脚手架类型及受力分析

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摘要：脚手架是施工过程中不可缺少的临时设施，施工中为确保安全，一定要做好脚手架的设计验算工作，验算过程包括：荷载计算；纵向水平杆、横向水平杆的强度、刚度验算；连接扣件抗滑承载力验算；立杆稳定性验算；连墙件验算，立杆地基承载力验算。

关键词： 脚手架 荷载传递受力 验算

脚手架是建筑施工中不可缺少的临时设施。它是为解决在建筑物高部位施工而专门搭设的，用作操作平台、施工作业和运输通道、并能临时堆放施工用材料和机具。因此，脚手架在砌筑工程、混凝土工程、装修工程中有着广泛的应用。常用脚手架类型为扣件式钢管脚手架、碗口式钢管脚手架，门式钢管脚手架，附着升降式脚手架。

脚手架的设计验算过程比较繁琐，在此我将用一扣件式脚手架的设计验算过程为一实例，和各位同仁进行探讨，实例信息如下图：

作用于脚手架上的荷载分为永久荷载（恒荷载）和可变荷载（活荷载）。脚手架的恒荷载一般包括①组成脚手架结构的杆系自重②配件重量，包括脚手板、栏杆、挡脚板、安全网等防护设施及及附加构件的自重脚手架的活荷载一般包括：①脚手架的施工荷载即脚手架作业层上的操作人员，器具及材料等的自重②风荷载

脚手架荷载传递路线分为竖向荷载传递路线与水平荷载传递路线。

竖向荷载：脚手板纵向水平杆横向水平杆纵向水平杆与立杆连接的扣件立杆垫板地基。

水平荷载：立杆立杆与连墙件的扣件连墙件墙体。

在方案编制过程中包括受力验算，受力验算步骤为：分析脚手架荷载传递路线 横向水平杆（大、小横杆）的强度、刚度验算

连接扣件抗滑承载力验算 立杆稳定性验算 连墙件验算

立杆地基承载力验算

1、横向、纵向水平杆的强度、刚度验算

参数准备，计算恒荷载：

施工均布活荷载标准值

类型 荷载标准值（KN/）

装修脚手架 2

结构脚手架 3

验算过程中要根据脚手架施工方案确定的施工作业层数来确定立杆验算时施工均布活荷载标准值。

栏杆、挡脚板自重标准值

类型 荷载标准值（KN/）

栏杆、冲压钢脚手板挡板 0.11

栏杆、竹串片脚手板挡板 0.14

栏杆、木脚手板挡板 0.14

脚手板自重标准值

类型 荷载标准值（KN/）

冲压钢脚手板 0.3

竹串片脚手板 0.35

木脚手板 0.35

每米钢管（φ48x3.5）脚手架的自重标准值为：0.038KN/M,

1.1纵向大横杆强度、刚度验算

按照《扣件式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ130-2001)第5.2.4条规定，大横杆按照三跨连续梁进行强度和挠度计算，大横杆在小横杆的上面。将大横杆上面的脚手板自重、大横杆自重和施工活荷载作为均布荷载计算大横杆的最大弯矩和变形。(分析脚手架搭设施工图，此处的栏杆、脚手板挡板自重不作为荷载计入)计算过程中查《建筑结构静力计算手册》，按照最不利荷载布置情况，查找相应荷载计算公式及参数。最终进行荷载组合，算出最大弯矩和最大挠度。

大横杆按照三跨连续梁的荷载组合示意图为：

图1 大横杆设计荷载组合简图(跨中最大弯矩和跨中最大挠度)

图2 大横杆设计荷载组合简图(支座最大弯矩)

其验算大横杆强度时：q1为均布恒荷载设计值；q2为活荷载设计值

跨中最大弯矩按照图1组合：M1max=0.08q1l2+0.01q2l2

支座最大弯矩按照图2组合：M2max=-0.01q1l2-0.117q2l2

q1=1.2×（p1+p2×la/n+1）（p1大横杆自重标准值；p2脚手板自重标准值；la 为横向间距或排距；n取值为立杆间铺设脚手板部位大横杆根数）

q2=q标 ×la/n

进行结果比对，取跨中弯矩和支座弯矩的较大值进行强度验算：

最大应力计算值 σ = M / W＜Q235钢材的抗压、抗拉、抗弯强度设计值205KN/mm2

其验算大横杆刚度（挠度）时，q1 为均布荷载标准值q2 为活荷载标准值。

计算跨中最大挠度按图1组合：

Vmax=0.677q1l4/100EI+0.990q2l4/100EI

计算出的挠度值必须小于构件的挠度容许值（l为受弯构件跨度,此处为lb立杆纵距）

构件类型 允许挠度

脚手板、纵向、横向水平杆 l/150，10mm

悬挑受弯构件 l/400

1.2横向小横杆强度、刚度验算

按照《扣件式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ130-2001）第5.2.4条规定，小横杆按照简支梁进行强度和挠度计算，大横杆在小横杆的上面。用大横杆支座的最大反力计算值作为小横杆集中荷载，在最不利荷载布置下计算小横杆的最大弯矩和变形

最大弯矩考虑为小横杆自重均布荷载与大横杆传递荷载的标准值最不利分配的弯矩和，其中q为小横杆自重设计值：1.2*0.038KN/m。p为集中荷载设计值（含大横杆、脚手板、活荷载）

均布荷载最大弯矩计算公式如下:Mqmax=ql2/8

集中荷载最大弯矩计算公式如下:Mpmax=pl/3

集中荷载设计值：p=1.2×（p1+p2）+1.4×Q

大横杆的自重标准值：p1= P’×lb

脚手板的自重标准值：p2= P’’× lb×la /n（n取值为立杆间铺设脚手板部位大横杆根数加1）

活荷载标准值：Q=Pq × lb×la /n（Pq为均布活荷载标准值）

最大弯矩 M= Mqmax + Mpmax

最大挠度考虑为小横杆自重均布荷载与大横杆传递荷载的设计值最不利分配的挠度和，

小横杆自重均布荷载引起的最大挠度计算公式如下:

Vqmax=5ql4/384EI

集中荷载标准值最不利分配引起的最大挠度计算公式如下:

Vpmax=pl（3l2-4l2/9）/72EI

最大挠度和 V = Vqmax + Vpmax

2、扣件抗滑力验算

纵向或横向水平杆与立杆连接时，扣件的抗滑承载力按照下式计算(规范5.2.5):

R ≤ Rc

其中 Rc -- 扣件抗滑承载力设计值（查规范扣件底座承载力设计值表）

项目 承载力设计值(KN)

对接扣件（抗滑） 3.2

直角扣件，旋转扣件（抗滑） 8

底座（抗压） 40

R -- 纵向或横向水平杆传给立杆的竖向作用力设计值；

R=1.2×( P1+ P2)+1.4×* Q

P1=P’×La（P’为小横杆自重标准值，La为脚手架横距）

P2=P’’× lb×la /2（P’’为脚手板自重标准值， lb为脚手架纵距）

Q=Pq × lb×la /2（Pq为均布活荷载标准值）

3、脚手架立杆稳定性验算

作用于脚手架的荷载包括静荷载、活荷载和风荷载

静荷载标准值包括如下内容：

（1）每米立杆承受的结构自重标准值（查规范附录1表A-1）

NG1=gk×H(gk为Ф8×3.5钢管脚手架每米立杆承受的结构自重标准值KN/m；H为脚手架的搭设高度)

（2）脚手板的自重标准值(kN/m2)

NG2= P’’ ×n×S(n为脚手板铺设层数；S为单根立杆承受的脚手板面积，S= lb×（la +a）/2a为内排架与墙距离)

(3)栏杆与挡脚手板自重标准值(kN/m)

NG3= P’’’ ×n×L(P’’’为挡板与挡脚板自重标准值；n为栏杆与挡脚板铺设层数；L为单根立杆承受挡板与挡脚板的长度L= lb/2)

(4)吊挂的安全设施荷载，包括安全网(kN/m2)

NG4= P’’’’ ×lb×H(P’’’’为吊挂的安全设施荷载标准值)

经计算得到，静荷载标准值

NG =NG1+NG2+NG3+NG4

活荷载为施工荷载标准值产生的轴向力总和，内、外立杆按一纵距内施工荷载总和的1/2取值。

NQ= Pq ×la×lb×n/2（n为脚手架同时作业层数）

风荷载标准值按照以下公式计算

其中Wo -- 基本风压(kN/m2)，按照《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)的规定采用

Uz -- 风荷载高度变化系数，按照《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)的规定采用

Us -- 风荷载体型系数

不考虑风荷载时,立杆的轴向压力设计值计算公式

N = 1.2 NG +1.4 NQ

考虑风荷载时,立杆的轴向压力设计值计算公式

N = 1.2 NG +0.85×1.4 NQ

风荷载设计值产生的立杆段弯矩 MW 为

Mw = 0.85 ×1.4WkLah2/10

不组合风荷载时，立杆的稳定性计算公式为：σ=N/φ A≤[f]

N:计算立杆段的轴心力设计值

φ：轴心受压立杆的稳定系数,由长细比 lo/i 的结果查表得到，当λ＞250时，φ =7320/λ2

λ：立杆长细比 ，λ= lo/i lo为计算长度，lo=kμh式中k为计算长度附加系数，其值取1.155，μ为考虑脚手架整体稳定因素的单杆计算长度系数，h为立杆步距.i为截面回转半径

A：立杆的截面面积查规范附录B表B

考虑风荷载时,立杆的稳定性计算公式

σ=N/φA+Mw/W≤[f]

4、连墙件验算

连墙件的轴向力设计值应按照下式计算：

Nl = Nlw + N0

风荷载产生的连墙件轴向力设计值(kN)，按照下式计算：

Nlw = 1.4×Wk×Aw

Wk：风荷载标准值

Aw：每个连墙件的覆盖面积内脚手架外侧的迎风面积 （Aw=n*la*n’*lb）

N0：连墙件约束脚手架平面外变形所产生的轴向力，单排架取3，双排架取5

连墙件轴向力设计值：Nr=φ A×[f]

其中 φ-- 轴心受压立杆的稳定系数,

l为内排架距离墙的长度,由长细比 l/i的结果查表得到φ

[f]为连墙件的抗压强度限制

如Nl ＜Nr 则满足要求。

如若连墙件采用双扣件与墙体连接。经过计算得到 Nl应小于双扣件的抗滑力 16.0 kN

5、立杆的地基承载力验算

立杆基础底面的平均压力应满足下式的要求：

P≤fg

P：立杆基础底面的平均压力，p=N/A

N：上部结构传至基础顶面的轴向力设计值

A：基础底面面积由设置的型钢垫板宽与作用长度确定。

地基承载力设计值fg =kc*fgk

kc ：脚手架地基承载力调整系数，对碎石土、砂土、回填土应取0.4；对粘土应取0.5； 对岩石、混凝土应取1.0

fgk ：地基承载力标准值，应按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》（GBJ7）附录五的规定采用。

参考文献：1、《建筑结构荷载规范》GB50009-2001中国建筑工业出版社

2、《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130-2001 中国建筑工业出版社；

3、《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002中国建筑工业出版社

4、《建筑结构静力计算手册》（第二版）中国建筑工业出版社

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