扣件式钢管脚手架设计实例解析

发布时间：2007年01月13日
作者：曹大斌王金妙
来源：曹大斌王金妙
浏览：次
查看所有评论
【}">打印文章】

位置：易安网>> 安全技术>> 建筑

1.前言

　　根据《建筑施工安全检查标准》（JGJ59-99）对外脚手架的规定：提出逐步淘汰毛竹脚手架，积极推广扣件式钢管脚手架。《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（JG130-2001）对扣件式钢管脚手架的设计原则和计算方法都作了规定。笔者将以该规范为依据，结合工程实例，系统地对扣件式钢管脚手架的设计计算和使用过程中应注意的有关事项，作一解析。

　　2.工程实例概况

　　黄岩东河嘉苑商住楼1～3#楼，建筑面积为15000m²，（三幢楼地下室全部连通，地下室呈L形），最高建筑物3#楼檐口高度为19.8m，1#楼.2#楼北侧脚手架和3#楼南侧脚手架搭设在地下室顶板上。

　　3.脚手架设计

　　3.1计算参数的确定

　　（1）架体尺寸。立杆横距l_b=800mm，纵距l_a=1500mm，步距h=1800mm。搭设高度21.3m（取3#楼为计算对象），立杆底部垫设槽钢。

　　（2）架体构件。

　　见表

　　（3）围档材料。采用2000目安全网，全高封闭，挡风系数0.6，自重标准值5N/m²。

　　（4）脚手板。采用竹篾板，层层满铺，其自重标准值0.35kN/m²。

　　（5）施工活载。主体结构均布活荷载标准值3kN/m²。

　　（6）基本风压。台州地区基本风压为ω₀=0.55kN/m²，风压高度变化系数μ^z=1.31，脚手架风荷载体型系数μ^s=0.1157。

　　3.2横向、纵向水平杆计算

　　3.2.1横向纵向水平杆的抗弯强度按下式计算：σ＝M/W≤f

　　式中的M－弯矩设计值，按M＝1.2M_GK为施工荷载标准值产生的弯矩。W－载面模量。f－钢材的抗弯强度设计值，f=205N/mm²

　　（1）横向水平杆的抗弯强度

　　计算横向水平杆的内力按简支计算，计算跨度取立杆的横距l_b=800mm，脚手架横向水平杆的构造计算外伸长度a=300mm，a₁=100mm。

　　①永久荷载标准值g_k包括每米立杆承受的结构自重标准值0.136kN/m（纵距1.5m，步距1.8m），脚手板片重标准值0.35kN/m²和栏杆与挡板自重标准值0.14kN/m（如图1）

图1 结构自重计算简图

　　g_k=0.136+0.35×1.2+0.14=0.696kN/m

　　M_A=1/2g_ka²=1/2×696×0.3²=31.32N?m

　　M_B=1/2g_ka 2 1=1/2×696×0.1²=3.48N?m

　　M_A-M_B=31.32-3.48=27.84N?m

　　M_GK=g_k/2l_b/2-(M_A-M_B)/g_kl 2 b-M_A=696/2×0.8/2-(27.84/696×0.8)²-31.32=11.32Nm

　　②施工均布活荷载标准值

　　Qk=3kN/m2×0.75=2.25kN/m

图2 施工荷载计算简图

　　MQK=Qkl 2 b/8=1/8×2250×0.82=180N?m

　　M=1.2MGk+1.4MQK=1.2×11.31+1.4×180=265.57N?m

　　σ=M/W=265.57×103/5.08×103

　　 =52.28N/mm2＜f=205N/mm2

　　所以横向水平杆满足安全要求。

　　（2）纵向水平杆的抗弯强度按图3三跨连续梁计算，计算跨度取纵距la=1500mm。F为纵向水平跨中及支座处的最大荷载，分别按静载P和活载Q进行计算，作用在支座上的F力在弯矩计算时可以不用考虑。

　　①考虑静载情况

　　P=gk(lb+a-a1)/2lb=696×(0.8+0.3+0.1)×(0.8+0.3-0.1)/(2×0.8)=522N

　　图4静载布置情况考虑跨中和支座最大弯矩。

　图4静载状况下计算简图

　　M1=0.175Pla MB=Mc=-0.15P/a

　　②考虑活荷载情况

　　Q=1/2qklb=1/2×2250×0.8=900N

　　按图5、6两种活载最不利位置考虑跨中最大弯矩。

图5 活载最不利状况计算简图

图6 活载最不利状况计算简图

　　M1=0.213Qla

　　按图7、8两种活荷载最不利位置考虑支座最大弯矩。

图7 活载最不利状况计算支座弯矩

图8 活载最不利状况计算支座弯矩

　　MB=MC=-0.175Qla

　　根据以上情况分析，可知图4与图5（或图6）这种静载与活载最不利组合时M1跨中弯矩最大。

　　MGK=0.175P/a=0.175×522×1.5=137.03N?m

　　MQK=0.2130.213Q/a=0.213×900×1.5=287.55N?m

　　M=1.2MGK+1.4MQK=1.2×137.03+1.4×287.55＝567.01N?m

　　σ=M/W=567.01×1000/5.08×1000=111.6N/mm2＜f=205N/mm2，纵向水平杆抗弯符合要求。

　　3.2.2纵向、横向水平杆的挠度按下式计算

　　υ≤[υ] [υ]为容许挠度，按规范要求取1/150

　　（1）横向水平杆的挠度

　　①考虑静载情况（图1）

　　K1=4MA/qkl 2 b=4×31.32/696×0.82=0.28

　　K2=4MB/qkl 2 b=4×3.48/696×0.82=0.03

　　查《建筑结构静力计算手册》中梁在均布荷载作用下的最大挠度表，用K1、K2值采用插入法求得系数

　　υ1=0.1972×qkl4 a/24EI

　　E为钢材的弹性模量，E=2.06×105N/mm2

　　I——φ48×3.5mm钢管的惯性矩。I=12.19cm4

　　②考虑活载情况（图2）

　　υ2=5qkl 4 b /384EI两种情况叠加，得

　　υ=υ1+υ2=0.1972×gkl 4 b /24EI+5gkl 4 b /38EI=0.197×696×10-3×8004/24×2.06×105×12.9×104+5×2250×8004/384×2.06×105×12.19×104=0.57mm＜lb/150=180/150=5.33mm

　　所以横向水平杆的挠度满足要求。

　　（2）纵向水平杆的挠度

　　①考虑静载情况（图4）υ1=1.146×Pl 2 a/100EI

　　②考虑活载情况（图3）υ2=1.615×Ql 2 a/100EI

　　两种情况加，得

　　υ=υ1+υ2=1.146×Pl 3 b/100EI+1.615×Ql 3 a/100EI=l 3 b(1.146P+1.615Q)/100EI

　　=15003×(1.146×522+1.615×900)/100×2.06×105×12.19×104=2.76mm＜la/150=1500/150=10mm

　　所以纵向水平杆的挠度满足要求。

　　3.2.3纵向水平杆与立杆连接时扣件的抗滑承载力应符合下式规定

　　R≤Rc式中R为纵向水平杆传给立杆的竖杆作用力设计值，Rc为扣件抗滑承载力设计值，按规范表取Rc=8.00kN

　　纵向水平杆与立杆连接时扣件受到的垂直作用力包括贴立杆的横向水平杆载F和M1在扣件处引起的与F同向的最大剪力V之和。

　　F=1.2P+1.4Q=1.2×522+1.4×900=1886.4N＜8kN

　　V=1.2+0.65P+1.4×0.575Q=1.2×0.65×522+1.2×0.575×900=1131.66N

　　R=F+V=1886.4+1131.66=3018.06N＜8kN

　　所以纵向水平杆与立杆连接时扣件的抗滑承载力满足安全要求。

　　3.3立杆的稳定计算

　　立杆的稳定计算按下列公式计算

　　N/фA+Mw/W≤f，式中N为计算立杆段的轴向力设计值，ф为轴向受压构件的稳定系数。A为一立杆的截面面积，Mw为计算立杆段由风荷载设计值产生的弯矩，W为截面模量，钢材的抗压强度设计值f=205N/mm2。

　　3.3.1 风荷载标准值

　　wk=0.7μzμaw0=0.7×1.31×0.1157×0.55=0.058kN/m2

　　3.3.2计算立杆段由风荷载设计值产生的弯矩

　　Mk=0.85×1.4wklah2/10＝0.85×1.4×0.058×1000×1.5×1.82/10=33.55Nm

　　3.3.3轴向受压构件的稳定系数

　　轴向受压构件的稳定系数ф，根据立杆长细比λ规范用表取值，当λ＞250时，按7320/λ2计算。计算长度lo=kμh，式中k为计算长度附加系数，取k=1.155；μ为考虑脚手架整体因数的单杆计算长度系数，按规范用表取μ=1.5；

　　h为立杆步距。lo=kμh=1.155×1.5×1.8=3.12m，立杆的长细比λ=lo/I，i为截面回转半径，查表得φ48×3.5mm钢管i=1.58cm。

　　λ=lo/I=3.12/0.0158=197.5，根据立杆长细比查得稳定系数为0.185

　　3.3.4 立杆段的轴向设计值

　　N=1.2(NG1K+NG2K)+0.85×1.4∑NQK

　　（1）脚手架结构自重标准值产生的轴向力NG1k本工程脚手架共12步，实际脚手架高度H=12×1.8=21.6m

　　NG1K=23.4×0.1734=3.745kN=3745N

　　（2）构配件自重标准值产生的轴向力NG2k

　　每个立杆段需要3个直接扣件，13个旋转扣件，则：

　　NG2K=3×18.4+13×14.6=245N

　　（3）施工荷载标准值产生的轴力总和内力∑NQK

　　外立杆可按一纵距内施工荷载的总和的1/2取值

　　∑NQK=3000×0.8×1.5×1/2=1800N

　　N=1.2(NG1K+NG2K)=0.85×1.4∑NQK

　　 =1.2×(3745+245)+0.85×1.4×1800=6930N

　　
　图9 地下室顶板验算示意图

　　3.3.5 验算立杆的稳定性

　　N/фA+Mw/W=6930/(0.185×486)+33.55×103/(5.08×103)=83.21N/mm2＜f=205N/mm2所以立杆稳定性满足要求。

　　3.4 地下室顶板验算（取最大板块6.2×3.6m）

　　3.4.1 基本参数

　　（1）边界条件（左端/下端/右端/上端）：参见图9

　　（2）荷载：均布荷载设计值：q=7.310kN/m

　　（3）几何参数：宽度：lx=3600(mm)长度：ly=6200(mm)板厚：h=200(mm)

　　（4）材料特性：混凝土强度等级：C30钢筋等级：二级（＜φ25）

　　3.4.2 计算结果：

　（1）弯距值：Mx=3.651kNm My=1.237kNm Mxo＝-7.590kNm Myo＝-5.410kNm

　　（2）lx向配钢筋：计算面积：66.42mm2 可选方案：φ12@200

　　（3）lx向配钢筋：计算面积：22.45mm2 可选方案：φ12@200

　　设计实际选用#12@150，满足要求。

　　3.5 连续梁验算

　　3.5.1 几何数据及材料特性
混凝土：C30 主筋：二级（＜φ25）箍筋：一级7.31kN 7.31kN
3.5.2 内力及配筋

（1）内力包络图（2）截面内力及配筋

0支座：弯矩 6.51kN/m，荷载组合1

剪力14.09kN，荷载组合1

上钢筋：2φ12，计算面积：216.00mm2

下钢筋：2φ12，计算面积：216.00mm2

设计为4φ20，满足要求

1跨中：弯矩1.73kN·m，荷载组合1

剪力14.09kN，荷载组合1

挠度0.38mm，裂缝0.02mm

上钢筋：2φ12，计算面积：216.00mm2

下钢筋：2φ12，计算面积：216.00mm2

箍筋：φ6@50，

设计为4φ22，满足要求。

1支座：弯矩1.03kN/m，荷载组合1

剪力0.53kN，荷载组合1

上钢筋：2φ12，计算面积：216.00mm2

下钢筋：2φ12，计算面积：216.00mm2

设计为4φ20，满足要求。

4.结束

　　经实际使用，此脚手架使用情况良好，本设计是安全的。但为确保脚手架安全，必须做到：①组成脚手架的各种材料必须符合现行国家标准和技术规范。②进场的钢材、钢管和扣件必须进行抽样检查，合格后方可使用。③脚手架设计要做到安全保证、科学合理和动态发展的要求。④脚手架施工前要编制专项施工方案，确保按设计方案和规范要求进行搭设。⑤脚手架在使用过程中应重视维护管理，任何对脚手架形状的改变都必须经过设计人员的确认。