门式钢管脚手架稳定承载能力的研究.doc

门式钢管脚手架稳定承载能力的研究 一一?密级分类号编号午匆大?学硕士学位论文论文题目盘型滥堑垒逖丝垄塑窒学矛卜、专业 幽墨堡研究生姓名 型查屋导师姓名及专:蟛吏椭堑整 整撞年月、譬支原创性声明本人声明,所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了论文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名:日期:盟年月立日到盏囵学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文,允许学位论文被查阅和借阅;学校可以公布学位论文的全部或部分内容,可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库,并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名: 作者签名:麴盘因导师签名 趟丝塑导师签名 日期:坐年月竺日摘要门式钢管脚手架因其安装标准化,装拆简单,承载能力高,使用安全可靠等优点得到越来越广泛的应用。但一些企业为了经济效益自主开发新产品或仿制国外新形式,这些新产品往往没有经过科学研究和论证,安全性难以保证,给建筑施工带来了一定的安全隐患,不利于门式钢管脚手架的推广应用。根据门式钢管脚手架的结构特点,本文采用试验研究和理论分析相结合的方法对门式钢管脚手架结构进行研究。试验方面,采用三跨六步整架试验的方法进行研究。理论分析方面,对门式钢管脚手架进行半刚性框架稳定分析,并采用有限元分析软件.进行数值模拟计算。具体研究内容如下:.通过试验现象、荷载一应变曲线、荷载一位移曲线等试验结果分析脚手架结构的稳定承载力和破坏特征,分析交叉支撑、连墙件和脚手板对脚手架结构受力性能的影响。.应用钢框架稳定分析理论,结合门式钢管脚手架结构自身特点,引入半刚性节点,对半刚性钢框架进行稳定分析。.应用有限元分析软件 .对三组脚手架试验方案进行数值模拟计算,包括对脚手架进行特征值屈曲分析,预测出屈曲荷载的上限,了解脚手架的屈曲形状;考虑构件的初始缺陷以及结构的几何非线性对脚手架进行极限承载力分析;将理论分析结果与试验结果进行对比,相互验证。.分析门式钢管脚手架稳定承载力的影响因素,主要包括分析不同节点连接刚度下极限承载力的变化规律,水平加固杆、扫地杆、封口杆、连墙件及交叉支撑的设置对脚手架稳定性的影响。.根据试验研究和理论分析的结果,对建筑施工门式钢管脚手架安全技术规范?中脚手架的稳定性计算公式进行改进,推导出门式钢管脚手架稳定性的实用计算公式。关键词 门式钢管脚手架,钢框架,半刚性,稳定承载力,. ., , ., ., ?. ,?. .:. ?, .,? ?. ,? . .,;. ., , ., 儿?.,?,目录摘要.】:【目录?.第一章绪论?.选题背景及意义.国内外研究现状.国外相关研究情况?.国内相关研究情况?.现存的主要问题.本文的研究内容及研究方法.门式钢管脚手架构配件及术语.研究内容及方法一.第二章门式钢管脚手架受力性能的试验研究?.试验设计.试验方案?:.加载方案.加荷装置.量测装置.试验结果.试验现象.极限承载力?.失稳模式.杆件应变.立杆截面参数.本章小结第三章门式钢管脚手架稳定承载力的理论分析.轴心受压构件及框架的稳定理论分析.轴压构件的稳定分析原理?.压杆计算长度系数.框架的稳定分析?.分枝点失稳临界荷载计算方法.计算框架稳定的转角位移法?.?.门式钢管脚手架结构的稳定计算?.门式钢管脚手架结构的计算模型?.门式钢管脚手架体系中的纵向框架的稳定计算?.门式钢管脚手架体系中的横向框架的稳定计算?.本章小结第四章门式钢管脚手架稳定承载力的有限元分析?.有限元分析的概念?.半刚性节点性能分析?.半刚性节点的引入.门式钢管脚手架半刚性节点连接特性的模拟.杆系结构的有限元分析?.用有限单元法计算压杆分枝点失稳?.特征值屈曲分析基础?.半刚性有限元刚度矩阵推导.非线性分析基础?.用软件进行门式钢管脚手架的稳定性分析?.有限元分析软件简介?.用软件对门式钢管脚手架进行稳定承载力分析的步骤.有限元模型的建立?.门式钢管脚手架的计算模型?.材料本构关系.单元的选取?.构件的几何缺陷?.计算结果.计算结果分析.极限承载力?.失稳模式及荷载一位移曲线?.有限元分析结果与理论分析、试验研究结果的比较.极限承载力?.失稳模式.本章小结第五章门式钢管脚手架承载力的影响因素分析及计算方法?.式钢管脚手架承载力的影响因素分析?.节点连接刚度的影响:?.水平加固杆的影响.扫地杆、封口杆的影响?.连墙件的影响.交叉支撑的影响?.门式钢管脚手架的主要计算方法?.规范规定的对脚手架稳定性计算的极限状态设计法.门式钢管脚手架稳定计算的其他方法?.对规范计算方法的修下?.脚手架搭设高度的计算?.算例.门式钢管脚手架的稳定性验算.门式钢管脚手架的搭设高度计算?.本章小结第六章结论与展望?.本文结论.展望.参考文献.致谢?.攻读学位期间发表的学术论文目录?.中南大学硕十学位论文.选题背景及意义当前,作为国内支柱产逐年递升。工程建设规模越来越大、要求越来越高,施工技术也在不断开发和创新。脚手架工程是建筑施工的重要组成部分,我国建设部自年将“新型模板和脚手架应用技术”项目选定为建筑业重点推广应用项新技术之一】以来,新型脚手架的研究开发和推广应用工作取得了重大进展,新技术、新工艺不断涌现。脚手架包括扣件式钢管脚手架、门式钢管脚手架、碗扣式钢管脚手架、竹木脚手架、桥式脚手架、塔式脚手架等余种脚手架形式【】,其中门式钢管脚手架是建筑用脚手架中应用最为广泛的新型脚手架之一,由于主架呈“门字型,所以称为门式钢管脚手架。这种脚手架打破了单根杆件组合脚手架的模式,以单片式门架作为主要结构构件,是很大的创新。它不但能用作建筑施工的内外脚手架,又能用作模板支撑架和移动式脚手架等,具有较多功能【】。此种构件式钢管脚手架因安装标准化,装拆简单,承载能力高,使用安全可靠等优点,已越来越受到广大建筑施工企业的青睐。随着脚手架应用技术不断深入和发展,脚手架形式日新月异,增加了脚手架形式的可选择性,迎合了施工技术发展多变的需要,也创造了很好的经济效益。性能上的提高使脚手架可以担负高层建筑和高型模板支撑架的施工任务。但是,由于脚手架作为临时结构,设计施工时往往忽视其重要性,且目前对新型脚手架的性能研究不够,在全国各地发生的因脚手架倒塌引起的伤亡事故不胜枚举。年代以来,一些地区多次发生脚手架、模板倒塌重大事故,给国家和人民生命财产造成很大损失【。如年全国建筑施工中发生的一次死亡人以上的重大死亡事故共起,死亡人,重伤人,其中脚手架、模板倒塌造成的死亡达人,重伤人,分别占%和%。年脚手架、模板倒塌事故仍屡有发生,在福建、广东、重庆、株洲、大连等地的施工工程中,连续发生由于支模架失稳,造成模板倒塌的重大事故,死亡人,重伤人。为了制止这类事故再度发生,建设部在年发布了“关于防止建筑施工模板倒塌事故的通知”,对如何防止脚手架、模板倒塌事故提出了要求,还特别强调今后如再造成模板倒塌,特别是造成一次死亡人以上事故的,除追究直接责任者外,还应按照有关规定追究有关领导的责任,并对企业给予停止承包工程,降低资质等处罚。但“通知”发布后,还有一些施工企业没有高度重视,脚手架、模板倒塌事故几乎每年都有发生。如年月广东韶关巾.坪乳公路白桥坑特大型桥施工中,支模架发生过人弯曲变形,最终失稳倒塌,造成死亡人,受伤人的重大事故;年月云南永善跨度石拱桥工程,由于拱模支撑失稳,模板倒塌,造成死亡人,重伤人的重大事故;年月青海桥电某冷却塔施工中,支模架失稳全部倒塌,造成死亡人,重伤人,轻伤人的重大事故。又如年月南京电视台演播厅工程,也是由于支模架失稳,中南大学硕上学位论文 第一章绪论模板倒塌,造成死亡人,受伤人;年月日,广州市番禺区化龙镇草堂村黄埔大桥工地发生脚手架垮塌事故,当天上午时许,工地内靠近南塔的第二座桥墩顶部的脚手架突然垮塌,名工人从多米高的桥墩顶部掉入珠江,同时掉下来的还有一块.米见方的钢制模板,当即将桥墩下的便桥砸断。人当场死亡,人受伤,人失踪;年月日,河南省郑州市富田太阳城二期家居广场中心工程,施工过程中采光井模板支撑系统突然垮塌,造成人死亡、人受伤。年月日,济南朝山街北段米脚手架倒塌砸中公交车,朝山街北段路东一座约五米高的脚手架突然歪倒,巨大的金属架将的人行道完全覆盖,恰好砸中一辆路过的公交车,事故造成一人受伤。年月日,昆明建新机场立交桥在浇筑过程中配套引桥支架垮塌,造成人死亡,人重伤,人轻伤。年月日,贵州省黔南州福泉市发生一起脚手架倒塌事故,造成人死亡,人受伤,当天,安徽芜湖华强文化科技产业园配送中心建设工地在混凝土浇筑过程中发生脚手架倒塌事故,造成人死亡,一两起脚手架倒塌,致人死亡。因此,如何防止脚手架、支模架倒塌事故,是符地施食、商该高度币视的一个问题。图贵州福泉市利森水泥厂一处工地脚手架发生倒塌图卜济南朝山街北段米脚手架倒塌门式钢管脚手架是年代初由国外引进的一种多功能型脚手架,其受力性能好,充幂 钢材强度,承载能力高,施工中装拆容易、架设效率高,省工省时、安全可靠、经济适用,足一种具有良好推广价值和发展前景的脚手架【】。但此种脚手架在我国生产和使用的】、并不太长。尽管我国标准编制组在广泛调查研究、认真总结实践经验、参考有关国酎:先进标准,并广泛征求意见的基础上,相继制定了门式钢管脚手架、建筑旋:门钢管脚手架安全技术规范. 等相关行业标准,然而,一些企业为了第一章绪论中南人学硕上学位论文经济效益自主开发新产品或仿制国外新形式,这些新产品主要部件的规格尺寸较不一致,脚手架所用钢管的截面尺寸也不尽相同,往往没有经过科学研究和论证,产品自身性能不明确,无统一的设计和生产标准。由于脚手架在几何尺寸、形状和杆件型号等的改变,性能将发生改变,其破坏形式可能不同于规范中的标准型门架,因此不再适用于中华人民共和国行业标准建筑施工门式钢管脚手架安全技术规范.的有关规定,产品的安全性也难以保证,且市场上劣质不合格产品也时有出现】,给施工单位在使用和管理上带来了一定的困难,同时也给建筑施工带来了一定的安全隐患,不利于门式钢管脚手架的推广应用。市场规范化、标准化要求每一产品在使用前均应有可靠的性能研究,以确保其可靠性符合国家标准的要求,这是建筑市场的准入原则。为了促进门式钢管脚手架的发展,创造更好的经济效益,更为了对其受力性能有充分的认识,保证新型门式钢管脚手架的安全性,保护国家财产和人民生命安全,有必要对新型门式钢管脚手架进行系统的、科学的试验研究和理论分析,为其推广提供一定的理论参考。.国内外研究现状.国外相关研究情况门式钢管脚手架由美国脚手架公司首创【.【汜,自问世以来吸引了国外许多学者和工程技术人员对其开展试验研究和理论分析。特别是西方英、意、法等国家已经进行了较深入的研究,并编制了相应的规范。牛津大学编制了计算脚手架稳定特征值程序【引。在各国编制的脚手架规范中,有不少已在不同程度上明确地规定了考虑钢材进入弹塑性的方法,同时也考虑了初始缺陷及风荷载的影响。门式钢管脚手架于世纪年代初引入日本,年日本同本工业标准协会制订了有关门式钢管脚手架的标准,年列制。由于入本工业标准,年同本劳动安全卫生规则做出了有关使用的规定其装拆方便,承载性能好,安全可靠,尤其是劳动省对脚手架的安全使用做出了规定,使门式钢管脚手架成为施工企业的主导脚手架,在各类脚手架中,其使用量占%左右。日本对脚手架的安全性非常重视,根据不同工程要求采用不同用途脚手架和模板支撑架,能为施工工人提供良好的工作环境和保证施工安全,要求脚手架周围有严密的栏杆和网栏,脚手板接头之间不能有缝隙,防止杂物掉下伤人。目前,同本己丌发和研究了多种规格的脚手架及附件,如门式钢管脚手架,型脚手架、折叠式脚手架、碗扣式脚手架、圆盘式脚手架、插孔式脚手架、插槽式脚手架以及扣件式脚手架等,脚手架和附件生产厂家也有多家。以上各类脚手架中,仍以门式钢管脚手架为主,使用量约占%左右。据同本建设工业协会介绍,在近年内,日本没有因脚手架质量安全问题产生伤亡事故。同本对脚手架结构的试验研究主要是从单跨入手,对单层、层、层、层及不同荷载作用点位置的影响进行了试验分析,试验得到了基本的压曲形态及极限承载力,同时还给出了中南人学硕上学位论文 第一章绪论计算单片门架压曲承载力的方法。日本株式会社立足于其试验结果,编制了组合脚手架的规划与设计的说明书【】。该说明书给予了门架多种组合的荷载试验数据,并提供了两个经验公式:立杆的折算惯性矩计算式和交叉支撑杆件与立杆的刚度允许比:立杆折算惯性矩公式:?,。% 、.一 卜百:一 %式中 以?门架的标准承载力;%?门架立杆长度;红?加强杆在立杆上的投影长度;?门架材料的弹性模量;厶?门架立杆截面惯性矩;.?立杆加强杆截面惯性矩;,?门架立杆截面换算惯性矩,此处,值考虑了加强杆协同作用。交叉支撑的刚度允许.垒鱼. 式中?交叉支撑截面惯性矩;,?门架立杆截面惯性矩;%?门架立杆长度;?交叉支撑的长度。.国内相关研究情况建国初期,我国普遍使用竹木脚手架。随着建筑规模的不断扩大,脚手架木的供应同趋紧张,于是出现了“以钢代木”的革新活动。到了世纪年代,钢管架开始引入我国,使脚手架技术到了一个新阶段【】。但是由于我国钢材的生产也不能满足生产的需要,钢管架的使用过程也是极为缓慢的。但是世纪年代末期又是我国建设发展的新阶段,迎来了民用建筑的建设高潮,出现了“大模板体系”、“装配式大板体系”等新型钢筋混凝土结构,而且建筑高度也由层变为层以上。由于这些新型建筑体系的出现,对脚手架提出了一些新的要求,根据这些需要,相应开发了桥架、插口架、挂架、吊篮架等专用脚手架体系。世纪年代以后高层建筑由上述几种体系走向全现浇结构,大型公共建筑也开始出现。脚手架技术方面,开发了碗扣架,先后从同本、美国、英国等国家引进了门式钢管脚手架。中南大学硕士学位论文自年代起,我国已开始从事金属脚手架的研制工作,当时是以扣件式钢管脚手架和门式钢管脚手架并行。门式钢管脚手架自世纪年代在国内开始应用以来,以其自身的优越性得到了广泛的应用,但是在我国没有统一的门式钢管脚手架安全使用规范之前,工程技术人员对门式钢管脚手架的承载能力和受力性能没有比较明确的概念,针对如此情况,国内各科研院校在门式钢管脚手架结构方面也做了许多研究工作。年,四川省建筑科学研究院采用有限元方法对脚手架整架极限承载力做了系统的理论分析【】,应用有限元原理编写计算机程序,对不同支撑条件和边界条件的门式钢管脚手架进行计算,并且在分析中考虑了几何非线性的影响。其研究方法己经由试验上升到理论,但是结果缺乏试验的有力证明。年,重庆建筑工程学院应用理论分析和试验研究相结合的方法对门式钢管脚手架进行了整架研究【】,充分细致地考虑了初弯曲、支座沉陷、荷载偏心、连墙件间距、风荷载等因素的影响,并且通过试验测得了上下门架连接处的弯矩一转角的刚度方程,提出了脚手架搭设高度与承载力的关系。重庆建筑工程学院对门式钢管脚手架的研究比较全面细致,对理论分析结果和试验结果进行对比,分析了影响脚手架稳定承载力的因素,其研究达到了较高的水平。但是此研究没有考虑改变交叉支撑、水平架等脚手架自身构配件对脚。手架极限承载力的影响。年,哈尔滨工业大学总结了国内各研究机构的研究成果,进行了组模型和真型整架试验研剜】,对于交叉支撑、水平架、连墙件的不同设置,节点连接质量,门架的不同尺寸等因素引起的门架稳定承载力的变化得出了相应的结果。同时应用有限元方法建立三维空间模型,编制计算机程序进行了理论分析,计算值与理论值吻合较好。最后给出了适用的计算公式。年前,建设部组织中国建筑标准设计研究所、哈尔滨工业大学、上海建筑施工技术研究院和一些脚手架制造公司编制了建筑行业标准门式钢管脚手架.,建筑施工门式钢管脚手架安全技术规范.,标志着门式脚手架的研究在我国己有较成熟的理论。:目前,门式钢管脚手架的结构计算主要有以下种方法引进的结构计算方法该方法是根据日本株式会社组合脚手架的规划与设计说明书提供的方法,只考虑作用在门架立杆的轴向力,略去门架中的弯矩,将门架的计算转化为立杆的轴心受压稳定计算。这种想法反映了门架的主要结构作用,但在理论上并不完善。且此方法没有按照门架结构特点提供各种荷载,特别是风荷载作用下的计算方法。对于一般情况下即脚手架不设遮挡物,风荷载可以忽略时也还足够安全。但从最近脚手架多采用密目安全网的条件,风荷载不可忽略,就不够安全了。粗略计算方法在建筑施工脚手架实用手册中提出了按刚架来计算的方法,并给出了门形刚架中南人学硕上学位论文 第一章绪论的内力及弯矩图,提出了门式钢管脚手架的稳定验算式:?七?缈?式中。卜材料强度调整系数,按表.选用;彳?单榀门架的立杆截面积,;?门架立杆的截面积;.厂?钢材强度设计值;够?轴心受压杆稳定系数,根据门架立杆长细比查冷弯薄壁型钢结构技术规范中表.选用。表 调整系数七 脚手架高度. . .此手册提出的材料强度调整系数是与搭设高度有关的系数,其目的是考虑门架多层垒高以及风荷载等影响的一个综合因素。但是这样解决有些笼统,还应进一步研究,使其结构安全度更为可靠。双铰刚架计算法双铰刚架计算法将门架按“双铰刚架进行计算,主要包括以下方面的计算:对横梁抗弯刚度核算;刚角抗弯刚度核算;立杆的轴压或弯压强度考虑风荷载作用时核算。门架虽然极接近于刚架,但细致分析可看出门架本身有许多处并不符合刚架的组成规则,其中有以下几点:横梁的构成既非实心梁又非桁架梁;门上角既非实腹式刚角又非格构式刚角;剪刀撑与立杆的连接位置不构成静定体系。综上所述,门式钢管脚手架自世纪年代引入我国,在初期引入阶段在其引入说明书中即已介绍了其单体及多层组合的荷载试验结果并作为脚手架承载力的依据。在引入我国后,逐步走向国产化,采用国产材料,因而就出现了要重新试验的问题,除此之外,门式钢管脚手架的推广应用也要求进一步了解其性能。我国在世纪初为其使用编制了使用规范,推出标准型门式钢管脚手架,规范了我国门式钢管脚手架市场。但是将门式钢管脚手架纳入计算时,首先遇到的困难就是门架构件的组合不符合目前结构计算的要求。门式钢管脚手架作为结构计算的主要依据是荷载试验,但这些试验只反映了它在垂直荷载作用下的承载能力,对于通常的风荷载没有试验依据,且目前对脚手架的计算方法比较笼统。为进一步发挥门式钢管脚手架的优点,可对其进行一些改进,使之成为性能更好的脚手架,并对其性能进行充分的试验研究,编制标准,使之得到充分的推广应用,创造更高的社会经济效益。.现存的主要问题结合目自订国内外的研究现状,可以看出,脚手架体系的设计计算,仍是目前建筑施工所面临的一个棘手问题。到目前为止,已有的手册、规范等对脚手架的规定只停留在结构第一章绪论中南大学硕二学位论文构件的稳定计算的范围,缺乏对脚手架整体结构的研究,导致的后果极为严重。此外对脚手架的结构计算缺乏理论联系实际的科学精神,盲目套用公式,也是安全事故发生的重大隐患。现有脚手架体系在设计计算与应用中存在的主要问题有:一、设计问题脚手架由经验性的施工工具过渡到理论计算是由于建筑工程高大化及复杂化,使得其应用超出了己有的经验范围以及创造更合理和更经济的脚手架的需要提出的。近年来这种趋势愈来愈明显,从而引起了各方面的关注。脚手架的结构体系与建筑结构之间具有某种相似性,但也具有许多不同之处。相同点有二:其一是两者都是由构件组成的结构;其二是都要满足承载和稳定的要求。与建筑结构的不同之处是:脚手架是临时性结构,要求搭建和拆除简便:杆件及构件应尽量定型化与标准化,其组成的整体却要求能适用多样化的使用条件。但由于其构造往往不能完全满足结构规则的要求,如何纳入结构力学成为其难点。而且脚手架在使用中一般要求钢材不能产生不可恢复的塑性变形,因为残余变形给脚手架的拆卸和再安装带来很多问题。在脚手架结构的计算方面,其必须具有通用性,即对于所采用的构件的不同结构形式以及结构尺寸都能适用;可靠性,如结构的整体稳定性;指导性,即理论计算分析可以指出结构的最薄弱环节以及提出改善的方法。当然计算方法应力求概念明确,方法简单,能与试验结果一致。但是,现行脚手架规范中大多采用“计算长度法”来计算结构的承载力,即通过控制单根立杆的计算长度来保证整个体系的结构稳定性,但立杆计算长度的调整过于笼统,且钢结构规范中采用的杆件初始缺陷为/,但实际工程中脚手架的杆件由于反复使用,缺陷往往大于/,这也使得脚手架中的杆件要比相同截面、材料及约束条件的普通钢管结构承载力低。综上所述,现有脚手架的计算方法并不准确,还需要进一步改进、完善,使其适用于脚手架这种临时结构的设计特点。二、应用问题目前有不少施工工地的技术负责人,没有对操作工人进行详细的安全技术交底,加上有些工人素质较差,难免发生应用问题。如有的支模架倒塌事故是由于操作工人没有按设计要求设置剪力撑或水平加固杆,造成支模架稳定性不足;有的事故是工人私自拆除外脚手架与建筑物之间的连接拉杆,导致脚手架整体倒塌:还有的事故是在脚手架和支模架上集中堆放建筑材料、预制构件或施工设备等,造成局部杆件超载失稳,引起整体倒塌。因此,施工现场管理混乱,操作人员没有严格按设计要求安装和拆除脚手架,也是造成脚手架倒塌事故的重要原因。.本文的研究内容及研究方法本文对由湖南省金峰金属构件有限公司生产的两种新型门架,组成的门式钢管脚手架的受力性能进行试验研究,规模均为三跨六步。以该试验研究为基础进行理论分析,探讨门式钢管脚手架作为外脚手架的稳定性研究,为其推广提供一定的理中南人学硕士学位论文第一章绪论论参考。.门式钢管脚手架构配件及术语【.门式钢管脚手架以门架、交叉支撑、连接棒、挂扣式脚手板或水平架、锁臂等组成基本结构,再设置水平加固杆、剪刀撑、扫地杆、封杆、托座与底座,并采用连墙件与建筑物主体结构相连的一种钢管脚手架。如图.所示。横杆横杆? 一门架一门架一一交叉支撑一水平加固杆 一底座,. 乍:二:二一二 乍:二:二一二正二二习 正二习 一?一一釜?聋一 一?一?一 孽,芒叫:辩,苛苗苫唼每吲霹茎蔫耄窝黧誊孬丁:一。:一二:一二。:一;:二:一:一 皇。量鼍争筘警哆譬鼍警警警。目: :一:二:一一:一,:一:;一:?:?. 皇穹:誓乡警乏。手等皇帮争蚓暑三蠢一蓑一;,上二童耋耋三呈三兰;垂。三氇一一挂扣式钢脚手板一挂扣式钢脚手板中南人学硕上学位论文目珥扔卜门架:一交叉支撑;一水平加固杆;一底座;一挂扣式钢脚手板图卜门式钢管脚手架构配件图.门架门式钢管脚手架的主要构件,由立杆、横杆及加强杆焊接组成。.连接棒用于门架立杆竖向组装的连接件。.交叉支撑连接相邻两榀门架立杆的交叉拉杆。.挂扣式脚手板两端设有半圆弧型凹槽的钢脚手板,挂扣在门架横杆上。既是作业层板,又是脚手架结构的纵向连系构件。.底座门架下端插放其中,传力给基础的构件,分为可调高度和不能调整高度两种。.托座插放在门架立杆上端,承受上部荷载,分为可调高度和不能调整高度两种。.加固件用于增强脚手架刚度而设置的杆件,包括剪刀撑、水平加固杆、封口杆和扫地杆。.剪刀撑位于脚手架外侧,与墙面平行的交叉杆件。.水平加固杆.与墙面平行的纵向水平杆件。.封口杆中南人学硕上学位论文第一章绪论连接首层门架立杆下端的横向水平杆件。.扫地杆连接首层门架立杆下端的纵向水平杆件。.连墙件将脚手架连接于建筑物主体结构的构件。.步距沿脚手架竖向,相邻门架两横杆轴线问的距离。.门架跨距相邻两门架立杆在门架平面外的轴线距离。.脚手架高度从底座下皮到脚手架顶层门架立杆上端的距离。.脚手架长度沿脚手架纵向的两端门架立杆外皮之间的距离。.研究内容及方法门式钢管脚手架的基本杆件一般由,中.钢管制作,节点连接为半刚性连接,结构形式体现为规则的空间钢管框架结构。与一般结构相比,门式钢管脚手架主要有以下特点:连接节点约束性能复杂,且多种多样,给精确计算和分析脚手架的稳定承载力带来很大困难;脚手架的结构组成变异性大,应对不同的结构组成方案的承载力进行分析比较,认识和掌握各种构配件在脚手架结构中的作用及对脚手架稳定承载力的影响,为施工搭设提供理论依据;脚手架是在施工现场周转使用的暂设结构,杆件的初弯曲,荷载偏心作用等初始缺陷对整架承载力的影响比一般结构严重,研究脚手架的稳定承载力及其实用计算方法时必须予以考虑。根据门式钢管脚手架的结构特点,本文采用试验研究和理论分析相结合的方法对门式钢管脚手架结构进行研究。试验方面,采用三跨六步整架试验的方法进行研究。理论分析方面,借鉴已有的钢框架的稳定研究成果及研究方法,对门式钢管脚手架进行半刚性框架稳定分析,并采用大型通用有限元分析软件.进行数值模拟计算,将试验研究结果与理论分析结果进行对比。本文研究内容为:通过试验现象、荷载应变曲线、荷载一位移曲线及破坏形式等试验结果确定脚手架结构的极限承载力和破坏特征等受力性能,分析交叉支撑、连墙件和脚手板对脚手架结构受力性能的影响;第一章绪论中南大学硕上学位论文借鉴门式钢管脚手架已有的研究成果及钢框架稳定分析理论,结合门式钢管脚手架结构自身特点,引入半刚性节点,对半刚性钢框架进行稳定分析;应用大型通用有限元分析软件对三组脚手架试验方案进行数值模拟计算,包括对脚手架进行特征值屈曲分析,预测出屈曲荷载的上限,了解脚手架的屈曲形状;考虑构件的初始缺陷以及结构的几何非线性对脚手架进行极限承载力分析;将理论分析结果与试验结果进行对比,相互验证;分析门式钢管脚手架极限承载力的影响因素,主要包括分析不同节点连接刚度下极限承载力的变化规律,水平加固杆、扫地杆、封口杆、连墙件及交叉支撑的设置对脚手架稳定性的影响;根据试验研究和理论分析的结果,对建筑施工门式钢管脚手架安全技术规范?中脚手架的稳定性计算公式进行改进,推导出门式钢管脚手架稳定性的实用计算公式;提出需要继续深入研究的课题。中南大学硕士学位论文第二章门式钢管脚手架受力性能的试验研究第二章门式钢管脚手架受力性能的试验研究.试验设计本试验的目的是:了解门式钢管脚手架整架加载过程中的变形形态,了解整架破坏时的失稳模式,了解整架破坏时的极限承载力;分析门式钢管脚手架结构工作状态的内力、变形及破坏特征;与后续理论分析结果相互对比,彼此验证;了解结构构成条件和边界条件变化对脚手架极限承载力的影响;为两种新型门式钢管脚手架的实用计算方法提供依据。本试验用脚手架采用湖南金峰金属构件有限公司提供的型号为,的门架组成的门式钢管脚手架,门架为新生产的产品,其示意图如图.。.试验方案为了探讨连墙件设置对门式钢管脚手架承载力的影响,对门架型号为的门架设计个整架试验方案,为了比较两种不同型号门架组成的脚手架的结构性能,对门架型号为的门架设计个整架试验方案,共设计个整架试验方案,试验参数如表.所示。在三组试验中,跨距均为.、步距均为.。表 试验参数试验方案 规模 迮墙,:间距交义支撑 脚手板 架型号三跨人步架 双侧设置 最上二步设置 三跨距两步二跨入步架 双侧设置 一,二,四,五步设置 二跨距三步二跨六步架 双侧设置 二跨距三步一,二二,四,五步设置注:未设脚手板处,两侧均设水平加固杆.加载方案加载包括预加载、正式加载和卸载三个阶斟。在液压千斤顶上部布置压力传感器,加荷值由压力传感器采集获得。预载阶段:为检验各试验装置及量测仪表等是否下常工作,使各点接触良好而进入工作状态,每个千斤顶预加载,每级,共分两级。通过调整千斤顶位置使各立杆顶部的电阻应变片的应变值趋于一致,保证每根立杆受力均匀,之后卸载。试验阶段:每个千斤顶每级荷载为近似取极限承载力的/,每级荷载持续分钟。到加至接近极限荷载的%左右后,每级荷载增量降为原来的/,即每个千斤顶每级荷载为 ,每级荷载持荷时间延长,待应变和位移不再发展时,续加下一级荷载,直至试验结构失稳破坏而不能继续加荷为止。整个试验过程中,位移和应变通过自动数据采集系统采集,并实时对试验进行监控。卸载阶段:当达到极限荷载后,继续进行数据采集,观测试验现象,拍摄照片,当所中南大学硕学位论文 第一二章门式钢管脚下架受力性能的试验研究测数据基本稳定后进行卸载。在获得足够的数据和照片后,移除脚手架上的数据线、百分表,拆除脚手架。试验中脚手架的整体布胃如图.所示。图脚手架整体布置图.加荷装置本试验采用简支体系和轴向力体系相结合的自平衡加载方式。加载装置见图?。分配梁置于门架立杆顶端,分配梁的中心位置放置千斤项,再将反力梁放置于千斤顶上,最后将根受拉钢筋插入,调整对正后,上下两端用螺栓固定。压力传感器千斤顶 反力鬃 、厩廿 坦 / / 塞幽/ / 夕/ / / / / 、/ / / / / / 、 / / / /、 / / 底粱、 / / 一图加载装置第一二章门式钢管脚手架受力性能的试验研究中南人学硕士学位论文.量测装置.。每根立杆的底部相互垂直位置布置两个电阻应变片以跟踪立杆在加荷过程中的应力变化;每根立杆的顶部布置一个电阻应变片以校正荷载对中情况;为了解支撑系统的作用,在部分交叉支撑、脚手板、连墙杆上布置应变片;在脚手架结构的部分立杆布置百分表测量脚手架在受荷过程中的水平变形情况,在部分立杆的节点连接铅锤置于反力墙后测量门架平面内的最终变形;在一、三跨跨中项部布置百分表测量脚手架在受荷过程中的竖向变形情况;采用数据采集系统对加荷试验中的数据进行实时采集。测点布置见图.。:五鼻一一.多少阮一 一:? 一咂,一哗。,彳一: 二/?.劫一 一哩一崩一/ / / 一日一 一啦,/,一 /,池/胡/,。二图测点布置.试验结果.试验现象在三组试验中,门架型号为的脚手架结构的破坏形式均为门架在平面内的失稳破坏。以上、下门架间连接位置的转角增大为开始,随着变形的逐渐加大,加强杆以下至连接点之间的立杆突然失稳,导致结构瞬时破坏。门架型号为的脚手架结构的破坏形式为门架在平面外的失稳破坏。方案失稳破坏发生在第五、六步架,方案、失稳破坏均发生在第四、五、六步架。在组试验中,脚手架结构的竖向变形均较小,见图。且由于百分表位移测点没有安装在脚手架失稳处,所测得的荷载一位移曲线基本呈线性。中 ? 位移哪位移姗方案结构竖向位移方案卸载后重新加载的结构竖向位移图荷载一竖向位移曲线方案:加载至时,肉眼可见边跨的六步架、五步架立杆在门架平面内弯曲明显;加载至时,第四步连墙杆向下弯曲明显;加载至时,整架边跨两榀门架的六步架、五步架在门架平面内弯曲变形发展迅速,且弯曲方向相反;加载至时,西侧五步架、六步架发生平面内两步失稳破坏,西侧荷载下降至,东侧荷载下降至,西侧第五步节点南向变形。一、二、三、四步架基本无变形。稠三 :至都柩逗柱位移姗 位移咖一、二步架,杆门架平面内位移 一、二步架、杆门架平面外位移图方案荷载一位移曲线中南人学硕十.学位论文第二章门式钢管脚手架受力性能的试验研究西侧门架失稳东侧门架变形图方案试验现象。方案:加载至时,边跨的五步架、四步架立杆连接节点处均有向南拘架平面内弯曲,此后变形不断发展;加载至时,第四、五、六步架发生平面内失稳破坏,西侧倚载下降至,第四步节点南向变形。一、二、三步架基本无变形。至霆位移姗一、二步架、杆门架平面内位移一、二步架、杆门架平面外位移图?方案荷载一位移曲线西侧门架失稳东侧门架变形图 方案试验现象方案:加载至时,东西侧的四、五、六步架在门架平面内和平硅;均有较小第一二章门式钢管脚手架受力性能的试验研究中南大学硕士学位论文变形,但不明显。由于压力传感器量程为,测力仪标定为,为了解整架破坏的失稳形态,将传感器卸下后装入量程为的传感器,重新加载。重新加载至时,四、五、六步架的立杆突然失稳,门架在平面外失稳破坏,失稳持续一段时间后,西侧荷载下降至,东侧荷载下降至,最大平面外变形达。底层三步架基本无变形。位移岫一、二步架、杆门架平面内位移 一、二步架、杆门架平面外位移图方案荷载一位移曲线,一、三考 兰繇鲻枢稼? ? ? ? ?位移啪位移一、二步架.杆门架平面内位移 一、二步架、杆门架平面外位移图 方案卸载后重新加载的荷载一位移曲线门架平面外失稳 门架平面内基本无变形图 方案试验现象中南人学硕上学位论文第二章门式钢管脚于架受力性能的试验研究.极限承载力本试验取结构失稳破坏的前一级荷载作为结构极限承载力,极限承载力由千斤顶上的压力传感器测得。表 极限承载力方案 规模 交叉支撑 连墙,问距 极限荷载州 最人变形 火稳形式三跨人步 双侧设置 三跨两步 平面内二跨入步 舣侧设置 三跨二步 平面内 二跨人步 舣侧改置 平面外二跨二步前两组试验的极限承载力有差异,但是相差不大。方案第一次加载至时,结构并未失稳破坏,但有较小变形。说明方案的极限承载力应略高于。第二次重新加载至时,结构发生平面外失稳破坏。说明杆件初始变形对结构承载力有较大影响,且平面外失稳破坏这种破坏形式的承载力应高于平面内失稳破坏。.失稳模式方案、的破坏形式为门架平面内失稳破坏,脚手架失稳时门架平面外几乎没有变形发展。这说明门架组成的脚手架结构的平面内刚度小于平面外方向的刚度,其脚手架结构的承载力取决于门架的平面内刚度。方案连墙件为两步距,除最上两层设脚手板,其余各层均设水平加固杆,失稳破坏时发生两步距的大波失稳;方案连墙件为三步距,除底层、顶层、第三层设水平加固杆,其余各层均设脚手板,失稳破坏时发生三步距的大波失稳。说明失稳模式与连墙件间距或脚手板设置有关。方案的破坏形式为门架平面外失稳破坏,脚手架失稳时门架平面内几乎没有变形发展。这说明门架的平面内刚度较高,其脚手架结构的承载力取决于门架的平面外刚度。方案、与方案发生的两种不同方向的失稳破坏,说明失稳模式与门架自身刚度有关。失稳模式如图.所示。,方案失稳模式 方案 失稳模式 方案 失稳模式试验过程中,可检测到门架立杆应力随加载过程基本呈线性增长。从采集的数据可以观察到,脚手架结构失稳破坏时立杆中应变均小于或接近,门架基本处于弹性工作状态。支撑系统杆件应变很小,见图?。这主要是因为支撑系统杆件应变测点没有设在脚手架失稳处,有测点的支撑系统处门架变形不大,没有带动脚手板产生变形。连墙件的内力随着立杆位移的增大而逐渐增大。连墙件的荷载一应变曲线见图。中南大学硕士学位论文 第二章门式钢管脚手架受力性能的试验研究厂 杆件编号 杆件编 ,碍, 图? 应变片布置图加坞埔挖一至一秣惺一至一鞯糖墙璩屹加同 . 一 ? 一 ? ? 应变 应变方案 方案?一?一十毖加招.会?卜专 誊?一 他 一至一柩梧柱一. ? 一 ? ? 一一?应变应变方案 方案加踟加舳如加船们加踯蚰? ? ? 一 猢 猢 咖 鲫 伽应变方案订 鹱方枷案 培;屹一至一柩撂一至一秘耀.? ? ?。? ? ?应变应变方案卸载后重新加载方案卸载后重新加载图一 立杆底部荷载?应变曲线主口专辎一委一柩柱柱踯加加? ? ? ? 一 应变 心变方案方案一金。 毫舔糍柱埠柏印们加踟加? ? ? ?.一. 硼 一 一应变 应变方案方案卸载后重新加载图?立杆顶部荷载?应变曲线/、毒口、,销柩枢棹们加舳印扣一 ?。 一应变应变方案方案一至一柩棹加印加一 ? ? ? ? ? ?应变 戍变方案方案卸载后重新加载图?交叉支撑及脚手板荷载一应变曲线一?一一一?一中南大学硕士学位论文第二章门式钢管脚手架受力性能的试验研究毖加拇/气; 一辎均 酃柱撂曰印幻加印印即 .?屯 应变方案 应, 变方啪九案一加掩埔挖上轺梅一一铎掉?。? 伽 啪 瑚 瓤,应变姗敲方 方案卸载后重新加载?案图一 连墙件荷载一应变曲线.立杆截面参数试验随机截取根门架立杆,进行截面尺寸的量测,量测工具为游标卡尺,测量结果平均值为立杆外径.,壁厚.。见表。表立杆截面参数编号. . .撑 . . .舟 . . .撑 . . .撑 . . . .