浅谈高型脚手架的几何不变条件

浅谈高型脚手架的几何不变条件

近年来，非钢框架的安全使用一直是一个受关注的问题。2003年，在国务院的领导下，建设部、国家质量监督和监督管理总局联合发布了《关于建筑工具和货物扣件特殊处理的通知》。强调了拱的质量问题，并提出了具体的处理要求。然而，对于技术人员来说，除了结构材料的质量外，工艺技术问题实际上存在很多缺点和不足。分析如下。(1）对脚手架整体结构的构成缺乏深入具体的分析，仍然以杉篙脚手架的笼统构成方法（如十字盖斜杆结构）来保证结构的整体稳定。此时，杆系的整体结构并不明确横立杆的交叉点是“铰”，也不明确斜杆必须通过该交叉点，因而无法分析整个结构的几何不变条件。(2）脚手架结构计算缺乏结构计算简图，我国脚手架结构计算手册乃至规范都没有绘制结构计算简图。这样就不能科学分析结构是否是几何不变的，更不能正确确定立杆的计算长度，因而就失去了正确判断和计算结构安全的基础。(3）脚手架的结构试验是确定脚手架计算方法的重要验证手段。通常对所施加荷载的结构体试验前给予理论上的假设（也就是绘制出结构计算简图），然后将荷载试验结果与所作理论假设结果对照，分析二者的异同来修正理论计算的谬误之处，但扣件式脚手架结构试验就没有明确的计算简图。试验只知道影响脚手架承载力的因素主要是立杆纵横向间距、水平杆步距、拉墙件等，但没有估计到斜杆设置方法的影响，因而其结构构造是一个模糊的结构概念。最后所得到的试验结果也是一个综合的模糊的结果，不可能将各个影响因素分离出来。针对以上脚手架安全使用上的不足因素，在制定碗扣架安全使用规则时，首先对脚手架整体搭设的规则给予严格的规定。将整体结构的几何不变性放到首位，强调横立杆组成的网格式结构中斜杆配置的重要性，对碗扣架斜杆除原有的专用斜杆（两端带旋转插头）之外，再加一种与上下横杆销接的十字撑构件。对于在碗扣架结构体系中较为薄弱的无拉墙件立杆问题，采用了在拉墙件标高处增加水平斜杆的措施，使水平横杆与之构成水平桁架，保证了无连墙件立杆的支撑点，通过以上各项措施可保证架体的几何不变性。1斜杆的增加碗扣架以主要构件横、立杆构成十字交叉的网格形结构，如果视横杆与立杆交叉处为“铰”，则整个网格形成平行四边形体系。平行四边形构成的杆系结构是一种可变结构，这种可变结构体系既不可能承受荷载又不能进行计算。如果想消除其可变性，就需要在节点间增加斜杆使平行四边形变为三角形体系。由此可见斜杆在脚手架中的重要性。对网格式结构的几何分析可以得到几何不变性的基本条件（图1）:(1)每层(步)有一根斜杆；(2）每层有一侧向支撑点。若该杆系的斜杆或侧向支杆多于一根，则该体系将成为超静定结构。碗扣架构成的架体基本上可分为两种情况：一种是双排外脚手架，其架体由两排立杆靠近建筑物搭设，其侧向必须依靠连墙件与建筑物拉接，形成x、y两个轴向结构不同的形式；而另一种以模板支撑架为代表的沿x、y两个方向都形成沿轴线的网格式结构。此二种结构形式中前者较为复杂，其原因是双排外脚手架极度依赖连墙件来维持侧向稳定，而连墙件的设置不能按设计者的主观意志来确定。其次是双排立杆间的廊道是施工人员的操作平台和通道，因而设置斜杆受到限制，因而两种架体的解决方法并不相同。2双侧统一分角设置(1)模板支撑架的斜杆通常采用覫48×3.5钢管与旋转扣件制作。当高度不大,长度较长时采用八字斜撑(图2);当高度较大,长度较短时采用双侧八字撑或多层八字撑(图3)来解决。摆脱传统的十字盖斜撑,目的是消除斜杆在交叉处的重叠,保证每一个斜杆扣件与横、立杆连接牢固。此外,此种设置保证了每层有两根斜杆，使几何不变性更为稳固。(2）两端通高十字撑设置（图4）。对于立杆密度较大时的桥梁支架，为便于操作可采用两端通高十字撑的办法。(3）当横杆端部有建筑结构墙或柱可支撑时，亦可增加侧向支撑点，达到几何不变的条件。3双排外脚手架立杆的确定双排脚手架在x、y两个方向的结构是不同的，其大面或纵轴方向仍然是一个网格结构（图5），但其横断面方向则由双立杆与拉墙件组成。在纵轴方向可按模板支撑架设置八字撑，满足几何不变条件；亦可采用两端设通高斜杆来解决。这是因为大面外侧碗扣有插头位置，可插入专用斜杆之故。在横截面（y轴）方向情况较为复杂，其影响因素有：拉墙件既是保证架体侧向不致倾覆的主要构件，而且拉墙件也是立杆在y方向立杆轴心受压计算长度的主要因素（当廊道不设斜杆时），由图5可看出，立杆的稳定计算长度恰恰就是拉墙件之间的垂直距离。拉墙件之间的横杆只能视为内外立杆之间的连系杆，而不能视为整体结构的结构杆。根据覫48×3.5钢管截面特征值可知，当计算长度为4m时，其长细比λ=253，超过了轴心受压构件稳定系数表的最大值250，因而成为不可计算的。由此也可做为廊道不设斜杆的限值。也就是说，当连墙件竖向间距超过4m时，廊道必须设置斜杆。除上述问题外,双排外脚手架还有一个无连墙件立杆问题。由于连墙件的设置在水平方向是间隔设置的(图6),因而在两相邻连墙件之间的立杆成为无连墙件立杆,也就是图5中的剖面只代表有连墙件的结构计算简图。这一状况对碗扣架来说比扣件式脚手架更为严重,因为后者在连墙件之间为一通长杆时具有一定刚度,可以某种程度给无连墙件立杆起到支撑作用,但是碗扣架的横杆是分段的，不能起到这种作用。解决这一问题的可靠办法是在小横杆间增加“水平斜杆”，使内外横杆与之构成桁架，形成中间立杆的支撑点。4试验结果与理论分析的对比碗扣式脚手架在其研发及推广过程中作了两个重要的荷载试验，一项为井字架试验，另一项是双排脚手架的试验，现将试验结果及相应的理论分析进行对比。4.1铰接条件分析所试验的结构是以4根立杆搭设成井架。上端为一加载框架将荷载均匀加在4根立杆上，加载框架中心为一加载钢丝绳。钢丝绳通过滑轮转向为水平，由一液压千斤顶加压（图7）。根据节点铰接的条件，试验不同立杆计算长度时的承载力值以及四面有斜杆与两面有斜杆时之差别。荷载试验结果见表1。从表1可看出：(1)1,2,4方案不能保证两个方向的几何不变，因而其极限承载力都低于保证几何不变条件的四侧斜杆方案；(2)3,5方案可保证几何不变条件，但3方案的斜杆连接未能到位，因而大大低于第5方案，由此也可知斜杆在结构中的重要性；(3）由第5方案可知，立杆计算长度为1.8m时，其单肢承载力可超过87.75kN，而其设计单肢承载力为49.02kN，说明铰接理论计算是足够安全的。4.2结构试验简图双排脚手架的试验完全按照铰接结构几何不变条件，每层有一根斜杆试验的，其结构试验简图如图8所示。选择了两种拉墙件间距：一为1.8m，另一为3.6m。试验结果见表2。从以上试验结果看，理论值使用也是偏于安全的。5碗扣架的改良剂对脚手架的影响(1）碗扣架在增加了十字撑、水平斜杆等配件后，是完全可以保证脚手架整体的几何不变性的。(2）原来以做模板支撑架为主的碗扣架，在适当改进的条件下，可顺利搭设高达50～100m的高