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)行的國家標準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)標準導(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。《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》gb50068-2001第條第一款規(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。《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計術(shù)語和符號標準》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”?！督ㄖ鼗A(chǔ)設(shè)計規(guī)范》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)計規(guī)范》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。

《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》jgj130-2001及《建筑施工門式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》jgj128-2000中都沒有傾覆驗算的內(nèi)容，這是因為這兩本規(guī)范規(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規(guī)范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

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:γg1、cg1、g1k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)、荷載標準值;γg2、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)、荷載標準值;cq1、q1k分別為第一個可變荷載的荷載效應(yīng)系數(shù)、荷載標準值;cqi、qik分別為第i個可變荷載的荷載效應(yīng)系數(shù)、荷載標準值;ψci為第i個可變荷載的組合值系數(shù)。當風(fēng)荷載與一個以上的其它可變荷載組合時采用;當風(fēng)荷載僅與永久荷載組合時采用。

對于平、立面無突出凹凸不平的腳手架，以下簡稱為規(guī)整腳手架，其傾覆驗算應(yīng)按如下表達式進行:

（2）式中:為起有利作用的永久荷載的荷載分頂系數(shù);cw、wk為風(fēng)荷載的效應(yīng)系數(shù)、風(fēng)荷載的標準值。

對于規(guī)整腳手架，其上作用的永久荷載、可變荷載是抗傾覆的，它們不應(yīng)參與傾覆驗算。此時應(yīng)按如下表達式進行傾覆驗算:

（3）以上式(1)適用于外形復(fù)雜的腳手架，式(2)適用于有施工活荷載的規(guī)整腳手架，式(3)適用于無外荷載的規(guī)整腳手架。在傾覆驗算時，為保證安全，需引入抗傾覆安全系數(shù)k，一般取k=，即抗傾覆力矩為傾覆力矩的倍以上。

規(guī)整腳手架傾覆驗算公式的進一步推導(dǎo)

設(shè)搭設(shè)的規(guī)整腳手架，長度l(m)、寬度b(m)及高度h(m)，其上只有腳手架自重和風(fēng)荷載作用。其傾覆沿受風(fēng)面大的腳手架的外沿線，傾覆力矩mov由風(fēng)荷載產(chǎn)生:mov=2，沿單位長度上的傾覆力矩mov=2。

抗傾覆力矩mr由腳手架自重產(chǎn)生:mr=2，沿單位長度上的抗傾覆力矩mr=2。引入抗傾覆系數(shù)k，傾覆力矩與抗傾覆力矩之間的關(guān)系應(yīng)滿足下式要求:

2≤2

將其整理后可得到:

（4）取k=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準值(kn/m2);wk為風(fēng)荷載標準值，wk=μzμsw0。風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz按現(xiàn)行國家標準《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》gb50009-2001規(guī)定采用，風(fēng)荷載體型系數(shù)μs可參考jgj130-2001采用，基本風(fēng)壓w0(kn/m2)按gb50009-2001規(guī)定采用，也可按風(fēng)力計算確定。

由式(4)、(5)可知，保證腳手架不傾覆，其高度與寬度之比值應(yīng)受到限制，比值與腳手架自重大小成正比，與風(fēng)荷載成反比。

計算實例1

設(shè)規(guī)整腳手架的立桿間距為×，步距，長度l=20m，寬度b=4m，高度h=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

腳手架自重標準值:立桿5×21=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=，gk=(20×=kn/m2?；撅L(fēng)壓取九級風(fēng)。平均風(fēng)速產(chǎn)生的w0=m2，μz=(b類粗糙度地面，高20m)，μs=φ=，風(fēng)荷載標準值wk=m2，以上數(shù)值代入式(5)得:h/b≤×5/=，而本腳手架的高度與寬度之比為4=<，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

縱向外側(cè)面設(shè)豎向剪刀撐，與水平橫桿夾角°，共80根。橫向每4跨設(shè)豎向剪刀撐，與水平橫桿夾角°，共48根。剪刀撐合計長度800m。轉(zhuǎn)角扣件共640個。腳手架自重增加，gk=5+20/=3kn/m2，h/b=。高寬比增加了15%，說明腳手架的剪刀撐對抗傾覆作用不大，但對提高穩(wěn)定承載能力作用很大。

計算實例2

設(shè)規(guī)整腳手架的立桿間距為×，步距，長度l=24m，寬度b=，高度h=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

腳手架自重標準值:立桿5×21=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，直角扣件共3570個。腳手架自重gk=，gk=20/=m2?；撅L(fēng)壓取九級風(fēng)，平均風(fēng)速產(chǎn)生的w0=m2，μz=(b類粗糙度地面，高20m)，μs=φ=5，風(fēng)荷載標準值wk=8kn/m2，以上數(shù)值代入式(5)得:h/b≤7×8=，而本腳手架的高度與寬度之比為=<，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變?yōu)?。剪刀撐合計長度。轉(zhuǎn)角扣件共640個。腳手架自重增加，gk=7kn/m2，h/b=。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=m2，則上面例1的h/b=，;例2的h/b=，，都小于。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。

有些標準在腳手架設(shè)計條文中引入了腳手架的高寬比，有一個標準規(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=，顯得不安全。另一個標準規(guī)定的高寬比最大值沒有超過，而且高寬比大小與腳手架立桿計算長度系數(shù)μ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)μ≈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