的穩(wěn)定計(jì)算長度恰恰就是拉墻件之間的垂直距離。拉墻件之間的橫桿只能視為內(nèi)外立桿之間的連系桿，而不能視為整體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)桿。根據(jù)覫48×3.5鋼管截面特征值可知，當(dāng)計(jì)算長度為4m時(shí)，其長細(xì)比λ=253，超過了軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)表的最大值250，因而成為不可計(jì)算的。由此也可做為廊道不設(shè)斜桿的限值。也就是說，當(dāng)連墻件豎向間距超過4m時(shí)，廊道必須設(shè)置斜桿。除上述問題外,雙排外腳手架還有一個(gè)無連墻件立桿問題。由于連墻件的設(shè)置在水平方向是間隔設(shè)置的(圖6),因而在兩相鄰連墻件之間的立桿成為無連墻件立桿,也就是圖5中的剖面只代表有連墻件的結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖。這一狀況對(duì)碗扣架來說比扣件式腳手架更為嚴(yán)重,因?yàn)楹笳咴谶B墻件之間為一通長桿時(shí)具有一定剛度,可以某種程度給無連墻件立桿起到支撐作用,但是碗扣架的橫桿是分段的，不能起到這種作用。解決這一問題的可靠辦法是在小橫桿間增加“水平斜桿”，使內(nèi)外橫桿與之構(gòu)成桁架，形成中間立桿的支撐點(diǎn)。4試驗(yàn)結(jié)果與理論分析的對(duì)比碗扣式腳手架在其研發(fā)及推廣過程中作了兩個(gè)重要的荷載試驗(yàn)，一項(xiàng)為井字架試驗(yàn)，另一項(xiàng)是雙排腳手架的試驗(yàn)，現(xiàn)將試驗(yàn)結(jié)果及相應(yīng)的理論分析進(jìn)行對(duì)比。4.1鉸接條件分析所試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)是以4根立桿搭設(shè)成井架。上端為一加載框架將荷載均勻加在4根立桿上，加載框架中心為一加載鋼絲繩。鋼絲繩通過滑輪轉(zhuǎn)向?yàn)樗剑梢灰簤呵Ы镯敿訅海▓D7）。根據(jù)節(jié)點(diǎn)鉸接的條件，試驗(yàn)不同立桿計(jì)算長度時(shí)的承載力值以及四面有斜桿與兩面有斜桿時(shí)之差別。荷載試驗(yàn)結(jié)果見表1。從表1可看出：(1)1,2,4方案不能保證兩個(gè)方向的幾何不變，因而其極限承載力都低于保證幾何不變條件的四側(cè)斜桿方案；(2)3,5方案可保證幾何不變條件，但3方案的斜桿連接未能到位，因而大大低于第5方案，由此也可知斜桿在結(jié)構(gòu)中的重要性；(3）由第5方案可知，立桿計(jì)算長度為1.8m時(shí)，其單肢承載力可超過87.75kN，而其設(shè)計(jì)單肢承載力為49.02kN，說明鉸接理論計(jì)算是足夠安全的。4.2結(jié)構(gòu)試驗(yàn)簡圖雙排腳手架的試驗(yàn)完全按照鉸接結(jié)構(gòu)幾何不變條件，每層有一根斜桿試驗(yàn)的，其結(jié)構(gòu)試驗(yàn)簡圖如圖8所示。選擇了兩種拉墻件間距：一為1.8m，另一為3.6m。試驗(yàn)結(jié)果見表2。從以上試驗(yàn)結(jié)果看，理論值使用也是偏于安全的。5碗扣架的改良劑對(duì)腳手架的影響(1）碗扣架在增加了十字撐、水平斜桿等配件后，是完全可以保證腳手架整體的幾何不變性的。(2）原來以做模板支撐架為主的碗扣架，在適當(dāng)改進(jìn)的條件下，可順利搭設(shè)高達(dá)50～100m的高