水电水利工程边坡扣件式脚手架设计研究及数值分析

(四川大学建筑与环境学院，成都，610065)

引言

水电站大坝工程通常位于深切峡谷地区，岸坡开挖形成大量高陡边坡，为给高空作业提供施工平台，大型扣件式脚手架被频繁使用。脚手架工程作为高边坡开挖支护施工中常用且重要的临时设施，其安全问题一直是脚手架设计和施工的重难点[1-3]。

本文通过参考相关规范和利用有限元软件两种方式对脚手架体系进行荷载计算和静力分析，得到各主要工况下脚手架体系各构件及连墙件的内力及变形。这两种静力分析方法概念明确、操作简单，对于掌握各种荷载作用下脚手架组成构件和关键节点的应力应变、连墙件的应力应变以及脚手架体系安全性具有重要意义，且同时采用两种方法也便于进行对比分析，充分保证计算结果的可靠性。

1 脚手架参数

结合工程实践和施工规范，脚手架设计采用双排扣件式钢管脚手架，立杆纵距La=1.5m，立杆横距Lb=1.5m，横杆间距s=1.5m，作业层0.5m，横杆步距h=1.8m。钢管采用Q235-A级钢，尺寸为φ48×3.5，其材质符合现行国家标准《碳素结构钢》GB/T 700-2006的规定，如表1所示。

表1 Q235-A级钢管强度及截面几何特性

屈服强度(MPa)截面积(cm2)惯性矩(cm4)截面模量(cm3)回转半径(cm)每米长质量(kg·m)每米重量(kN·m)2354.8912.195.081.593.840.0384

脚手架地面设置纵、横向扫地杆，扫地杆离地面0.3m，并布置必要的斜撑、剪刀撑进行加固。连墙件采用φ25mm螺纹钢筋，按照2步3跨进行布置，钢筋入岩角度a为水平下倾45°，入岩深度La=0.8m，节点域到锚固点之间的距离Lb=0.25m，外套一根短架并灌注M25水泥砂浆进行锚固，短架管与小横杆采用扣件连接，斜向下搭接一根短架管，与小横杆立杆均采用扣件连接，连墙件设置如图1所示。

1-立杆；2-横向水平杆；3-直角扣件；4-旋转扣件；

2 脚手架设计计算

2.1 水平杆及立杆

限于篇幅，仅给出边坡脚手架水平杆及立杆计算结果，如表2所示。

表2 脚手架水平杆及立杆计算结果

2.2 连墙件

边坡支护施工过程中，由于锚杆钻孔产生的钻机设备和人员自重及钻机反作用力都会对连墙件产生影响，因此，考虑在风荷载、钻机及施工人员自重以及钻机反力的共同作用下，对连墙件进行计算分析，连墙件受力如图2所示。

图2 脚手架连墙件受力示意

单个连墙件施工荷载：

单个连墙件钻机自重荷载：

单个连墙件风荷载：

Fw=1.4×Wk×Aw=1.4×0.13×2×1.8×3×1.5=3kN

《岩土锚杆(索)技术规程》CECS 22-2005规定：锚杆的倾角应避开与水平向成-10°～10°；《土层锚杆设计与施工规范》CECS 22-90规定：倾斜锚杆的倾角不应小于12°且不得大于45°，以15°～35°为宜。因此，可假设钻孔角度β为25°。

连墙件轴向力：

Nl=Fc×cos(a-β)+Fw×cosa-Gc×sina

Nl=15×cos20°+2×cos45°-4.25×sin45°=13.2kN

根据《建筑边坡工程技术规范》GB 50330-2013，钢筋与锚固砂浆之间的粘结强度设计值可取2.1kPa，连墙件抗拔力：

单个连墙件轴向力满足岩体内插筋锚固要求。

3 脚手架模拟计算

脚手架钢结构架体部分的自重由程序自动计算，但是考虑到扣件、钢绞线、钢丝绳卡等的重量，通过对一个步距及跨度范围内的脚手架单元进行重量计算，可对脚手架整体结构取1.15倍的自重放大系数。其余恒荷载及活荷载参照规范理论计算结果取值。

目前国内对于扣件节点半刚性连接的研究虽然已经取得部分成果[4-7]，但总的来说还不够完善，尚未形成完整成熟的理论体系，按照有限元方法对脚手架进行的分析在一定数量上仍然是按照假定脚手架节点连接属性为刚性连接而进行的[8]。本文已经采用规范法对脚手架体系进行了计算，且计算结果偏于安全，为了简化计算同时方便快速建模，脚手架节点采用midas gen默认的刚性连接属性，计算结果如图3-图6所示。

图3 标准组合作用下Z向位移(mm)

图4 基本组合作用下弯矩(kN·m)

图5 基本组合作用下剪力(kN)

图6 基本组合作用下应力(MPa)

从图中可以看出，水平杆件在永久和可变荷载标准值作用下产生的最大挠度值为1.85mm，而水平杆的跨度为1.5m，满足要求。脚手架纵向水平杆跨中最大正弯矩为0.38kN·m，纵向水平杆与立杆节点处最大负弯矩为0.61kN·m，脚手架钢管最大应力为115.77MPa，满足强度要求。模拟计算结果较规范计算结果偏小，造成差异的原因主要有以下几方面：模型中节点设置为刚性连接，脚手架水平杆件按照多跨连续梁整体计算，而规范分别按照铰接简支梁和三跨连续梁计算，因此，模拟结果较计算结果偏小；模型中脚手板直接建模，板单元与横向和纵向水平杆共同作用，自重由两者共同分担，降低横向水平杆件荷载；模型中所采用的荷载工况并非最不利工况，可能导致分析结果偏小。

连墙件的计算结果如图7、图8所示，单个连墙件支座反力计算结果见表3。结果表明：沿连墙件轴向最大拉力为13.03kN，满足锚固力要求。

表3 连墙件支座反力计算值

图7 标准组合作用下Y向反力(kN)

图8 标准组合作用下Z向反(kN)

4 结语

本文通过安全技术规范和数值模拟对高边坡脚手架水平杆件、立杆、扣件及连墙件进行计算，对杆件在最不利荷载组合下的内力、挠度变形及应力进行分析和验算，对连墙件在施工荷载、机械自重和风荷载作用下的内力进行锚固力验算，主要得出以下结论：

(1)从规范计算结果和Midas Gen分析结果来看，杆件内力基本较小，变形和应力均在规范允许范围内，结果偏于安全，强度有较大储备，可认为脚手架安全性能满足要求。

(2)规范计算法所得连墙件轴向力为13.2kN，模拟分析法所得结果为13.03kN，计算值基本一致，说明连墙件内力大小受脚手架架体强度及刚度影响较小，影响连墙件内力的主要因素为风荷载、钻机及施工人员自重和钻机反力，在上述荷载共同作用下其轴向拉力标准值均能满足锚固力要求。