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》。強調(diào)了拱的質(zhì)量問題，并提出了具體的處理要求。然而，對于技術(shù)人員來說，除了結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量外，工藝技術(shù)問題實際上存在很多缺點和不足。分析如下。(1）對腳手架整體結(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，桿系的整體結(jié)構(gòu)并不明確橫立桿的交叉點是“鉸”，也不明確斜桿必須通過該交叉點，因而無法分析整個結(jié)構(gòu)的幾何不變條件。(2）腳手架結(jié)構(gòu)計算缺乏結(jié)構(gòu)計算簡圖，我國腳手架結(jié)構(gòu)計算手冊乃至規(guī)范都沒有繪制結(jié)構(gòu)計算簡圖。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算長度，因而就失去了正確判斷和計算結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)。(3）腳手架的結(jié)構(gòu)試驗是確定腳手架計算方法的重要驗證手段。通常對所施加荷載的結(jié)構(gòu)體試驗前給予理論上的假設(shè)（也就是繪制出結(jié)構(gòu)計算簡圖），然后將荷載試驗結(jié)果與所作理論假設(shè)結(jié)果對照，分析二者的異同來修正理論計算的謬誤之處，但扣件式腳手架結(jié)構(gòu)試驗就沒有明確的計算簡圖。試驗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，但沒有估計到斜桿設(shè)置方法的影響，因而其結(jié)構(gòu)構(gòu)造是一個模糊的結(jié)構(gòu)概念。最后所得到的試驗結(jié)果也是一個綜合的模糊的結(jié)果，不可能將各個影響因素分離出來。針對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，首先對腳手架整體搭設(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，通過以上各項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行計算。如果想消除其可變性，就需要在節(jié)點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。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,長度較長時采用八字斜撐(圖2);當(dāng)高度較大,長度較短時采用雙側(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）。對于立桿密度較大時的橋梁支架，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，亦可增加側(cè)向支撐點，達到幾何不變的條件。3雙排外腳手架立桿的確定雙排腳手架在x、y兩個方向的結(jié)構(gòu)是不同的，其大面或縱軸方向仍然是一個網(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。這是因為大面外側(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算長度的主要因素（當(dāng)廊道不設(shè)斜桿時），由圖5可看出，立桿的穩(wěn)定計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)計算長度為4m時，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，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)計算簡圖。這一狀況對碗扣架來說比扣件式腳手架更為嚴(yán)重,因為后者在連墻件之間為一通長桿時具有一定剛度,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。4試驗結(jié)果與理論分析的對比碗扣式腳手架在其研發(fā)及推廣過程中作了兩個重要的荷載試驗，一項為井字架試驗，另一項是雙排腳手架的試驗，現(xiàn)將試驗結(jié)果及相應(yīng)的理論分析進行對比。4.1鉸接條件分析所試驗的結(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)向為水平，由一液壓千斤頂加壓（圖7）。根據(jù)節(jié)點鉸接的條件，試驗不同立桿計算長度時的承載力值以及四面有斜桿與兩面有斜桿時之差別。荷載試驗結(jié)果見表1。從表1可看出：(1)1,2,4方案不能保證兩個方向的幾何不變，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，立桿計算長度為1.8m時，其單肢承載力可超過87.75kN，而其設(shè)計單肢承載力為49.02kN，說明鉸接理論計算是足夠安全的。4.2結(jié)構(gòu)試驗簡圖雙排腳手架的試驗完全按照鉸接結(jié)構(gòu)幾何不變條件，每層有一根斜桿試驗的，其結(jié)構(gòu)試驗簡圖如圖8所示。選擇了兩種拉墻件間距：一為1.8m，另一為3.6m。試驗結(jié)果見表2。從以上試驗結(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)改進的條件下，可順利搭設(shè)高達50～100m的高