腳手架的抗傾覆驗算與穩(wěn)定性計算

腳手架的抗傾覆驗算與穩(wěn)定性計算［摘要］當(dāng)模板支架、施工用操作架等腳手架不設(shè)連墻桿時，必須首先對腳手架進行抗傾覆驗算，然后才是強度、剛度和穩(wěn)定性計算。而現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)中沒有傾覆驗算和穩(wěn)定性驗算內(nèi)容。根據(jù)國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)出了腳手架傾覆驗算公式，并有2個算例輔以說明。最后指出腳手架高寬比與腳手架的傾覆有關(guān)，與腳手架穩(wěn)定性承載能力無關(guān)。［關(guān)鍵詞］腳手架;傾覆;穩(wěn)定性;驗算結(jié)構(gòu)設(shè)計中，“傾覆”與“穩(wěn)定”這兩個含義是不相同的，設(shè)計時都應(yīng)考慮?！督ㄖY(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》gb50068-2001第3.0.2條第一款規(guī)定承載能力極限狀態(tài)包括:“①整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡（如傾覆等）……。④結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定（如壓屈等）”?？梢娝鼈兺瑢儆诔休d能力極限狀態(tài)，但應(yīng)分別考慮?！督ㄖY(jié)構(gòu)設(shè)計術(shù)語和符號標(biāo)準(zhǔn)》gb/t50083-97，對“傾覆”和“穩(wěn)定”分別作出了定義，并稱“傾覆驗算”和“穩(wěn)定計算”。《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》gb50007-2002，關(guān)于地基穩(wěn)定性計算就是防止地基整體（剛體）滑動的計算?！镀鲶w結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》gb50003-2001對懸挑梁及雨篷的傾覆驗算都有專門規(guī)定。施工現(xiàn)場的起重機械在起吊重物時也要做傾覆驗算。對于腳手架，由于浮擱在地基上，更應(yīng)該做傾覆驗算?！督ㄖ┕た奂戒摴苣_手架安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》jgj130-2001及《建筑施工門式鋼管腳手架安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》jgj128-2000中都沒有傾覆驗算的內(nèi)容，這是因為這兩本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的腳手架都設(shè)置了“連墻桿”，傾覆力矩由墻體抵抗，因此就免去了傾覆驗算。如果不設(shè)連墻桿，則腳手架的傾覆驗算在這兩本標(biāo)準(zhǔn)中就成為不可缺少的內(nèi)容了。所以，對于模板支架、施工用的操作架等無連墻桿的腳手架，首先應(yīng)保證腳手架不傾覆而進行傾覆驗算，然后才是強度、剛度和穩(wěn)定性計算。如果需要，還可進行正常使用極限狀態(tài)計算。1腳手架的傾覆驗算1.1通用的驗算公式推導(dǎo)無連墻桿的腳手架，作為一個剛體應(yīng)按如下表達式進行傾覆驗算：〔1〕式中：Yg1、cg1、glk分別為起有利作用的永久荷載的分項系數(shù)、效應(yīng)系數(shù)、荷載標(biāo)準(zhǔn)值；Yg2、cg2、g2k分別為起不利作用的永久荷載的荷載分項系數(shù)、效應(yīng)系數(shù)、荷載標(biāo)準(zhǔn)值；cq1、q1k分別為第一個可變荷載的荷載效應(yīng)系數(shù)、荷載標(biāo)準(zhǔn)值；cqi、qik分別為第i個可變荷載的荷載效應(yīng)系數(shù)、荷載標(biāo)準(zhǔn)值；WW0.9gkhb/2將其整理后可得到：〔4〕取k=1.2代入式(4)，得：〔5〕式中:gk為腳手架按受風(fēng)面面積平均分布的自重標(biāo)準(zhǔn)值(kn/m2);wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，wk=uzusw0。風(fēng)壓高度變化系數(shù)mz按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載標(biāo)準(zhǔn)》gb50009-2001規(guī)定采用，風(fēng)荷載體型系數(shù)uX1.0m，步距1.2m，長度l=20m，寬度b=4m，高度h=19.2m的敞開式滿堂扣件式鋼管腳手架?，F(xiàn)應(yīng)用式(5)對該腳手架作傾覆驗算。1）無縱、橫豎向剪刀撐時腳手架自重標(biāo)準(zhǔn)值:立桿5X21=105根，設(shè)每根長20m,共2100m;縱向水平桿85根，橫向水平桿357根，共3128m;直角扣件共3570個。腳手架自重gk=247.879kn,gk=247.879/（20X19.2）=0.6455kn/m2?；撅L(fēng)壓取九級風(fēng)。平均風(fēng)速產(chǎn)生的w0=0.32kn/m2,uz=1.25（b類粗糙度地面，高20m）,me=0.1625,風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值wk=0.065kn/m2,以上數(shù)值代入式（5）得:h/bWX°°X1.2m，步距1.2m，長度l=24m，寬度b=4.8m，高度h=19.2m的敞開式滿堂扣件式鋼管腳手架。現(xiàn)應(yīng)用式（5）對該腳手架作傾覆驗算。1）無縱、橫豎向剪刀撐時腳手架自重標(biāo)準(zhǔn)值:立桿5X21=105根，設(shè)每根長24m共2520m,縱向水平桿85根，橫向水平桿357根，共3753.6m，直角扣件共3570個。腳手架自重gk=288.030kn,gk=288.030/20/19.2=0.625kn/m2。基本風(fēng)壓取九級風(fēng)，平均風(fēng)速產(chǎn)生的w0=0.32kn/m2,uz=1.25（b類粗糙度地面，高20m）,u^=0.1495,風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值wk=0.0598kn/m2，以上數(shù)值代入式（5）得:h/bW0.5357X0.625/0.0598=5.60,而本腳手架的高度與寬度之比為19.2/4.8=4.0<5.60,仍說明九級風(fēng)時本腳手架不會發(fā)生傾覆倒塌。2）設(shè)縱、橫豎向剪刀撐時縱、橫向設(shè)豎向剪刀撐同例1,根數(shù)也相同，但每根剪刀撐長度由6.25m變?yōu)?.788m。剪刀撐合計長度868.89m。轉(zhuǎn)角扣件共640個。腳手架自重增加42.709kn，gk=0.6827kn/m2，h/b=6.12。高寬比增加了16%，仍說明腳手架的剪刀撐對抗傾覆作用不大，但對提高腳手架的穩(wěn)定承載能力作用肯定很大。如果采用10年一遇基本風(fēng)壓w0=0.4kn/m2，則上面例1的h/b=4.26，4.90;例2的h/b=4.22，4.90，都小于5.0。在此必須注意，作用在腳手架上的永久荷載或施工活荷載起抗傾覆作用，所以不參與傾覆驗算。總之，用式(4)、(5)對規(guī)整腳手架作傾覆驗算是比較容易的，用腳手架的高寬比值表達抗傾覆是可行的。復(fù)雜的腳手架用公式(1)作傾覆驗算也不難。2腳手架的穩(wěn)定性計算腳手架屬于桿系結(jié)構(gòu)，對于桿系結(jié)構(gòu)的彈性穩(wěn)定理論比較成熟，并解決了許多實際問題。常用的剛架、排架、桁架等復(fù)雜的平面和空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性已有現(xiàn)成的手冊可供查用。但腳手架由于施工因素的強烈干擾，使腳手架的立桿與水平橫桿的連接性能不確定，導(dǎo)致不能應(yīng)用前人的成果。但是，計算公式和圖表不能直接套用，不等于穩(wěn)定理論也過時。很多學(xué)者從實際工程和穩(wěn)定理論出發(fā)，依據(jù)實踐經(jīng)驗，應(yīng)用強化結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施和簡單穩(wěn)定驗算方法，臨時應(yīng)付滿足工程應(yīng)用，不解決長遠問題。當(dāng)前唯一的解決途徑是做必要的穩(wěn)定試驗，根據(jù)試驗結(jié)果總結(jié)出理論上說得過去、好用的計算公式。以下筆者只是想對腳手架穩(wěn)定性分析計算談點粗淺的認識，用以區(qū)分腳手架的穩(wěn)定性計算與傾覆驗算。有些標(biāo)準(zhǔn)在腳手架設(shè)計條文中引入了腳手架的高寬比，有一個標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定模板支架的短向高寬比不宜大于5,大于5的應(yīng)增設(shè)穩(wěn)定措施。這個“5”不知從何而來?但與上面例題計算結(jié)果比較接近。但仍大于10年一遇風(fēng)荷載算得的h/b=4.22，顯得不安全。另一個標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的高寬比最大值沒有超過2.5，而且高寬比大小與腳手架立桿計算長度系數(shù)m拉上關(guān)系，但又看不清楚是什么關(guān)系，似乎是高寬比大，計算長度系數(shù)也大，即穩(wěn)定承載能力小。為此，筆者查閱了有關(guān)文獻。對于排架結(jié)構(gòu)，例如單根懸臂柱的計算長度系數(shù)為2,二根相同的懸臂柱用一根橫梁鉸接連成排架，排架柱計算長度系數(shù)仍為2,且與橫梁跨度大小無關(guān)。但用剛接連成剛架，剛架柱計算長度系數(shù)u^1+ibh/(6icl)，式中ib、ic分別為橫梁、柱的截面慣性矩，l、h分別為橫梁跨度、柱高度。說明此時柱的計算長度系數(shù)與梁跨度有關(guān)，與高跨比(h/l)有關(guān)，更精確地說與梁柱線剛度之比有關(guān)。有的學(xué)者總結(jié)為:單層或多層排架柱的穩(wěn)定性計算可以用一根單柱，單層或多層剛架柱的穩(wěn)定性計算需要梁柱一起考慮。對于當(dāng)前常用腳手架，立桿與橫梁連接處于鉸接與剛接之間，考慮施工等因素的影響，假定為鉸接為好，所以用一根立桿的穩(wěn)定性計算來代表整個腳手架的穩(wěn)定性計算，已有的標(biāo)準(zhǔn)也是這樣規(guī)定的。由此可見，排架