鋼管腳手架設計施工的幾個補充要點

王 向 東

(山西安宇建設監理有限公司,山西 太原 030006)

·施工技術·

鋼管腳手架設計施工的幾個補充要點

王 向 東

(山西安宇建設監理有限公司,山西 太原 030006)

結合鋼管腳手架的施工設計實踐經驗，充分理解了規范中鋼管腳手架的設計計算重點，補充說明了規范中的不足之處，并對改良鋼管腳手架的設計施工過程進行了論述，以達到安全科學施工的目的。

腳手架,設計,施工,要點

腳手架的主要作用有兩個：安全防護與施工支撐措施。合格的腳手架可以有效防范高處墜落、物體打擊、支架坍塌等事故。根據統計，因為腳手架違規施工而產生的事故占建筑行業安全事故的28%。

1 鋼扣式腳手架概述

鋼扣式腳手架主要分兩種：外腳手架和模板支架。其中腳手鋼管是主要受力構件，其主要承受軸向力和彎矩。鋼管腳手架以內外立桿為豎向受力構件。

JGJ 130-2011建筑施工扣件式腳手架安全技術規范(以下簡稱《扣件架規范》)中，定義步距為h，跨距用lK表示，計算長度用l0表示，立桿最上部最下端的扣件結點以外的部分稱為外伸長度(通稱自由端)，用a表示。

2 鋼扣式外腳手架與模板支架的區別

鑒于安全形勢，國家建設部門于2009年出臺了建質[2009]87號危險性較大的分部分項工程安全管理辦法，緊接著于2011年發布修改《扣件架規范》改為JGJ 130-2011版。

普通外腳手架是用來支持工人高處作業的平臺；滿堂腳手架一般為井字格構式(幾何型)，主要用來支撐上部結構重量，特別是支架整體結構高度不小于8 m，結構體形系數比H/B>2.0時(B為支架截面短向尺寸)，必須驗算滿堂腳手架的整體穩定性，計算并設計斜撐、拋撐、剪刀撐或連墻件來增加穩定性。

鋼管式外腳手架的穩定性主要依靠連墻件和附加支撐系統完成，自身屬于非幾何不可變桿系結構。其立桿的計算長度l0′按式(1)計算：

l0′=κ1·κ2·μ′·h

(1)

其中，

μ′=m1·m2·μ1

(2)

其中,κ1為考慮安全保證要求(即按“單一系數法”復核時，穩定計算要達到安全系數K≥2的要求，參考英國標準)的立桿計算長度附加系數;κ2為考慮搭設高度影響的立桿計算長度系數；μ′為“非幾何不可變桿系結構”支架立桿的計算長度系數，可查《建筑施工腳手架實用手冊》P461表15-112；μ1為將“非幾何不可變桿系結構”支架視為“有側移的框架柱”，按其線剛度比值K1，K2確定的計算長度系數，可查GB 17-88鋼結構設計規范的附表4.2得到；m1,m2為考慮扣件式鋼管腳手架的穩定約束條件中連墻桿和縱向水平桿作用的調整系數，見《建筑施工腳手架實用手冊》P456～P460的內容。

滿堂腳手架本身按照結構要求增加了聯系桿和斜撐后，屬于幾何不可變桿系結構。在對滿堂腳手架整體穩定性計算時，計算長度l0按式(3)計算：

l0=κ1·κ2·l01=κ1·κ2·(h+2a)

(3)

且:

a≤0.5(μ′-1)h

(4)

其中,l01為不調整前立桿計算長度;κ1,κ2的取值可從《扣件式鋼管模板高支架的設計和使用安全》中表1，表2查得。

可見，對穩定性不同要求的這兩種腳手架，因結構組合形式決定不同的桿件計算長度l0，從而決定長細比λ0作為模板支架的滿堂腳手架應該運用式(3)，式(4)進行計算設計。

3 腳手架荷載的錯誤組合

我國《扣件架規范》4.3規定，腳手架的荷載組合為：永久荷載+施工均布活載。事實上施工荷載決不是均布的，外腳手架荷載組合施工荷載往往不是均布的而且很容易集中。

因此，對外腳手架來說施工動載=人體重量+工具或設備重量+暫堆物料重量+沖擊荷載是比較合理的荷載組合。如果不可避免地在外腳手架上附著了施工機具設備，施工沖擊荷載和暫堆物料自重應該根據不同的附著設備及其自重進行系數調整，可依據GB 50009-2001建筑結構荷載規范得到P1,P2值，進行重點計算設計。

外腳手架柔性布置圖及堆載實驗破壞示意圖見圖1,圖2。

對滿堂支架來說其計算荷載必須考慮以上兩種荷載。荷載組合應為永久荷載+施工動載，其中永久荷載=架子自重+模板自重+上部結構自重，施工動載=人員重量+工具或設備重量+暫堆物料重量+沖擊荷載。但滿堂腳手架的整體安全性和整體穩定性必須取相對高值。滿堂架剛性示意圖見圖3,簡化受力示意圖見圖4,整體失穩示意圖見圖5。

風荷載的大小隨建筑物高度變化很大，超過24 m高的外腳手架必須要核算。不同的封閉形式風載變化很大，《扣件架規范》表4.2.4中的體型系數φ應該按不同圍蔽材料的風阻系數進行換算方更合理。

《扣件架規范》計算式4.2.3規定基本風壓ω0按GB 50009-2001建筑結構荷載規范采用，但9.0.5條規定6級以上風力停止作業，所以取基本風壓時應該按最低6級風力折算，確保安全系數。

風荷載是不均勻的，一般來說其頂部自由端的系數μs大于中間區段。新《扣件架規范》中只規定水平均布風荷載，是非常局限的。

4 管材質量對腳手架的影響

現行腳手架用的鋼管有兩種：直徑為D51或D48，新《扣件架規范》中選標準壁厚δ=3.6 mm。但市場上出現多種壁厚實際尺寸只有3.2 mm～2.8 mm。實際施工生產中，按照標準的壁厚計算，會給安全使用埋下隱患。本節以壁厚3.5 mm與3.0 mm的鋼管做對比說明。

首先是桿件斷面慣性矩I值的變化。選擇鋼管D=51時，δ1=3.5，δ2=3.0兩種情況比對。假設鋼管只受軸向壓力，代入環形截面的慣性矩公式：I=π(D4-d4)/64。

得到:

I1=π(514-434)/64=3.02π×106/64。

I2=π(514-444)/64=2.67π×106/64。

ΔI=I1-I2=0.35π×106/64。

結論：慣性矩因壁厚變薄減少了：

ΔI/I1×100%=11.6%。

在結構失穩破壞的臨界狀態，歐拉臨界荷載公式為：

PE=π2EI/(4h2)。

其中，彈性模量E是定值(如果實際采購的桿件材質有變化時，E值也要隨之調整)，當I值的改變量為-11.6%時，臨界荷載也相應減少了11.6%。

其次是桿件斷面回轉半徑i的變化。仍選上述鋼管的參數，腳手架步距假設按1.8 m。從管材參數表查得：

鋼管壁厚t從3.5 mm變薄到3.0 mm時，截面積A由5.44變

為4.71，回轉半徑i值由1.75變為1.77。

代入公式：λ=l0/I后，λ1=103.9，λ2=101.7。

依λ1，λ2值查附表C，得出φ1=0.558，φ2=0.573。

假定不考慮風載，軸向力N定值時，進行簡單的驗算。那么根據《扣件架規范》公式5.3.1-1，得到應力：

f1=N/(φ1A1)=0.33 N。

f2=N/(φ2A2)=0.27 N。

得到：Δf=0.06 N。

可以看到，當鋼管壁厚變薄到3.0 mm時，應力降低了Δf/f1×100%=18%。

從以上驗算得出，管壁變化0.4 mm～0.5 mm，其承受的應力和穩定性變化率在12%以上；材質不達國標時，彈性模量E變化很大，設計計算鋼管腳手架時應該以實際采購的鋼管材質、壁厚為計算依據，不能生搬硬套新舊《扣件架規范》中的數值。

5 滿堂腳手架自由端長的重要意義

對承受結構載荷的滿堂腳手架來說，其自由端a對腳手架的影響更大。《扣件架規范》5.6.2規定模板支架的l0計算運用公式5.6.2-3，l0=h+2a。事實上，該式僅用于模板支架兩個自由端的長度計算，滿堂架的中間立桿計算因為沒有明確規定，所以仍然套用《扣件架規范》5.3.3式，l0=κ·μ·h。

假設條件為滿堂架h=1.8，立桿橫距1.55，二步三跨連墻，那么:

l0=1.55×1.60×1.8=3.33 m。

代入5.6.2-3得：a=κ·h·(μ-1)/2=0.76 m。

在滿堂架實際施工中，往往套用《扣件架規范》，得出a值很大。事實上架頂自由端值a超長是目前滿堂腳手架安全事故頻繁的主要原因。JGJ 130-2011版規定掃地桿高度不大于200 mm，對上部自由端仍然沒有規定。考慮滿堂架上端建筑結構的不規則情況，建議在實際施工中自由長度不能超過300 mm，可以作為有效的安全做法推廣。

從圖5的破壞過程可以看出，整體來說滿堂架也是一個桿件，滿堂腳手架的整體穩定性同樣密切依靠連墻結構和斜向支撐，特別是相對短向截面。

綜上所述，現行的JGJ 130-2011建筑施工扣件式腳手架安全技術規范仍有不少內容細節不能滿足施工要求，希望本文能對大家的腳手架施工安全技術起到一定的指導作用。

[1] JGJ 130-2011，建筑施工扣件式腳手架安全技術規范[S].

[2] 杜榮軍.扣件式鋼管模板高支架的設計和使用安全[J].施工技術，2002(3)：75-77.

[3] BS 5975-82，腳手架實施規范[S].

[4] 建筑施工腳手架實用手冊[Z].

[5] (97)建標工字第20號，編制建筑施工腳手架安全技術標準的統一規定[S].

[6] GB 50009-2001，建筑結構荷載規范[S].

Some supplementary key points in steel pipe scaffold design construction

WANG Xiang-dong

(ShanxiAnyuConstructionSupervisionLimitedCompany,Taiyuan030006,China)

Combining with the construction and design practice experience of steel pipe scaffold, this paper fully understood the design and calculation key points of steel pipe scaffold in specification, explained the deficiency in specification, and discussed the improvement steel pipe scaffold design in construction process, achieved the purposes of safety and science construction.

scaffold, design, construction, key point

2014-07-12

王向東(1970- ),男,工程師

1009-6825(2014)27-0107-02

TU731.2

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