淺談扣件式鋼管腳手架的設計計算

胡漢青

（中化泉州石化有限公司，福建 泉州 362103）

1 設計計算

腳手架設計計算的實質是驗證計算，即對設計模型進行現實分析以驗證其是否滿足要求的過程，具體內容如下：

1）模型設計：結合實際需要，據規范、經驗，對搭設數值估設；

2）受力分析：進行受力分析，計算各構件的強度、撓度、抗滑移性等；

3）比較判斷：計算結果與材料性能參數、規范要求比較，檢驗是否滿足。

2 受力分析

在進行腳手架受力分析之前，應清楚腳手架各構件的連接關系。

JGJ 130—2011《扣件式鋼管腳手架安全技術規范》（以下簡稱《規范》）中關于腳手架各部件的搭設連接規定：縱向水平桿應作為橫向水平桿的支座，用直角扣件固定在立桿上；橫向水平桿兩端均應采用直角扣件固定在縱向水平桿上；腳手板應設置在3 根橫向水平桿上；立桿底部宜設置底座或墊板[1]。綜上，基本連接關系：施工荷載→腳手板→橫向水平桿→縱向水平桿→扣件→立桿→底座→墊板→地面，這是對其設計驗算的基礎。

3 驗證計算

由架體受力知，豎直方向需對橫向水平桿、縱向水平桿、扣件、立桿、地基進行分析計算。另外，考慮水平方向受風荷載、連墻件連接力影響和搭設高度限定，故需進行8 方面計算。為規范表述，對部分字符進行統一說明，見表1。

表1 公式字符對照表

3.1 橫向水平桿計算

橫向水平桿承受施工荷載、腳手板重量、橫向水平桿自重，在其作用下彎曲變形。按簡支梁進行抗彎強度和撓度計算。橫向水平桿荷載分析簡圖如圖1 所示。

圖1 橫向水平桿荷載分析簡圖

1）橫向水平桿自重標準值：P1=g0。

2）腳手板荷載標準值：P2=gbla/n。

3）活荷載標準值：Q1=ghla/n。

4）最大彎矩MqMax：

式中，為荷載計算值，按《規范》第5.1.2，q=1.2P1+1.2P2+1.4Q1。

5）抗彎強度σ：M為最大彎矩，即MqMax，按《規范》公式5.2.1：

6）最大撓度VqMax：

按《規范》第5.1.3 條，q=P1+P2+Q1。

3.2 縱向水平桿計算

在自身重力和通過橫向水平桿傳遞到縱向水平桿上荷載作用下，桿彎曲變形，需計算抗彎強度和撓度。縱向水平桿分析簡圖如圖2 所示。

圖2 縱向水平桿荷載分析簡圖

1）橫向水平桿自重值：P3=g0lb。

2）腳手板荷載值：P4=gblalb/n。

3）活荷載值：Q2=ghlalb/n。

4）均布荷載（自重標準值）：q1=g0。

5）荷載計算值：P=（系數×P3+系數×P4+系數×Q2）÷2。因橫向水平桿兩端固定在兩根縱向水平桿上，故需要除以2。

6）抗彎強度σ：σ=M/W≤f，M為最大彎矩。

式中，Mmax為荷載計算值集中荷載下的彎矩；Mpmax為縱向水平桿自重均勻荷載下的彎矩。按《規范》第5.1.2 條，均布荷載q2=1.2g0，則P=（1.2P3+1.2P4+1.4Q2）÷2。

7）撓度V：

式中，V為最大撓度；VMax為縱向水平桿自重產生的撓度；VpMax為橫向水平桿傳遞的集中荷載產生的撓度。按《規范》第5.1.3條，均布荷載q3=g0，P=（P3+P4+Q2）÷2。

3.3 扣件抗滑計算

計算縱向水平桿與立桿處扣件抗滑力，是否滿足R≤Rc。

1）橫桿自重值：P7=g0la+lalb/n/2。因橫桿兩端固定在立桿上，故除以2。

2）腳手板荷載值：P8=gblalb/2。

3）施工荷載值：Q3=ghlalb/2。

4）荷載計算值：R=1.2P7+1.2P8+1.4Q3≤Rc。

3.4 荷載計算

腳手架荷載包括恒荷載、活荷載、風荷載，計算如下：

1）立桿自重值：NG1=gkH。NG1包括立桿、縱橫向水平桿、扣件的重量。

2）腳手板自重值：NG2=gbla（lb+b）NS/2。

3）欄桿、擋腳板自重值：NG3=gllaNS。

4）安全網等自重值：NG4=gwlaH。

5）恒荷載計算值：NG=NG1+NG2+NG3+NG4。

6）活荷載：NQK=ghlalbN′/2。

7）立桿軸向壓力設計值，依據《規范》公式5.4.4：

式中，N1為考慮風荷載影響時的立桿軸向壓力設計值；N2為忽略風荷載影響時的立桿軸向壓力設計值；ΣNGK為永久荷載對立桿產生的軸向力標準值總和；ΣNQK為可變荷載對立桿產生的軸向力標準值總和。

8）風荷載標準值WK，依據《規范》公式4.2.5：

式中，μS為腳手架風荷載體型系數，按《規范》表4.2.6 取值；μZ為風壓高度變化系數，W0為基本風壓值，按GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》表8.2.1、表D.4（取重現期=10）[2]。

9）風荷載產生彎矩：立桿徑向還受風荷載影響，需計算立桿的彎矩值MW，按《規范》第5.2.9 條，知MW=0.9×1.4×MWK=（0.9×1.4×MK×la×h2）÷10，MWK為風荷載產生的彎矩標準值。

3.5 立桿穩定性計算

對腳手架立桿受力最大（立桿底部）荷載值和彎矩，在是否考慮風荷載影響的兩種情況下進行驗算。

1）立桿底部軸向荷載計算值。按《規范》式5.2.7-1 和式5.2.7-2：

式中，N3為考慮風荷載影響時的立桿底部軸向壓力設計值；N4為忽略風荷載影響時的立桿底部軸向壓力設計值。

2）立桿計算長度l0。k取值1.155，μ 按《規范》表5.2.8 取值，按《規范》第5.2.8 條：

3）長細比λ，按《規范》第5.2.6 條：

4）立桿段風荷產生彎矩MW，按《規范》式5.2.9：

5）立桿穩定性，按《規范》式5.2.6-1 和式5.2.6-2 進行驗算：

3.6 高度計算

據設定的參數，計算腳手架允許搭設高度[H]，與實際高度比較，檢驗能否滿足。按《規范》式5.2.11-1 和式5.2.11-2：

1）忽略風荷載：

式中，NG2k為構配件自重產生的軸向力標準；NQK為施工荷載對立桿產生的軸向力標準值總和。

2）考慮風荷載：

式中，MWk為風荷載產生的彎矩標準值，由《規范》式5.2.9 得MWk=Wklah2/10。

3.7 連墻件計算

需進行強度、穩定性、扣件抗滑移承載力計算，如下：

1）風荷載產生的連墻件軸向力設計值：Nlw=1.4WkAW。其中，AW為單個連墻件所覆蓋的腳手架外側面迎風面積，若設置為“n步m跨”，則AW=nhmla。

2）軸向力設計值：Nl=Nlw+N0。N0為連墻件約束腳手架平面外變形所產生的軸向力，雙排架取3 kN。

4）穩定性。其中，連墻件毛截面積：A=πD2/4。

3.8 地基承載計算

計算立桿底部壓強，與地基強度進行比較，如下：

1）上部結構傳遞至立桿基礎頂面的軸向力Nk，按前述N計取。

2）基礎底面面積：A=LW/3，此處L、W為墊板的長、寬。

3）地基承載力設計值：fg=kcfgk。kc為腳手架地基承載力調整系數，回填土要乘以系數0.4[3]；fgk為地基承載力標準值，一般取200。

4）立桿地基承載力。其中，pk為立桿底部壓強。

4 結語

腳手架的設計計算，雖然原理較易理解，但計算過程復雜，加之涉及因素眾多，且很多參數需要根據實際情況來判斷、取值，所以，在日常工作中，其計算的可操作性不強，也不能保證工作效率。通常，可以通過專業軟件進行計算、驗證。當然，對于建筑從業人員而言，能夠清楚并熟練運用腳手架的設計計算，對于工作的開展會有很大幫助。