建筑脚手架和支撑架的技术

建筑脚手架和支撑架的技术、设计和管理(重庆大学土木系脚手架知识培训讲义)今天来听课的不少是刚接触脚手架和支撑架工作的同志，根据大家的要求，我想以“建筑脚手架和支撑架的技术、设计和管理”为题，讲以下12个问题：1、建筑脚手架和支撑架技术在我国的发展如果将上世纪六十年代初期开始引进和应用扣件式钢管脚手架至七十年代末形成扣件架与木、竹脚手架“三足鼎立”局面，作为我国以现代脚手架技术全面取代传统脚手架的起步阶段的话，则自上世纪八十年代至今的二十多年，就是我国现代脚手架技术全面发展、基本更新和步入世界先进行列，并有所创新和超越的时期。这二十多年，又可分为两段：前十年通过推广应用扣件架、引进应用门式架和研发应用碗扣架，从而形成了这三种落地式金属脚手架“三架马车”的应用局面，并已在大中城市的工程施工架子中占据主导和主体的地位。吊蓝、挑脚手架、挂脚手架、桥式脚手架也有相当的应用和发展。在八十年代后期，整体提升脚手架开始出现。传统的木、竹脚手架呈被取代的发展趋势。后十多年，适应高层、超高层工程的施工需要，两种自升式悬空脚手架得到了迅速的发展：一是电动吊篮；二是附着升降脚手架。这二十多年的其他发展成就还有：（1）建筑施工脚手架标准技术工作，从无到有，取得了重要的成果。已颁布实施的有：《编制建筑施工脚手架安全技术标准的统一规定》；《建筑施工附着升降脚手架管理暂行规定》；《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规定》和《建筑施工门式钢管脚手架安全技术规定》等；（2）其他有良好应用的脚手架产品的引进、研发和应用。包括梯型架、拱构门架、楔盘式门架和采用三角形构件的塔式脚手架等；（3）低合金钢管材料的应用研究（有一定成效，但也有问题）。总之，现今在世界各国已广为应用或良好应用的架型我们都有了。我国在研发具有高技术含量的附着升降架方面已处于领先地位（但应用中也存在着一些问题），在脚手架、支撑架设计计算和标准化方面已进入先进行列。我们已摆脱落后状态，已有条件在推进脚手架技术的发展中做出更多的贡献。2、建筑脚手架的系列建筑脚手架的类别有多种划分方式：按其用途可分为结构施工脚手架、装修脚手架、模板和其他支撑架、安装作业架、防护架和其他施工用途架子；按其设置方式可分为落地式脚手架、附着脚手架、挑脚手架、吊脚手架、挂脚手架和移动式脚手架；按其构造形式可分为杆件组合（多立杆）式脚手架、构件组合或框组式脚手架、篮式脚手架、台式脚手架和桥式脚手架；按其架体形式可分为单排（立杆）架、双排架、多排和满堂架以及特形脚手架；按期使用方式可分为一次搭设脚手架、陆续接高脚手架、反复装拆或移置脚手架（包括零装零拆、零装整拆、整装零拆和整装整拆）、吊升（移）和自升（移）脚手架。但按脚手架的材料和产品则可分为木、竹脚手架和金属脚手架两大类（而金属脚手架大多采用具有适合受力能力、又便于握持的管件）。金属脚手架大多以其杆构件及其连接形式划分，大致构成如表1所示的系列。金属脚手架系列表表1基本构架组合形式连接方式脚手架标准名称杆件组合扣接式盖固式插接式扣件式钢管脚手架碗扣式钢管脚手架楔盘式钢管脚手架构件组合承插、锁扣、挂扣门式钢管脚手架梯型和框组式钢管脚手架搭式钢脚手架附着件、杆构件和升降设备组合螺栓连接、扣接、盖固各类附着升降脚手架定型产品组合适合形式各类台式脚手架、桥式脚手架、装修架、安装架、定型支架3、脚手架和支撑架的设计要求脚手架和支撑架设计的基本要求有以下5项：（1）满足施工作业要求（设置高度、作业面、防围护和跟进配合等）；（2）具有稳定的构架结构和承传载构造（避免出现过大变形）；（3）具有符合安全保证要求的承载能力，特别是抗失稳能力（失稳坍塌破坏脚手架和支撑架破坏的主要危险）；（4）具有应对施工中改动情况（例如变更杆件位置，临时撤去杆件等）的预案弥补措施；（5）确保装拆和使用安全的技术与管理措施。在实现以上设计的基本要求时，应特别注意以下环节：1）地基和支承结构的承载能力；2）安装偏差；3）节点连接的构造和承载能力；4）整体性和加强刚度杆构件的设置；5）控制荷载和可能出现的不利作用；6）监控措施及其落实程度；7）脚手架材料和设备的质量；8）隐患的检查和整改要求。4、脚手架结构脚手架的构造结构称为脚手架结构。脚手架作为架设工具和常备的施工周转材料，其临设性和反复装拆性就决定了它属于临时结构的范畴。因此，《统一规定》将其归入临时结构，一些规定执行薄钢规范。脚手架和支架的构成大体上有三种情况：一是完全采用脚手架杆（构）配件组装（搭设）；二是完全采用正规钢结构设计制作；三是由这两种构架部分组合而成。我们将第一种情况、即完全采用脚手架杆（构）配件组装（搭设）和执行《统一规定》的，称为“脚手架结构”，以与正规的型钢结构相区别。脚手架结构由于程度不同地存在着杆件设置和节点、连接构造不够严格（达不到正规工程钢结构要求）、支承条件（基础、楼板、地面）和安装质量（构造尺寸和垂直、水平偏差）难以控制，杆（构）配件易变形、锈蚀、磨损、污染以及搭设、使用的随意性和露天使用等不利工作条件的影响等，使其应当加大设计的安全保证。对于杆件组合式脚手架，当其斜杆设置达到构架框格的1/2时，具有稳定的构架结构，我们称其为“几何不可变杆系结构”；达不到这一要求（但符合《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规定》构造要求）者，我们称其为“非几何不可变杆系结构”。扣件式和碗扣式脚手架的常用构架都属于后者。5、脚手架结构的设计方法和一般设计式一些西方主要国家的脚手架仍采用容许应力法进行设计，我国的工程结构设计由于都已采用以概率理论为基础的极限状态设计法（简称“概率极限状态设计法”），因此《统一规定》确定我国的建筑脚手架结构亦采用概率极限状态设计法，并同时要求其设计效果应符合我国的历史使用经验，即若同时按“单一系数设计法”进行复核时，其安全系数K应达到以下要求：强度计算的K≥1.5；稳定计算的K≥2.0。为了达到这一要求，引入了材料强度附加分项系数γ,m，对其抗力值进行调整。《统一规定》确定的一般设计式为：（1）对于受弯构件：

fKw

fw不组合风载：1.2SGK+1.4SQK≤—————=————

(1)

0.9γ,mγR

0.9γ,m

fKw

fw组合风载：1.2SGK+1.4×0.85(SQK+SWK)≤—————=————(2)

0.9γ,mγR

0.9γ,m（2）对于轴心受压构件

φAfK

φAf不组合风载：1.2SGK+1.4SQK≤—————=————

(3)

0.9γ,mγR

0.9γ,m

φAfK

φAf组合风载：1.2SGK+1.4×0.85(SQK+SWK)≤—————=————(4)

0.9γ,mγR

0.9γ,m取γ,R=0.9γ,m，称γ,R为“抗力调整系数”。0.9为临时结构的γ0（结构重要性系数）的取值。6、γ,m计算式的建立当按“单一系数法”计算脚手架结构时，其设计表达式为：（1）对于受弯构件：

fKw

不组合风载：S,GK+S,QK≤————

(5)

K1

fKw组合风载：S,GK+0.9(S,QK+S,WK)≤————

(6)

K1（2）对于轴心受压构件

φAf,K

不组合风载：S,GK+S,QK≤————

(7)

K2

φAf,K组合风载：S,GK+0.9(S,QK+S,WK)≤————

(8)

K2假定新老标准使用的荷载作用和抗力的标准值均相同（即SGK=S,GK，SQK=S,QK，SWK=S,WK和fK=f,K）、且认为新老标准的可靠度一致，并取

K1=1.5,K2=2.0和γR=1.165时，则通过对（1）式和（5）式、（2）式和（6）式、（3）式和（7）式与（4）式和（8）式的比较，即可得到γ,m的计算式为：（1）对于受弯构件：

1+η不组合风载：γ,m=1.19————

(9)

1+1.17η

1+0.9(η+λ)组合风载：γ,m=1.19———————

(10)

1+η+λ（2）对于轴心受压构件

1+η不组合风载：γ,m=1.59————

(11)

1+1.17η

1+0.9(η+λ)组合风载：γ,m=1.59———————

(12)

1+η+λ

SQK

SWK

式中：η=———,λ=———

SGK

SGK

由于γ,m计算式中的比值（分数部分）小于1.0，因此，对于受弯构件γ,m≤1.9，对于轴心受压杆件γ,m≤1.59。且γ,m随比值η、λ的增大而降低。7、将0.9γ,m对f的调整转为对φ调整的问题为了简化计算，《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规定》将γ,m对f的调整转为对轴心受压杆件稳定系数φ的调整，即调整脚手架结构的计算长度ι0，并取：ι0=Kμh

(13)式中K为计算长度附加系数，其值取1.155。K值按K对ι0，也即φ的调整效果大体上与0.9γ,m对f的调整效果相当确定，K=1.155大致相当于0.9γ,m=1.333的效果。因γ,m为变值，而K则为定值，因此，其调整效果就产生了一定的误差：K的取值受h值的影响明显，当h≤0.9，μh=1.35~1.62时，K=1.285~1.211，平均K=1.243；当0.9＜h≤1.2，μh=1.80~2.04时，K=1.193~1.178，平均K=1.185；当1.2＜h≤1.5，μh=2.25~2.55时，K=1.169~1.166，平均K=1.167；当1.5＜h≤2.1，μh=2.7~3.36时，K=1.166~1.160，平均K=1.163。则上述K=1.155的取值大体上适用于当1.5＜h≤2.9的情况，且取值稍偏低，当h＜1.5m时，其调整效果将达不到K≥2.0的要求。因此，仅就这一转换误差而言，将K按h的区段取值，就可以显著减少这一误差。但转为对φ调整时会产生另一项误差，即φ不调整风载作用的误差。当风载作用较大时，其安全系数K的值会降至1.8以下，降幅较大，是不安全的。8、脚手架整体和单肢稳定系数φ值的确定方法扣件式和碗扣式钢管脚手架的整体稳定系数φ的值采用试验法确定，单肢稳定系数φ可采取分析修正法确定。（1）试验法：该法的要点为：进行1:1双排实架试验，将各种影响脚手架承载能力的因素（构架尺寸、剪刀撑和连墙件设置、节点紧固程度和荷载作用偏心等）都考虑到试验项目中，并将试验架段就视为一轴心受压杆件，则得相应条件下出现整体失稳破坏时的临界荷载Pcr，由Pcr=φ0Afy计算出φ0，并将φ0就视为长度为步距h的立杆段的受压稳定系数，从薄钢规范的φ值表中查出相应的长细比λ0，即可

μ0h由λ0=———得到μ0。鉴于试验条件与脚手架的实际工作情况存在一定差异，

i结合实际实用经验加以适当修正后，就作为整体稳定系数μ的取值。《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规定》表给出的μ值就是这样确定的。虽然转为对立杆计算，但却是整体稳定系数。适用于双排架，但并不适用于满堂架和单肢立杆稳定性的计算。后者所用的μ值，则应使用“分析修正法”定出。（2）分析修正法该法的要点为：由双排扣件架试验得到其μ值变化在1.50～1.80之间，这相当于轴心受压杆件处于一端固定、一端自由（μ=2.0）和两端铰支（μ=1.0）之间的状态。因此，我们可以将脚手架的立杆视为钢结构的有侧移框架柱，按普钢规范的规定，计算出长度为步距h的立杆段AB两端的约束（条件）系数K1和K2，即可从相应的表中查得立杆按有侧移框架柱确定的μ’值。当对前述试验架也作此理论分析时，由于脚手架的构造和工作条件与有侧移框架柱存在差异，因此μ’≠μ。为此引入分别考虑连墙杆（件）设置情况和脚手架纵向杆件约束作用的修正系数m1和m2（表2），并取μ=m1m2μ’。其中m2为h/ιa为任意值时的

μ’x与h/ιa=1.2时的μ’1.2的比值，即m2=μ’x/μ’1.2，m1=μ/m2μ’。这样，就用试验结果修正了理论分析值，使其可适应于脚手架的工作情况。用于“其它步架”计算的m1和m2值表2项目适用条件修正系数值，当h/l为

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

m1

连墙

2步3跨

1.642

1.509

1.372

1.244

1.162

1.141

1.118

1.113

1.110

3步3跨

1.912

1.752

1.577

1.410

1.313

1.284

1.260

1.253

1.250

m2

一侧横杆

1.138

1.086

1.037

1.000

0.965

0.930

0.894

0.861

0.850

两侧横杆

1.102

1.065

1.025

1.000

0.975

0.950

0.925

0.901

0.893

杆端约束系数K1、K2分别为AB杆两端各向横杆线刚度之和∑iA横（或∑iB横）与立杆线刚度iAB+iA上（或iB下）的比值，即：∑iA横

∑iB横K1=—————;

K2=—————

(14)iA上+iAB

iAB+iB下EI线刚度i=———

(15)ι使用这一方法，可以分析出AB杆处于首步架（B端之下无立杆段）和其他步架以及处于角部（角立杆、2个方向有横杆约束）、边部（边立杆、三个方向有横杆约束）和中部（中立杆、四个方向有横杆约束）时的μ值。可用于满堂架和单肢立杆的计算。9、碗扣架μ值的确定碗扣式钢管脚手架没有做过系统的测定其稳定系数μ值的试验，但从一些具有一定可比性的承载试验成果的分析中，可以确定其承载能力比相应的扣件式架高出20%以上。为安全起见，我们取碗扣架整体失稳临界荷载N’E与扣件架临界荷载NE的比值为1.15。

π2EANE按欧拉公式计算：NE=————

(16)

λ2

N’E

π2EA

π2EA

λ2

μ2则——=————/————=———=———=1.15

NE

λ’2

λ2

λ’2

μ’2

1由此得到μ’=————μ=0.9325μ

(17)

1.15

即碗扣架的μ’取0.9325扣件架的μ，这是安全的。以后有条件时，应组织进行专门试验。10、模板支架计算规定的存在问题2000年10月发生了南京电视台新演播大厅屋盖支撑坍塌的重大伤亡事故后，引起了对模板支撑架设计安全问题的重视。《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规定》虽有“模板支架计算”一节，但由于所给的计算规定存在重要疏漏，可能导致并不安全的结果。其存在问题除前述对0.9γ,m调整的转换误差外，还有它给出的计算长度ι’0=h+2a这一式子。这一式子出自英国标准《脚手架实施规范》（BS5975：1982）第46.2条。但英国标准与我国的相应规定是不同的：（1）英国标准采用容许应力法设计、安全系数取2；（2）英国标准规定的实用最大搭设高度Hmax=[H]/1+0.005[H]，[H]为计算高度；（3）英国标准对构架的要求比我国严格，其给出的支架图示表明，其斜格设置占框格总数的一半，即采用“几何不可变”杆系结构构架，取立杆的计算长度系数μ=1.0；（4）在支架顶部有立杆的伸出段时，伸出段a按悬臂考虑（悬臂杆的μ=2.0），取ι’0=h+2a，既加大了ι0的取值，以确保安全，也限制了立杆伸出长度的任意扩大。此式并无理论上的含义。我国的规定已如前述，取ι’0=Kμh(当1.5m<h≤2.1m，取K=1.155时，可基本达到K≥2.0的要求)。当两式所计算的支架的构造、约束条件和抗失稳能力相同时，则有以下关系：h+2a=Kμh

h则有a=——（Kμ-1）（18）2分析式（18），可以看出：当ι’0≥ι0时，则其K≥2.0，是安全的；ι’0〈ι0时，则其K〈2.0，则安全度是不够。当将Kμ=1.155（1.5～1.8）=1.733～2.079代入（18）式时，要使K≥2.0，就必须使a≥(0.367～0.54)h，即当h=1.8m时，需让a〉0.97m，而这又恰与限制a的要求违背。因此，未加分析地套用英国的这一规定是不适当的。11、扣件式钢管梁板模板高支撑架的计算我们将架设高度≥4m的梁板模板支架称为“高支撑架”，这是一类多次发生惨重事故、因此在设计计算中应加强安全保证的支架。考虑到《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规定》前述的存在问题，从以下两个方面加以适当的调整，以确保其工作安全：（1）按两类构架结构支架分别给出ι0的计算式；（2）增加搭设高度调整系数。对于“几何不变杆系结构”支架，取：ι0=K1K2（h+2a）且a≤0.5（μ’－1）h

（19）对于“非几何不可变杆系数结构”支架，取：ι0=K1K2μ’hμ’=m1m2μ1

（20）以上式中：K1——按0.9γ,m相应确定的调整系数，按表3采用；

K2——考虑搭设高度的调整系数，按表4采用。其中K‘H按下模板支架立杆计算长度附加系数K1

表3步距h(m)

h≤0.9

0.9<h≤1.2

1.2<h≤1.5

1.5<h≤2.1

K1

1.243

1.185

1.167

1.163

模板支架立杆计算长度附加系数K2

表4h+2a或μ’h（m）

k2，当H0（m）和kH，为下值时

4

6

8

10

12

14

16

18

20

25

30

35

40

1.0

0.99

0.98

0.971

0.962

0.952

0.943

0.935

0.926

0.905

0.885

0.866

0.847

1.35

1.0

1.014

1.026

1.039

1.042

1.054

1.061

1.081

1.092

1.113

1.137

1.155

1.173

1.44

1.012

1.022

1.031

1.039

1.047

1.056

1.064

1.072

1.092

1.111

1.129

1.149

1.53

1.015

1.024

1.031

1.039

1.047

1.055

1.062

1.079

1.097

1.114

1.132

1.62

1.014

1.021

1.029

1.036

1.043

1.051

1.056

1.074

1.090

1.106

1.123

1.80

1.020

1.026

1.033

1.040

1.046

1.052

1.067

1.081

1.096

1.111

1.92

1.012

1.018

1.024

1.030

1.035

1.042

1.048

1.062

1.076

1.090

1.104

2.04

1.021

1.029

1.035

1.039

1.044

1.060

1.073

1.087

1.101

2.25～2.55

1.010

1.016

1.020

1.027

1.032

1.037

1.042

1.057

1.070

1.081

1.094