立杆间距对满堂扣件式钢管脚手架承载力的影响①

赵雪会, 何夕平

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)

0 引 言

伴随祖国经济的蓬勃发展，国内外建设规模逐渐扩大。脚手架作为浇筑模板支撑体系，不但要保证混凝土成型后的质量，同时也涉及到工程的安全性，因此，模板支撑体系的稳定性尤为重要，满堂扣件式钢管脚手架因其具有的施工灵活性强，可多次重复利用等优点在多种支撑体系中有其独特的优势[1]。但是，由于现场工作人员对影响脚手架承载力的因素了解不全，导致其坍塌的事故时有发生。这种事故会给工程带来巨大的损失。因此，对满堂扣件式钢管脚手架稳定性的研究十分有必要，可以为以后类似的脚手架搭设建立一个合理安全的模型，减少安全事故的发生。根据规范可知，组成脚手架的相关构件都可以成为影响脚手架稳定性的因素[2]。孙逸夫，陈燕等人研究了在不同步距和有无剪刀撑的情况下各杆件的受力性能，结论得出脚手架步距的减少可以明显地增强脚手架内部立杆的承载能力；剪刀撑也可以提高脚手架结构的稳定性[3]。施小明，王娟玲通过规范对长度附加系数，立杆长度计算公式的规定进行间距、步距等对长度计算的研究，为规范的修订提供参考[4]。胡秀俊等人研究了设置扫地杆可以增大模板支架的整体刚度，可以规避地基因局部弯曲而影响整个架体模板的稳定性[5]。借鉴其他学者的研究方法，分析了在步距一定的情况下，立杆间距在1.6m-0.6m之间变化时对架体稳定性的影响，分析结论可供实际工程参考。

1 理论受力分析

满堂扣件式钢管脚手架是由扣件，水平杆，剪刀撑，底座，扫地杆等构成的承力支架，顶部施工层的荷载通过水平杆传递给立杆且立杆呈偏心受压状态[6]。垂直于底面的杆件主要承受竖向荷载，与地面平行的杆件是作为立杆的水平支撑杆件，分担脚手架由上部传递的荷载。竖向剪刀撑，它能有效地减少结构的侧移度，较好地抵抗风荷载的作用[7]。虽然影响脚手架稳定性的因素有很多，但是只分析了立杆间距的不同带来的影响。忽略其他的外部因素，当步距一定时，立杆间距的减小将会使架体的承载力提高。根据规范[2]可知：在考虑风荷载的情况下，依据公式来N=1.2(NG1k+NG2k)+0.9×1.4∑NQk计算脚手架的承载力。NG1k为脚手架结构自重产生的轴向力标准值；NG2k为构配件自重产生的轴向力标准值为NQk为施工荷载产生的轴向力标准值总和，内、外立杆各按一纵距内施工荷载总和的1/2取值即可。承载力计算结果见表1:

表1 脚手架的承载力计算表(kN)

由表1可知：当步距在1.5m保持不变时，立杆的间距从1.6m×1.6m减少到1.2m×1.2m时，扣件式钢管脚手架的承载能力提高14.39%；间距从1.2m×1.2m降低到0.6m×0.6m,架体的承载力提高了27.78%。这表明了间距的减少可以提高架体的承载力，减少的幅度越大，提高的越多，两者之间类似于一种反比的关系。其关系曲线如图1所示：

2 创建脚手架分析模型

2.1 模型概况

研究模型为5×5跨的架体模型，通过模型研究它的主位移、X方向的位移和主应力的变化情况。扫地杆的离地高度设为0.03m，步距定为1.5m，立杆间距在1.6m×1.6m—0.6m×0.6m之间变化，脚手架的总体高度为7.53m。竖向剪刀撑布置2根。

2.2 模型建立

利用ANSYS软件模拟的方式来研究立杆间距的不同对脚手架承载力的影响。脚手架钢管单元选用BEAM189，材料选用Q345，弹性模量E为206GPa，泊松比为0.3，材料质量密度为7850Kg/m3，材料的屈服强度为345MPa；钢管的截面尺寸为Ф48mm×3.6mm；扣件选用对接扣件，材料为铸铁构件，属于脆性材料，弹性模量E取为104GPa，泊松比为0.26；螺栓假定为理想弹塑性材料，各向同性，取屈服前的弹性模量E为210GPa，泊松比为0.3，屈服强度为650MPa；利用弹簧单元Combine14来实现半刚性结点的性质[6]。依据立杆间距的不同，分为6种情况，见表2：

表2 ANSYS模型分类

以下是脚手架两种情况下三维模型图和正立面图：

2.3 模型分析

分别对这6种情况进行静力分析，通过软件分析，得到脚手架在不同立杆间距下架体的总位移、X方向的位移和主应力的变化情况。模拟的荷载主要是脚手架的立杆在顶端处受到的集中荷载作用。得到的结果如下图所示：

图1 脚手架承载力与立杆间距变化关系曲线

图2 1.6m×1.6m三维模型

图3 1.6m×1.6m正立面图

图4 0.6m×0.6m三维模型

图6 1.6m×1.6m总位移云图

图7 1.6m×1.6m UX云图

将总位移云图绘制成曲线图，可以更直观地显示出位移与立杆间距之间的关系：

由上述的曲线图可知：随着立杆间距的不断增大，扣件式钢管脚手架的位移也在不断地增大，这样对结构的稳定性是非常不利的。当间距从1.6m减少到1.2m时，架体的总位移降低了18.9%，X方向的位移降低了18.7%；当间距减少到0.6m时，总位移降低了47.9%，X方向的位移降低了46.7%。这表明当结构的立杆间距过大时，结构的稳定性较差，不能保障施工人员的安全问题。

对建立的模型逐级施加荷载后，对应的主应力图如下所示：

图8 1.2m×1.2m总位移云图

图9 1.2m×1.2m UX云图

图10 0.6m×0.6m总位移云图

由图16可知：随立杆间距的减少，架体的主应力也随之减小，但降低的幅度偏小。当间距从1.6m减少到1.2m时，主应力下降了11.38%；当间距减少到0.6m时，主应力下降了19.16%。

图11 0.6m×0.6m UX云图

图12 立杆间距与总位移的关系曲线

图13 1.6m×1.6m主应力云图

3 结 论

通过以上对脚手架承载力，位移，主应力与立杆间距关系的分析，得出如下的结论：

(1)通过ANSYS模型分析可以得出：立杆间距的减小，有利于减小架体整体的位移；但是距离的减小也会导致其主应力相应地减少，所以一个合理的间距布置在工程中是非常重要的；

图14 1.2m×1.2m主应力云图

图15 0.6m×0.6m主应力云图

图16 立杆间距与主应力之间的关系曲线

(2)由最初的理论分析知：间距的减少对脚手架的承载力是有利的，但在实际的工程中，间距布置的太小必然会造成施工成本的增加，同时增强了工人的劳动强度，间距太小不利于工人的施工操作；

综合以上分析可知：当立杆间距布置在1.2m×1.2m～1.6m×1.6m范围内时，满堂扣件式钢管脚手架的整体稳定性相对来说是比较好的。

[1] 陆征然. 扣件式钢管满堂支承体系理论分析与试验研究[D]. 天津:天津大学建筑工程学院,2010.

[2] 中华人民共和国建设部.建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范:JGJ130-2011[S]. 中国建筑工业出版社,2011.

[3] 孙逸夫,陈燕,梁义,等.步距和斜撑对满堂扣件式钢管脚手架承载力影响的试验研究.安徽建筑大学学报.2016.04(24):36-41.

[4] 施小明,王娟玲.满堂扣件式钢管支撑架立杆计算长度的探究.建筑安全.2016.(04):48-50.

[5] 胡秀俊,李洋.满堂扣件式钢管脚手架扫地杆对架体承载力影响分析.河南城建学院学报.2016.05(25):29-34.

[6] 陆征然,陈志华,王小盾,等.扣件式钢管满堂支撑体系稳定性的有限元分析及试验研究[J].土木工程学报,2012(01):49-60.

[7] 崔建华,计海洋,梁以.满堂扣件式钢管脚手架应力传递规律试验研究[J].安徽建筑大学学报,2014,22(06):14-20.