高邊坡腳手架平臺穩定性驗算及安全監測方法

舒媛 馬繼峰 高強

腳手架是建筑施工常見的臨時設施，是為臨時放置施工工具、建筑材料，配合施工作業人員高處作業而搭設的架體，廣泛應用于房建市政、水利水電、道路橋梁等工程領域。腳手架在搭設、使用及拆除過程面臨較大的安全風險，尤其是高邊坡治理工程用的腳手架，一旦出現問題，極可能出現群死群傷的重大安全生產事故。文章主要介紹高邊坡治理工程腳手架的穩定性驗算及安全監測技術，并以具體工程為案例進行講解，供類似工程參考。

高邊坡; 腳手架; 穩定性驗算; ?安全監測

TU731.2B

[定稿日期]2021-08-11

[作者簡介]舒媛（1987～），女，本科，工程師，從事水利水電施工技術與管理工作;馬繼鋒（1987～），男，本科，工程師，從事水利水電施工技術與管理工作;高強（1985～），男，本科，高級工程師，從事水利水電施工技術與管理工作。

高陡邊坡腳手架工程[1]，因為其特有的邊坡地形不規則、使用時間長、使用期間次生災害發生可能性大、作業人員多等特點，高陡邊坡腳手架工程面臨的安全風險更高。保證腳手架搭設、使用、拆除期間的施工安全尤為重要和緊迫，意義重大。

腳手架與一般結構相比，其工作條件具有以下特點：①所受荷載變異性較大;②扣件連接節點屬于半剛性;③腳手架結構、構件存在初始缺陷，如桿件的初彎曲、銹蝕，搭設尺寸誤差、受荷偏心等均較大;④與墻的連接點，對腳手架的約束性變異較大。

1 腳手架穩定性驗算研究

1.1 研究思路及對象

單層或多層腳手架的穩定性計算可以按一根單柱考慮，立桿與橫梁連接處計算時可假定為鉸接[2-3]。

腳手架穩定性驗算通過對搭設材料性能、荷載組成、搭設參數等關鍵信息分析，建立腳手架計算模型，選取受力最不穩定斷面處架體進行受力分析，驗算其結構穩定性、桿件的軸力和彎矩值、扣件抗滑等是否符合安全使用要求。

1.2 研究方法

腳手架屬于桿系結構，對于桿系結構的彈性理論研究較為成熟，利用有限元分析腳手架安全穩定的方法得到大量應用，并取得良好效果[4]。當前鋼管腳手架主要穩定性驗算方法有《結構力學求解器》、ANSYS軟件、Midas Civil軟件。

2 安全監測方法研究

2.1 監測對象

腳手架使用中，監測項目有：①桿件的設置和連接，連墻件、支撐等的構造;②扣件螺栓是否松動;③立桿的沉降與垂直度的偏差;④安全防護措施是否到位;⑤是否超載。

2.2 監測方法

腳手架安全監測方法以無損監測為主[5]，扣件螺栓松動依靠人工扭力扳手檢查，安全防護措施通過人工檢查，常見的監測方法有：

（1）采用全站儀、經緯儀、水準儀、卷尺等測量儀器對架體沉降及垂直度進行監測，該方法簡單，投入設備少、設備來源廣泛，但不能監測架體受力情況，且不能實現24 h不間斷實施監控和自動報警，人為因素影響大。

（2）利用應力傳感器及位移傳感器對結構的關鍵構件進行力及位移的量測，這種測量基于物聯網技術和傳感技術的結合，直觀、簡單、監測結果精確、可遠程監控，一旦有異常變化發生，系統就會自動報警，實現早發現問題、早應對、早預防。

（3）利用聲發射傳感器陣列采集腳手架發生聲發射事件時的聲發射信號，并轉換電信號輸出給信號采集系統，實現利用較少傳感器對整個腳手架進行無損傷監測及預警，有效解決腳手架損傷監測定位不準的問題。

3 應用實例

3.1 工程概況

古瓦水電站位于四川省甘孜藏族自治州鄉城縣境內，電站首部樞紐進水口邊坡因自然災害發生大規模崩塌滑坡破壞，為保證邊坡穩定，設計要求對該邊坡進行預應力錨索支護，腳手架搭設高度約110 m，搭設寬度96 m。

3.2 荷載取值

3.2.1 計算荷載

施工荷載主要有腳手架、扣件、方木板、防護網、錨索、鋼筋、鉆機、鉆桿、鉆具自重等各類恒荷載，鉆孔、人員活動等各類活載，以及風載（0.2 kN/m2），各類荷載計算前需進行荷載等效，并結合施工實際，采取適宜的荷載組合。

3.2.2 計算模型

采用Midas Civil建立空間有限元模型，模型均為梁單元，模型中縱向取14跨進行計算，共14 762個節點，29 406個單元，豎桿底部支撐約束x、y、z三個方向，側向支撐僅約束x方向（x向為山體指向外側的方向，y向為平行于山體的水平方向，z向為豎直方向）。

3.2.3 計算結果分析

3.2.3.1 結構穩定分析

側向約束按兩步兩跨設置連墻件，結構整體穩定系數3.76，小于4，滿足要求。

3.2.3.2 桿件內力計算

（1）桿件軸力。桿件在恒載+活載作用下，桿件的軸力如圖1所示。

（2）桿件彎矩。結構在恒載+活載基本組合作用下，最大彎矩為0.56 kN·m。

（3）立桿穩定驗算。在恒載+活載作用下，步距1.4 m時，其安全系數最小為1.18，立桿長細比為141，小于210，滿足規范要求。

（4）水平桿強度驗算。為改善水平桿的受力，采用八字撐加強短桿，按均布荷載施加，計算最大應力為151.3 MPa，小于215 MPa，滿足規范要求。

3.2.3.3 結構位移

（1）結構的整體位移。在恒載+活載作用下，結構位移最大1.55 cm，發生在頂部。

（2）結構的局部位移。在恒載+活載作用下：邊跨最大位移為0.84 mm，中跨最大位移為0.328 mm，均小于10 mm，且最大撓跨比為1/1 120，小于1/150，滿足規范要求。

3.2.3.4 支點反力

在恒載+活載標準值作用下，支架支反力最大21.2 kN（豎直向上），需要的地基承載力為235.6 kPa，施工時保證地基最低承載力大于250 kPa。

3.3 安全監測

腳手架施工安全監測根據監測對象分為邊坡安全監測和架體安全監測，根據監測方法分傳統人工監測和自動化監測（表1）。

本工程邊坡安全監測采用全站儀和水準儀等光學儀器人工監測，主要對邊坡開口線沿線進行水平位移和垂直位移監測，架體安全監測采用自動、實時、24 h不間斷監測系統，通過無線組網，隨時監測并傳輸腳手架架體的軸力、傾斜度、位移、溫度等數據。

架體安全監測在腳手架搭設最高立桿的上、中、下三個區域布設監測點，采用應力計與雙軸智能傾角傳感器監測。自動監測系統安裝、調試完畢后，進入電腦軟件界面，可查詢并打印各個監測點任何時段的應力應變情況（圖2）。

本工程腳手架搭拆及使用全程，各項監測數據正常，滿足安全使用要求。

3.4 結論

（1）腳手架的穩定性承載能力與架體高度有關，與寬高比無關。

（2）連墻件的設置對高排腳手架的安全穩定至關重要，剪刀撐對架體抗傾覆作用不大，但對提高架體整體穩定承載能力作用很大[6]。

（3）采用測量儀器、應力及位移傳感器或聲發射傳感器等監測方法，能夠較好實現腳手架安全的準確監測。

4 結束語

腳手架工程屬于高危工程，腳手架搭拆專項方案正式實施前務必進行安全穩定性驗算，驗算通過后，方可組織施工。在腳手架搭設、使用及拆除全程，須進行安全監測，選用先進的應力-應變自動監測系統，一方面，能夠提升監測數據的準確性，實現24 h自動連續監測、超限報警，另一方面，可以減少人力投入，減輕監測作業強度，降低施工成本，值得類似腳手架工程借鑒參考。

參考文獻

[1] 韓偉偉，丘華生，陳立煌.高陡邊坡支護扣件式腳手架的安全與施工技術[J].住宅與房地產，2018，26（31）：77-80.

[2] 施秉華.腳手架的傾覆與穩定計算[J].施工技術，1999，30（8）：532-535.

[3] 杜榮軍.腳手架結構的穩定承載能力[J].施工技術，2001，30（4）：1-5.

[4] 張厚先.用ANSYS分析扣件式鋼管腳手架的承載性狀[J].武漢理工大學學報，2010，32（1）：166-168.

[5] 應志君，徐雙武等.邊坡施工采用超高層鋼管腳手架安全性能研究[J].四川建筑科學研究，2012，16（4）：092-095.

[6] 蔣洪寧.扣件式鋼管腳手架設計計算的幾點討論[J].建筑安全，2006，12（2）：102-104.

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