某大型工程的腳手架可靠性研究

張 偉 王小廠 張新華 顏慶智

(1.勝利石油管理局供水公司，山東東營 257097;2.中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院，山東青島 266580)

0 引言

自20世紀60年代以來，扣件式鋼管腳手架由于經濟實惠、搭設和拆裝便捷等優點，成為我國使用量最多、被廣泛應用的一種腳手架，占腳手架使用總量的70%。落地式扣件腳手架是保證工程施工高處作業順利實施的重要保障，為避免工程事故的發生，很有必要對落地式扣件腳手架進行可靠度分析。

1 工程概況

某鋼筋混凝土框架核心筒結構，腳手架及連墻桿用φ48×3.5，均采用扣件連接。連墻件均布分布，采用兩步兩跨。腳手架架設結構為:立桿縱距la=1.50 m，立桿橫距lb=1.05 m，步距h=1.80 m，腳手架距外墻 0.5 m，腳手架高度為 16.2 m。

2 模型建立與分析

模型建立:選取兩跨作為三維計算單元。節點的特殊性決定了計算模型最重要的是正確選擇扣件式鋼管腳手架節點模式。通過資料［1］，橫桿與立桿是理想的鉸接或者剛接。大小橫桿與立桿之間是一種半剛性連接，不同于兩種理想假設，在荷載作用下會發生一定變形且會傳遞一些彎矩。通過加線性抗轉彈簧的方法來考慮節點半剛性。

3 可靠度分析

3.1 蒙特卡羅法

Monte-Carlo法計算結構體系可靠度:1)影響可靠度的隨機變量，按其分布類型產生一組隨機數，計算比較體系的作用效應與抗力值，計算各主要失效模式對應的功能函數值Z。當且僅當功能函數值Z＜0時，表示原結構失效，計算即可中止。2)重復第1)步的計算。3)計算結構體系的失效概率Pf=m/n(n為總樣本數;m為結構失效的樣本數)。文獻［2］建議模擬次數n必須滿足n≥100/Pf，根據美國 LRFD(Load and Resistance Factor Design)規范對 β 的建議值:臨時結構 β=2.5，Pf=Φ(－β)，則有 Pf=0.006 2，n設定為17 000次。

3.2 可靠度分析參數

一般將扣件式鋼管腳手架作為串聯系統處理，如果其中某構件失效不能工作，將會提高其他構件的失效概率。通過對試驗和腳手架坍塌事故分析，扣件式鋼管腳手架的主要失效模式分為整體失穩破壞和連墻件破壞。腳手架內側距離外墻為0.5 m，連墻桿在連接扣件發生扣件滑移破壞之前，不可能發生失穩破壞。僅關心連墻件連接扣件滑移破壞，以及腳手架整體橫向失穩破壞。基本隨機變量的分布統計見表1。

表1 基本隨機變量的分布統計

兩種失效模式功能函數分別為:

其中，R為連墻件的線位移剛性約束產生的支反力;N0=5 kN;Rc為直角扣件抗滑移承載力。

縱橫向水平桿與立桿之間用直角扣件連接的節點作為一種半剛性連接，參考文獻［3］［4］，直角扣件抗滑移承載能力Rc均值為8 kN，變異系數為0.15，服從對數正態分布。

3.3 計算結果

結構體系的失效概率為0.000 118，根據Pf=Φ(－β)，查表得到β=3.6。按照規范規定的結構構件承載能力極限狀態在脆性破壞三級的情況下的可靠度指標 β 為 3.6［5］，3.6 ＞3.2，說明此腳手架按照三級脆性破壞考慮，此結構體系設計在理論上來講是安全的。

4 結語

采用Monte Carlo法對工程實例腳手架進行可靠度分析表明，滿足規范要求。腳手架坍塌事故屢有發生，主要原因是管理不善，扣件式鋼管腳手架一般被視為一種臨時結構，沒有被大家足夠重視，其實際的體系可靠度受施工過程中人為錯誤影響較大。

［1］吳世偉.結構可靠度分析［M］.北京:人民交通出版社，1990.

［2］Hak-Fong Ma，A.H-S.Ang.Reliability analysis of redundant ductile structural systems［J］.University of Illinois at Urbana-Champaign，1981(8):41-42.

［3］敖鴻斐.雙排扣件式鋼管腳手架整體極限承載力研究［D］.上海:同濟大學，2000.

［4］JGJ 130-2001，建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范［S］.

［5］GB 50068-2001，建筑結構可靠度設計統一標準［S］.