扣件式钢管脚手架坍塌事故分析与安全评价方法的研究（硕士论文） .pdf

扣件式钢管脚手架坍塌事故分析与安全评价方法的研究 摘要 扣件式钢管脚手架具有拆装方便、通用性强、承载力高、整体刚度好等优点， 已成为当前我国应用最广泛的一种架构形式。但在过去相当长的一段时间里，在 扣件式钢管脚手架的施工、运行和拆除过程中时常伴有各种事故的发生，因此对 其安全性进行分析与研究，具有重要的理论和实际意义。 在对扣件式钢管脚手架坍塌事故的分析与安全评价方法的研究过程中，首 先，通过对不同的脚手架形式进行归纳总结，分析出扣件式钢管脚手架的优缺 点及适应性，并对扣件式钢管脚手架的组成、构配件质量要求进行分析，为下一步 对扣件式钢管脚手架安全性的研究提供理论依据。其次，从内在机理的角度出 发，分析出扣件式钢管脚手架的各个部件中容易引起坍塌事故发生的不安全因 素，并对这些因素进行深入的分析研究。然后，对扣件式钢管脚手架进行受力 分析，结合坍塌事故实例，来对事故中所用到的脚手架进行力学计算分析。并 将力学计算中的定量分析运用到模糊综合评价法的定性分析中，来对该坍塌事 故中所用到的扣件式钢管脚手架的安全性进行综合评价。最后，对评价结果进 行分析，并找出导致该坍塌事故发生的关键因素，对此提出科学合理的改进意 见。 本文的特点就是在对扣件式钢管脚手架的安全性进行评价的过程中，将力 学计算中的定量分析运用到模糊综合评价中，使定量分析与定性分析两者相结 合，这样将使得评价结果更加科学合理，也可以为将来的工程建设提供更为重 要的理论指导。通过研究表明，将模糊综合评价与力学计算分析相结合来研究 扣件式钢管脚手架的安全性，具有很好的可靠性；而且模糊综合评价法使定量 分析与定性分析相结合，具有很好的实用性。 关键词：扣件式钢管脚手架，坍塌事故，安全评价，力学计算，模糊综合评价， 定量分析，定性分析 江苏大学硕士学位论文 扣件式钢管脚手架坍塌事故分析与安全评价方法的研究 a bs t r a c t f a s t e n e rs t e e l t u b es c a f f o l di sw i d e l yu s e di nb u i l d i n gc o n s t r u c t i o n i nc h i n ab e c a u s ei ti sc h a r a c t e r i z e db yc o n v e n i e n c et oe s t a b l i s ha n d d i s a s s e m b l e ，g o o dg e n e r a l - u t i l i t ya n dg r e a tg l o b a lr i g i d i t y i nt h ee l a p s e d t i m e ，t h e r ea r eal o to fc o l l a p s ea c c i d e n t sd u r i n gt h ep r o c e s so fs t e e l - t u b e s c a f f o l de r e c t i o n ，o p e r a t i o na n d d i s m a n t l i n g h e n c e ，t h ed e e pa n a l y s i sa n d s t u d yo nt h es a f e t yo ff a s t e n e rs t e e l - t u b es c a f f o l dh a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a n dp r a c t i c em e a n i n g s i nt h ep r o c e s so fa n a l y s i so ft h ec o l l a p s ea n ds t u d yo ft h es a f e t y a s s e s s m e n tf o rf a s t e n e rs t e e l t u b es c a f f o l d ，t h e r ea r ef o u rs t e p s f i r s t l y , t h r o u g hc l a s s i f y i n ga n ds u m m a r i z i n gt h ed i f f e r e n ts t r u c t u r a lm o d e s ，w e a n a l y z e t h e s u p e r i o r i t y a n di n s u f f i c i e n c ya n ds u i t a b i l i t yo ff a s t e n e r s t e e l t u b es c a f f o l d a n dw ea n a l y z et h ec o m p o n e n t so ff a s t e n e rs t e e l t h e s c a f f o l da n dt h e i rq u a l i t yr e q u i r e m e n t s t h e s ew i l lp r o v i d eat h e o r e t i c a l b a s i sf o rt h es t u d yo ff a s t e n e rs t e e l t u b es c a f f o l d i n gs a f e t y s e c o n d l y ， f r o mt h ep e r s p e c t i v eo ft h ei n t e m a lm e c h a n i s mo fs c a f f o l d ，w ea n a l y z e t h e s er i s kf a c t o r si nd e p t hw h i c hc a u s es c a f f o l d i n gc o l l a p s ea b o u ta l lp a r t s o ff a s t e n e rs t e e l t u b es c a f f o l d t h i r d l y , w ea n a l y z et h ef o r c eo ff a s t e n e r s t e e l - t u b es c a f f o l d b yac o l l a p s e ，w em a k eam e c h a n i c a lc a l c u l a t i o no f s c a f f o l d a n dw em a k eac o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nf o rt h es a f e t yo f f a s t e n e rs t e e l t u b es c a f f o l dw h i c hi su s e di nt h ec o l l a p s eb yb o t ht h e q u a n t i t a t i v ea n a l y s i s o fm e c h a n i c a lc a l c u l a t i o na n dt h e q u a l i t a t i v e a n a l y s i so ff u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n l a s t l y , w ea n a l y z et h er e s u l t s o ft h ee v a l u a t i o n ，f m dt h ek e yf a c t o r sw h i c hc a u s et h ec o l l a p s e ，a n d p r o p o s es o m es c i e n t i f i ca n dr a t i o n a lv i e w s d u r i n ge v a l u a t i n gt h es a f e t yo ff a s t e n e rs t e e l t u b es c a f f o l d ，t h e q u a n t i t a t i v e a n a l y s i so fm e c h a n i c a lc a l c u l a t i o ni su s e di nt h ef u z z y c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n 1 1 1 ep e r f e c tc o m b i n a t i o nw h i c hi n t e g r a t e m 江苏大学硕士学位论文 q u a n t i t a t i v ea n a l y s i sa n dq u a l i t a t i v ea n a l y s i st o g e t h e rm a k eas c i e n t i f i c a n dr a t i o n a l r e s u l to ft h ee v a l u a t i o n a n dt h i sw i l l p r o v i d es o m e t h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rt h ec o n s t r u c t i o ni nt h ef u t u r e t h es t u d ys h o w s t h a tt h em e t h o dw h i c hi su s e dt os t u d yt h es a f e t yo ff a s t e n e rs t e e l t u b e s c a f f o l di n t e g r a t i n gm e c h a n i c a lc a l c u l a t i o na n df u z z yc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o nt o g e t h e rt a k e so ng o o dr e l i a b i l i t y t h e 晒c o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o n i n t e g r a t i n gq u a n t i t a t i v e a n a l y s i s a n dq u a l i t a t i v e a n a l y s i s t o g e t h e rt a k e so ng o o dp r a e t i c a b i l i t y k e yw o r d ：f a s t e n e rs t e e l - t u b es c a f f o l d ，c o l l a p s e ，s a f e t ya s s e s s m e n t ， i v m e c h a n i c a lc a l c u l a t i o n ，f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n ， q u a n t i t a t i v ea n a l y s i s ，q u a l i t a t i v ea n a l y s i s 扣件式钢管脚手架坍塌事故分析与安全评价方法的研究 1 1 引言 1 绪论 近年来，我国正处于经济的高速发展阶段，建筑工程如雨后春笋，蓬勃发 展，建筑安装工程的新技术、新工艺、新材料不断涌现和更新，加之近几年国 家先后对建筑设计、施工、监理、质量验收规范及建筑标准进行了大量的修订， 原有的技术体系已不适应现代建筑事业发展的要求 ij o 因此，对脚手架的发展 也提出了更高的要求。由于脚手架的使用量大，应用广泛，有越来越多的企业 从事脚手架的专业施工。如何在保证安全的情况下，经济地搭设脚手架已成为 这些企业共同关心的话题。 在建筑工程施工中，为满足施工作业需要而设置的各种操作架子，统称为 脚手架。脚手架不仅是施工作业中必不可少的手段和设备，而且占用着企业 大量的流动资金，对建筑施工的生产安全和工程成本有着重要的影响。在过去， 脚手架一直靠经验搭设，技术含量不高，近二三十年来发展较快，在架设工具 和方法上也都有了明显的进步。扣件式钢管脚手架因其承载力好、加工简便、 搭设灵活、拆卸方便等特点眩 ，现在我国大约有7 0 的建筑在施工中使用的是 这种形式的脚手架，而且预计在今后施工的很长时间内仍将继续使用。然而， 作为一种重要的暂设工程设施，在过去很长的一段时间里，其结构的安全性一 直威胁着具体工程的施工。这是由于脚手架是一种临时结构物，很难引起结构 设计工作者的注意。在脚手架的设计、施工中，设计者很少从脚手架的力学计 算角度出发，对其安全性能进行综合评价。 在我国高层建筑大量出现的初期，依靠传统经验搭设的高层脚手架开始暴 露出不能确保使用安全的种种问题。一些地方出现了大量的脚手架坍塌事故， 造成了一定的人员伤亡。近年来，特别是由于扣件式钢管脚手架的倒塌而引发 的事故呈现出明显的上升趋势。以下是一些典型的坍塌事故案例： 1 9 9 6 年1 2 月，广东韶关市坪鲁公路白桥坑特大型桥，由于模板支撑系统 设计不合理，且支撑系统的钢管、扣件使用前未进行检测，不符合规定要求， 造成3 2 人死亡、5 9 人受伤的重大事故阻1 。 江苏大学硕士学位论文 2 0 0 0 年8 月1 1 日，湖南省郴州市燕泉路家属区大门工程，浇筑5 m 高的大 雨篷混凝土时，模板支撑失稳，导致顶篷坍塌，造成4 人死亡、2 人重伤的重 大伤亡事故 3 3 。 2 0 0 1 年4 月2 6 日，西安某研究所单层厂房在安装网架过程中将网架集中 堆放在脚手架上，以致脚手架超负荷而倒塌，造成7 死1 伤的重大事故阻1 。 2 0 0 4 年9 月1 日，江苏商业管理干部学院南京江宁校区的现代教育中心工 程，在浇筑门厅屋面梁板混凝土时，模板支撑系统整体坍塌，造成5 人死亡， 1 7 人受伤 5 3 。 2 0 0 5 年1 1 月5 日，贵州务川苗族自治县，在某大桥的建设工程中，由于 使用不符合安全质量的施工器材，违规作业，造成拱桥垮塌，以致1 6 人死亡， 3 人受伤 6 3 。 2 0 0 6 年5 月1 9 日，位于金石滩的沈阳音乐学院大连校区的舞蹈楼工地， 将近2 0 m 高的楼顶整体塌陷，坍塌的楼顶面积约2 0 0 m 2 ，2 4 名民工被掩埋，造 成6 人死亡，1 8 人受伤 7 j 。 2 0 0 9 年3 月2 3 日，江苏镇江闹市区的“华地国际八佰伴”施工工地，由于 民工将拆下的废弃物堆积在脚手架上，堆积物过于沉重，加上砸墙时造成脚手 架晃动，导致脚手架被压趴，造成正在拆楼改造的3 位民工l 死2 伤引。 总的来说，造成脚手架坍塌的主要原因是材料质量不合格、构架搭设不合 理以及施工管理监管不力等。因此，对脚手架的安全性能进行评价已成为我们 减少建筑安全事故的当务之急。 1 2 脚手架技术在我国的发展 脚手架技术是伴随着建筑施工的要求而产生和发展起来的。我国古代的脚 手架技术已无从追溯，但从新中国成立以来，在建筑业中仍可以看到一些脚手 架的传统和做法。 在2 0 世纪5 0 “ - 6 0 年代，由于采用的技术主要是架子工的传统工艺，其发 展的主要推动力是建筑施工，因此这一阶段被称为自然发展阶段。在此期间， 我国进行了大规模的工业建设。在当时的技术条件下砖石结构仍然是结构主体， 扣件式钢管脚手架坍塌事故分析与安全评价方法的研究 跨度较大的工业厂房多采用预制柱和桁架装配式结构，只有多层的工业厂房采 用钢筋混凝土结构。其中需要脚手架的主要是砌筑工程，也就是采用传统单排 或双排外脚手架。当然，随着建设规模的不断扩大，脚手架的供应日趋紧张， 于是出现了“以钢代木”的革新运动。同时，由于建筑机械化的发展，施工工艺 改革的更新，由外脚手架逐步发展为内脚手架四1 。 到了2 0 世纪7 0 年代，钢管架开始引入我国，使脚手架技术进入了一个新 阶段。钢管架的引入是由于国内杉篙资源的日渐减少，不能满足建设工程需要 的必然结果。但由于我国当时钢材的生产也不能满足经济发展的需要，钢管架 的使用发展过程也是极为缓慢的。到了2 0 世纪7 0 年代末期，我国进入了建设 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，建筑高度也由6 层发展到1 0 层以上。由于这 些新型建筑体系的出现，对脚手架也提出了一些新的要求。根据这些要求，相 应的开发了桥架、插1 ：3 架、挂架、吊篮架等专用脚手架体系c 9 同时，扣件式 钢管脚手架在此期间得到了迅速推广和应用。 2 0 世纪8 0 年代以后，随着高层建筑和大型公共建筑的迅速崛起，原有的 架设工具已不适应现代建筑施工需要的问题就日渐突出了。国内的一些建筑企 业开始引进国外流行的先进架设工具，如门式脚手架、碗扣式脚手架等。随着 高层、大跨度和特种工程的大量建造，悬、挂、挑脚手架、附墙升降脚手架以 及其它各种形式的脚手架在我国也得到了迅速的发展。由于这些工程对脚手架 技术和管理要求的提高，基本结束了过去架子工人凭经验搭设的状况，进入了 以科学设计和计算为依据的搭设和标准化管理的阶段，脚手架的使用开始由传 统的经验型向科技管理型发展。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国内研究现状 1 9 8 9 年，哈尔滨建筑工程学院的徐崇宝教授对双排扣件式钢管脚手架工作 性能进行了理论分析和试验研裂1 0 1 ，得出了一些重要的结论，对于认识脚手架 的工作性能具有十分重要的理论和工程价值，主要有：试验结果和理论结果 3 江苏大学硕士学位论文 相吻合，说明把双排扣件式钢管脚手架视为半刚性节点连接的多层多跨空间框 架是正确的；增加脚手架的横向刚度，可以更加有效的提高脚手架的承载能 力；一般情况下脚手架是沿它的横向发生整体失稳破坏的；紧固扣件扭力 矩是保证脚手架结构刚度的关键，试验证明当扣件紧固扭力矩不足时，将大大 降低脚手架结构的承载能力。 1 9 9 1 年，青岛建筑工程学院的袁欣平教授通过对全国各地施工企业扣件式 钢管脚手架纵向水平杆架设水平度偏差值和立杆架设垂直度偏差值的实测数据 进行了数理统计分析，提出了这两者的合理限值【“】。并得到以下结论：为了 确保脚手架安全可靠，并促进施工企业管理水平及施工质量的提高，拟定纵向 水平杆水平度允许偏差值为5 0 m m 即士2 5 m m 。由于考虑到立杆承载力及工 程实践习惯问题，故不能以脚手架长度的百分之几的相对值作为纵向水平杆水 平度允许偏差的限值，只能以绝对值作为水平度允许偏差限值。 1 9 9 4 年，吉林建筑工程学院的尹德生老师提出了直角扣件连接节点转动刚 度的实测方法及理论依据，从而为整个钢管支架系统建立了符合实际的力学模 型以及在不知道弯曲主轴的情况下，钢管截面弯矩和轴力测定的电测方法【1 2 1 。 试件的两自由端之间的相对位移是根据加载过程中直接测得的，而其中由于钢 管的弯曲变形而产生的位移是根据小变形弯曲理论从总位移中分离出来的，由 此可得出结点处角度的改变，从而算得结点的转动刚度。 2 0 0 1 年5 月，哈尔滨工业大学的刘宗仁教授提出了“扣件式钢管脚手架临 界力下限计算法”【1 3 】。在文献中反应了双排扣件式钢管脚手架的大、小横杆与 立杆采用扣件连接的节点属于“半刚性”节点，另外文中还提到，扣件的扭矩对 整体稳定极限承载力的影响是很大的，一是将空间脚手架简化为平面排架作横 向平面有限元分析，略去各类支撑、剪刀撑的有利影响，符合施工现场的实际 情况；二是施工时如果碰到扣件扭矩不足的，不能做到数值化的，或其他不利 影响时，该“半刚性”节点可能更接近于铰节点。对于扣件螺栓的紧固扭矩不足 ( j t i 4 m b 板面扭曲( 任一角翘起) ( 2 ) 扣件 目前，我国使用的扣件有可锻铸造扣件和钢板冲压扣件两种。由于可锻铸 造扣件的制作工艺成熟，有国家产品标准和专业检测标准，质量易于保证，因 此，提倡采用可锻铸造扣件。可锻铸造扣件的材质应符合现行的国家标准钢 管脚手架扣件( g b1 5 8 3 1 ) 的规定，铸件不得有裂纹、气孔；不宜有疏松、砂 眼或其他影响使用的铸造缺陷；采用其他材料制成的扣件，应经试验证明其质 量符合该标准的规定后方可使用。扣件在受力方面要求脚手架所采用的扣件， 在螺栓拧紧力矩达6 5 n m 时，不得发生爆破。 在扣件的检验方面，新扣件应有生产许可证、法定检测单位的测试报告和 产品质量合格证。当对扣件质量有怀疑时，应按现行国家标准钢管脚手架扣 件( g b1 5 8 3 1 ) 的规定抽样检测。旧扣件使用前应进行质量检查，有裂缝、变 1 4 扣件式钢管脚手架坍塌事故分析与安全评价方法的研究 形的严禁使用，出现滑丝的螺栓必须更换。而且新、旧扣件都应该进行防锈处 理。 ( 3 ) 脚手板 脚手板是工人施工的操作平台，它承受并传递施工荷载给水平杆，当设于 非操作层时，可提高脚手架的整体刚度，起到安全防护的作用。脚手板可采用 钢、木、竹材料制作，为便于工人操作，每块脚手板的质量不宜大于3 0 蚝。 钢脚手板应采用钢板制作，板面应平整，不应产生变形，钢脚手板的表面 应均匀分布防滑孔或防滑纹。板长2 “ - - 4 m ，宽2 5 0 m m ，其材质应符合现行国家 标准碳素结构钢( g b7 0 0 ) 中q 2 3 5 a 级钢的规定，不得有裂缝、开焊、与 硬弯现象，并应涂防锈漆，新脚手架应有产品质量合格证，脚手板尺寸偏差应 符合标准的规定。 木脚手板应采用杉木或松木制作，其材质应符合现行国家标准木结构设 计规范( g b5 0 0 0 5 ) 中i i 级材质的规定。脚手板厚度不小于5 0 0 m m ，宽度以 2 0 0 “ - - - 3 0 0 m m 为宜，长度为2 , - - 一6 m ，板两端8 0 m m ，应用直径为4 m m 的镀锌钢 丝箍两道r 1 。 竹脚手板宣采用毛竹或楠竹制作的竹串片、竹笆板。 ( 4 ) 底座 底座有可锻铸铁制造的标准底座和由套管与底板焊接而成的底座两种。可 锻铸铁制造的标准底座的材质和加工质量要求与可锻铸铁扣件相同；由套管和 底板焊接而成的底座套管长度为1 5 0 m m ，一般用外径5 7 m m 、壁厚3 5 m m 的钢 管制成，亦可用外径为6 0 m m 、壁厚为3 “ - 一4 m m 的钢管。底板一般采用边长为 1 5 0 m m ，厚为8 m m 的钢板制成。 江苏大学硕士学位论文 3 扣件式钢管脚手架坍塌之因 3 1 扣件式钢管脚手架坍塌事故的分类 3 1 1 从所受荷载的角度对脚手架坍塌事故进行分类 ( 1 ) 脚手架的整体竖向承载力不够引发整体压溃而发生的坍塌事故 脚手架的结构静载和施工活荷载分布情况的变化比较大，而局部荷载集中与 受力偏心较大的情况比较普通，也是不容易严格掌握和控制的口引。在下列情况 下容易导致坍塌事故：( a ) 如果在设计的过程中没有对荷载进行全面的考虑， 而当设计时取的荷载值偏小时，没有把实际施工过程中可能出现的所有荷载情况 全部考虑进去的话，就容易发生坍塌；( b ) 对于像工地施工设备振动引起的共 振和碰撞这样的偶然荷载没有提前采取一定的防范措施时，也容易发生坍塌。 ( 2 ) 横向载荷( 如风荷载) 突然加大致使脚手架横向失稳 横向载荷，特别是风荷载的作用容易使结构引起内力骤加，如果设计不合理 将会产生局部失稳，引发坍塌事故。尤其是在东北、西北、沿海一带，由于风荷 载导致的脚手架倒塌事故时有发生 3 8 。例如在青岛市某桥梁施工工地正在绑扎 的墩柱钢筋笼及脚手架突然倾倒，就是由于风荷载的作用，使其产生较大的倾覆 力矩，导致钢筋笼和脚手架失稳倾倒b 引。因此，在脚手架的设计与使用过程中， 风荷载是不容忽视的。 ( 3 ) 意外载荷致使脚手架的横向受力骤加整体失去稳定 车辆等脚手架的意外碰刮也是偶然荷载的一种，这种冲击力也像风荷载一样 具有不确定性。当意外载荷发生时，将使体系的局部受力骤加，而此时横杆和竖 杆之间没有预加压力，横杆承担的荷载会减小，导致作用在脚手架上的荷载不均 匀，横杆受力严重不足，致使脚手架整体倾斜，而引发坍塌口引。而这些因素却 很难在脚手架的设计及施工应用中把握，需要在脚手架的维护管理上加强预防。 3 1 2 从破坏形式的角度对脚手架坍塌事故进行分类 扣件式钢管脚手架自身的搭设，总会受到材料本身的质量、现场管理人员 的管理力度以及搭设人员的素质等多方面因素的影响。在脚手架的搭设和使用 1 6 扣件式钢管脚手架坍塌事故分析与安全评价方法的研究 过程中，由于受以上几方面因素的影响，会导致支架失稳、甚至坍塌。其脚手 架坍塌事故可分为以下两种类型： ( 1 ) 脚手架整体失稳，造成脚手架整体发生垂直坍塌。 当脚手架以相等步距、纵距搭设时，且连墙件设置均匀，在均布施工荷载 作用下，立杆局部稳定的临界荷载高于整体稳定的临界荷载，脚手架破坏形式 表现为整体失稳。整体失稳破坏时，脚手架呈现出内、外立杆与横向水平杆组 成的横向框架，沿垂直主体结构方向大波鼓曲现象，波长均大于步距，并与连 墙件的竖向间距有关3 。整体失稳破坏一般始于无连墙件的、横向刚度较差 的或初始弯曲较大的横向框架。一般情况下，整体失稳是脚手架的主要破坏形 式。 ( 2 ) 不按规定和标准搭设，造成脚手架整体向外或向内倾倒，甚至发生局部 坍塌。 当脚手架以不等步距、间距搭设，或连墙件设置不均匀，或立杆负荷不均 匀时，两种失稳破坏形式均有可能发生m 3 。当发生局部失稳破坏时，立杆在 步距之间发生小波鼓曲，波长与步距相近，内、外立杆变形方向可能一致，也 可能不一致。从而造成脚手架整体向内或向外倾倒，甚至局部坍塌。 3 1 3 从搭设不合理的角度对脚手架坍塌事故进行分类 扣件式钢管脚手架发生坍塌，从技术角度来讲，脚手架结构支架坍塌破坏 之所以会发生，不外乎出现以下两种情况，或者二者兼而有之：一是架体搭设 不合理，致使杆件、节点实际受到的荷载作用超过了其实际具有的承载能力， 特别是稳定承载能力；二是架体由于受到了不应有的荷载作用( 侧力、扯拉、扭 转、冲砸等) ，或者架体发生了不应有的设置与工作状态变化( 倾斜、滑移和不 均衡沉降等) ，招致发生非原设计受力状态的破坏h 。 从搭设不合理的角度来分析，脚手架坍塌事故可分为以下几类： ( 1 ) 与地基基础处理不当相关的坍塌事故； ( 2 ) 与主要杆件设置不合理相关的坍塌事故； ( 3 ) 与辅助杆件设置不合理相关的坍塌事故； ( 4 ) 与连接件设置不合理相关的坍塌事故。 1 7 江苏大学硕士学位论文 3 2 扣件式钢管脚手架坍塌之因 3 2 1 地基基础处理不当 脚手架的地基基础是脚手架最主要的受力部位，直接关系到脚手架的安全与 稳定。通过调查发现：许多工地对脚手架基础处理马虎，有的甚至在回填土未夯 实前就开始搭设，这样一旦下雨回填土下沉，脚手架就会产生较大的不均匀沉降， 使脚手架整体产生较大的变形；有些工地的排水措施处理不当，只是根据现场自 然散水，这样一旦下雨，脚手架基础就积水，基础局部就下沉，脚手架也会产生 不均匀沉降，使整体外架产生变形e 4 2 有些工地在搭设脚手架时立杆下不设置 垫块及底座，这样就减少了立杆与地基基础的接触面积，增大了立杆对基础的压 强，使两立杆之间产生不均匀沉降；有些工地立杆埋设的太浅，有的立杆底端未 设置扫地杆，这样就大大降低的立杆的稳定性。以下就是一起与地基基础处理不 当相关的坍塌事故。 案例一：2 0 0 6 年8 月2 9 日，厦门同安湾大桥工程在浇筑箱梁体混凝土时， 满堂支架高1 0 4 m 发生局部失稳坍塌，导致正在浇筑的混凝土桥箱梁垮塌，造 成1 7 人受伤r 4 3 。 通过调查分析得知，造成该脚手架坍塌的主要原因为： 该设计方案未考虑高海潮水位对支架中立杆基础的不利影响。该地段原 为海堤外浅滩涂，施工单位使用袋装海砂在两侧码砌，中间回填海砂筑岛，填 筑的高度约为4 “ - 5 m ，作为满堂支架的基础。但是，该方案中未考虑海砂筑岛 回填砂基遇潮水浸渗对支架立杆基础的不利影响。 扣件式钢管脚手架支撑体系搭设不符合规范的要求。立杆对接接头没有 错开，且同在一个平面内；底托伸出钢管的长度超过3 0 0 m m 时未采取可靠措施 固定；纵、横向剪刀撑设置不足，水平向未设置剪刀撑，扫地杆设置高度偏高 等。从现场的实际用材看，钢管壁厚严重不足，扣件重量偏轻。 基础沉降量仅根据经验取值。在满堂支架的设计方案中，未进行支架立 杆基础沉降量的计算，仅根据个人经验取值；对地基承载力及基础变形计算分 析也不到位。致使基础发生了不均匀沉降( 见附录图3 1 ) 。 通过对案例一的分析得知：若脚手架的地基处理不当，将会从根本上影响 扣件式钢管脚手架坍塌事故分析与安全评价方法的研究 脚手架的安全。在脚手架搭设前，必须按建筑扣件式钢管脚手架安全技术规 范( j g j1 3 0 - - 2 0 0 1 ) ( 以下简称规范) 要求，验算其地基承载力。立杆埋设 时，在每根立杆底部应设置垫板或底座，并应设置纵、横向扫地杆，以防止脚 手架出现不均匀沉降、倾斜、倾覆。对于普通多层建筑搭设，一般搭设高度低 于2 5 m 时，其基础可用素土夯实找平，上面铺5 0 m m 的厚木板。而对于高层用 脚手架的基础必须在施工组织设计中进行设计计算，应根据施工现场地耐力情 况设计基础做法，或采用回填土分层夯实达到设计要求，并用枕木支垫，或浇 筑混凝土，再仰铺1 2 “ - 1 6 # 槽钢。脚手架基础的排水措施，应考虑在施工区域 内临时排水系统的总体规划中，做到脚手架底座面标高高于自然地坪5 0 m m ， 并在立杆基础周围设置排水沟，排水沟纵向的坡度宜控制在1 9 o o , - - , 2 0 o o 。 3 2 2 主要杆件设置不合理 组成扣件式钢管脚手架的主要杆件包括：立杆、水平杆、剪刀撑及横向斜 撑。立杆是平行于建筑物并垂直于地面的杆件，同时也是组成脚手架结构中最 重要的杆件，其主要作用是承受脚手架传来的垂直荷载；水平杆作为脚手架的 重要组成杆件，其作用是在一定程度上约束立杆的屈曲变形，使立杆能够形成 一个整体受力的结构，这样有利于提高脚手架的整体稳定性；剪刀撑可以加强 脚手架结构的整体刚度和空间作用，将整个结构纵向平面连成几何不变体系， 以保证架体的稳定性，同时也能提高立杆的稳定承载力。而横向斜撑则可以提 高脚手架的横向刚度，也能显著提高脚手架的稳定承载力。 以下案例就是由于主要杆件设置不合理而引起的坍塌事故。 案例二：2 0 0 4 年元月1 5 日凌晨2 点，南京双桥门高架雨花铁路站附近一 跨模板支架垮塌【删，该事故造成4 人重伤，2 0 人轻伤。该工程是同步施工类 似标段的支模方法，底部碗扣架，项部扣件式钢管脚手架。其中所用的扣件式 钢管脚手架，基本架体尺寸为肋梁下双向0 6 m x o 6 m ，板下0 9 m x o 9 m ，步高 1 6 m 。基本架体完整。 通过调查发现，造成这次事故的主要原因为：立杆采用搭接接长的方式连 接，连接时用的是旋转扣件( 见附录图3 2 ) ，因扣件连接不牢而发生脱落，进 而引起坍塌事故的发生。 案例三：2 0 0 4 年9 月1 日晚2 2 时4 8 分，江苏商业管理干部学院南京江宁 1 9 江苏大学硕士学位论文 校区现代教育中心工程，在浇筑两幢框架楼间9 “ 1 3 轴线廊道项层屋面梁板混 凝土时，发生了模板支架系统整体坍塌的恶性事故h 卯。造成作业人员2 2 人伤 亡，其中5 人死亡( 现场死亡2 人，3 人经医院抢救无效死亡) ，3 人重伤，1 4 人轻伤。该工程坍塌的结构部分为东西两个教学楼的联络通道项屋盖，跨度为 1 6 m ，楼板厚l o o m m ，反梁的尺寸为3 5 0 m m x l 2 0 0 m m 。支模架高1 8 m ，搭设的 架体基本尺寸为纵横向l m x l m ，步高1 8 m 。实际搭设时，东西向的水平杆每 步均设，南北向的水平杆每三跨( 每隔两根立杆) 设置。查东侧由同一支模作 业队搭设的两层空间的已浇混凝土支架，可见坍塌支架的基本构造中缺少水平 杆b 1 ( 见附录图3 3 ) 。 主要原因分析： 在水平杆搭设方面： 横向每隔两根立杆设置，总延米为：4 根1 7 2 m x l o 步= 6 8 8 m 纵向每步均设置，总延米：1 8 根x 1 3 m x l o 步- - 2 3 4 0 m ( 如果按每跨均设的话，那么总延米：1 3 根x 1 7 2 m x l o 步= 2 2 3 6 m ) 经技术分析，该支模系统整体坍塌的直接原因为：南北向水平杆仅搭设所 需用量的3 0 ( 见附录图3 4 ) 3 ，造成5 0 的立杆长细比过大，模板支撑系 统整体刚度严重不足而造成失稳坍塌。 构造处理：该工程支架搭设极不规范，查看现场无扫地杆、无剪刀撑、 未与东西向主体结构有效拉结，造成该支模架承载能力下降。 案例四：2 0 0 5 年4 月，南京河西中央公园工程地下室施工过程中发生了大 面积模板支架整体坍塌事故，死1 人。该地下室的顶板厚4 0 0 m m ，柱帽处局部 板厚1 0 0 0 m m ，地下两层，负一层支模高度为6 m 。该工程的支模高度不大，但 支模面积特别大。地下室负二层施工时采用了先浇柱，后浇板的方法。由于工 期特别紧，在负一层施工时，改用柱和板的混凝土一次性浇筑 。 通过调查发现，导致事故的主要原因为： ( 1 ) 搭设的支架水平杆严重不足，通过查看现场的残存支架发现，基本架体 尺寸为双向l m x l m ，步高1 8 m 。而水平杆的搭设每步高处都为单向设置，可 是上下步高处却为相互正交( 见附录图3 5 ) 。由此，按正常的立杆承载力计算 出的长度将加大一倍，导致6 m 高的钢管支撑接近极限承载力。 ( 2 ) 搭设的构造不全，扫地杆未设( 见附录图3 6 ) ，纵向剪刀撑未设( 见附 2 0 扣件式钢管脚手架坍塌事故分析与安全评价方法的研究 录图3 7 ) 。在泵送混凝土管给予初始水平冲击力下，整体支架的抗水平力严重 不足，出现了支架的连片倾斜倒塌。 通过对以上几个案例的分析得出，主要杆件搭设不合理是导致事故发生的重 要原因。由于立杆的稳定承载能力对水平杆步距的变化很敏感，并随着步距的增 大而大幅降低，当施工荷载较大时，应适当缩小纵横向水平杆的步距，以减小立 杆的长细比( t d ，才可以充分发挥钢管的强度，使其更为安全可靠。因此对水 平杆的最大步距予以限制是非常必要的刀。在脚手架的搭设和使用过程中，水 平杆若发生变形只会影响脚手架的局部，而立杆若发生变形或不均匀沉陷，则会 影响脚手架的整体稳定性。 不合理的剪刀撑设置将会极大降低脚手架的整体稳定承载力。反之，合理的 剪刀撑设置能够明显地提高脚手架的稳定承载能力，尤其是竖向剪刀撑对提高脚 手架的稳定承载力贡献比较大。张洪亮研究发现 ：竖向剪刀撑的设置对立杆 稳定承载力具有很大的影响。当设置了竖向剪刀撑后，支架立杆的稳定承载力提 高了1 3 以上。可见设置竖向剪刀撑是扣件式钢管脚手架非常关键的一项构造措 施，应当给予足够的重视。竖向剪刀撑须纵横两个方向双向设置，若仅在一个方 向上设置竖向剪刀撑，其对支架的稳定承载力基本无贡献。因为此时屈曲将发生 在垂直于有竖向剪刀撑的平面内；在步距中间设置剪刀撑，相比传统的将剪刀撑 设置在节点处的做法，更为合理，可以更大幅度的提高立杆的稳定承载力。因此， 在实际工程中，必须要保证设置中间竖向剪刀撑。然而在许多施工现场，不按照 规定要求搭设主要构件，所以造成脚手架的坍塌。 3 2 3 辅助杆件设置不合理 组成扣件式钢管脚手架的辅助杆件包括脚手板、栏杆与挡脚板、安全网。其 中脚手板的作用是用来直接承受施工荷载的；栏杆的作用是防止人员在各种情况 下( 站立和下蹲作业) 的坠落，故设上下两道横杆。其作法必须保障意外情况身 体外挤时( 按1 0 0 0 n 外力) 的构造要求。当特殊情况考虑发生人群拥挤或车辆 冲击时，应单独设计加大栏杆及柱的截面。另外，考虑作业时，可能由于人体失 稳，脚部可能从栏杆下面滑出或脚手板上的钢筋、钢管、木杆等物料滚落，故规 定设置档脚板，也可采用立网封闭，防止人员或物料坠落；安全网的作用是防止 人、物坠落或用来避免、减轻坠落物带来的伤害，保护高处作业人员和行人的安 2 l 江苏大学硕士学位论文 全及维护工地清洁。而且安全网的支搭标准是网外皮利用边绳与钢管连接，安全 网的接头搭接要严密，网绳要与架子上杆件绑牢，无破损，松紧要适当。且网内 要经常保持无杂物。 通过对事故的调查发现，在有的施工现场，脚手架作业层未满铺脚手板；有 的是未搭设安全网或安全网数目不足；在有些工地缺少必要的安全防护措施。因 此，在脚手架的搭设过程中，在安全搭设主要构件的前提下，也要对辅助构件的 搭设予以重视。只有这样才能更好的提高脚手架的安全性。 3 2 4 连接件设置不合理 组成扣件式钢管脚手架的连接件包括：连墙件和扣件。连墙件是防止脚手 架横向变形的重要措施，防止因风荷载而引发的向内或向外倾覆事故，同时可 以作为脚手架的中间约束，提高承载力，保证其整体稳定性。而扣件是连接钢 管、传递荷载的关键。脚手架扣件节点在荷载作用下具有一定的转动能力，即 脚手架框架结构节点既非完全的刚接，也非完全的铰接，而是一种半刚性节点。 扣件节点的抗转动能力与扣件质量和安装质量密切相关，这直接影响脚手架的 结构刚度。 通过对大量坍塌事故的调查分析发现：在所发生的脚手架坍塌事故中，绝 大部分都与连墙件的设置有关。其具体表现为：在方便的地方多设，不便的地 方少设或不设，这就造成局部连墙件偏少，导致脚手架变形过大，最终导致坍 塌事故的发生m 引。调查还发现，在有些施工单位无脚手架扣件紧固程度的检 验资料，而且经常存在扣件紧固程度严重不足的现象，这使得脚手架的承载力 和稳定性难以保证。以下案例就是与连墙件设置不合理相关的坍塌事故。 案例五：2 0 0 4 年8 月1 8 日上午1 0 点3 0 分左右，内蒙古包头市科技图书 城用于外装修搭建的约有3 0 米高、2 0 多米宽的脚手架整体发生坍塌，造成1 3 名民工受伤【4 9 1 。脚手架坍塌现场( 见附录图3 8 ) 。 调查得知造成这次事故主要原因为：脚手架在搭设过程中，连墙件设置数 量较少，致使连墙件拉力严重不足，加之事故发生时脚手架地基基础土方不坚 实，又有雨水等地表水浸入以及其它工种的施工影响，使得脚手架的基础下沉 局部悬空，从而导致脚手架整体发生坍塌。 通过对案例五的分析得知，连墙件设置不当或连接不牢固，都会影响脚手 2 2 扣件式钢管脚手架坍塌事故分析与安全评价方法的研究 架的整体稳定性。这是由于脚手架的整体稳定性决定于其与主体结构是否存在 可靠连接。而连墙件一旦失效，脚手架的失稳摸态曲线的波长将加大l 倍以上， 从而大幅度地降低其承载能力，甚至导致脚手架坍塌。因此，在脚手架搭设过 程中，须按规范的要求，从底层第一步纵向水平杆处开始设置连墙件，且 应尽量设置在框架梁或楼板等具有较好抗水平力作用的结构上，以增加脚手架 的整体刚度，避免倾覆。 3 2 5 小结 上述内容主要是从扣件式钢管脚手架搭设不合理的角度来分析并研究脚手 架在搭设和使用过程中，有哪些不安全因素可能导致脚手架坍塌事故的发生。并 结合典型的坍塌事故案例来深入分析扣件式钢管脚手架的安全性，得到以下结论： ( 1 ) 脚手架的地基基础处理不当，将会从根本上影响脚手架的安全，甚至引 起坍塌。坚实的地基基础，是提高立杆承载力的关键要素。 ( 2 ) 主要杆件搭设不合理是导致脚手架发生坍塌最重要的因素。因此，在脚 手架的搭设过程中，管理人员、施工人员要尽职尽责，严格按照规定搭设脚手架， 以减少事故的发生。 ( 3 ) 辅助构件搭设不合理同样也会导致脚手架坍塌事故的发生。如脚手架作业 层未满铺脚手板，未搭设安全网，缺少必要的安全防护措施。因此，在施工现场 要严格按照规范标准进行安全防护。 ( 4 ) 脚手架的稳定性决定于连墙件与主体结构之间是否存在可靠连接。连墙 件一旦失效，就会大幅度地降低脚手架的承载能力，甚至导致脚手架坍塌；当 扣件的紧固程度不足时，也会极大的降低脚手架的承载能力。因此，在脚手架 搭设过程中，一定要注意连墙件与主体结构之间的可靠连接。而且扣件的扭力 矩取值必须合适。 江苏大学硕士学位论文 4 扣件式钢管脚手架力学分析 4 1 扣件式钢管脚手架的受力分析 4 1 1 扣件式钢管脚手架荷载的传递路线 作用于扣件式钢管脚手架上的荷载可归纳为两大类，即竖向荷载和水平荷 载，它们的传递路线如图4 1 所永5 0 1 。 图4 1 荷载传递路线 f i g4 1l o a dp a t h 由图4 1 的荷载传递路线可知：作用于脚手架上的全部竖向荷载和水平 荷载最终都是通过立杆传递的；由竖向和水平荷载产生的竖向力由立杆传给基 础；水平力则由立杆通过连墙件传给施工中的建筑物。分清组成脚手架的各 构件各自传递那些荷载，从而明确哪些构件是主要传力构件? 各属于何种受力 构件? 以便按力学、结构知识对它们进行计算5 0 1 。 4 1 2 扣件式钢管脚手架的受力分析 由图4 1 荷载的传递路线可知：扣件式钢管脚手架主要是由大、小横杆、 立杆、各种支撑及连墙件用扣件连接起来的多层多跨空问结构体系。其主要杆 2 4 蛆 幽 胆 艘 秆 扣件式钢管脚手架坍塌事故分析与安全评价方法的研究 件的受力分析5 1 1 如下： 立杆，又称竖杆。它的作用是用来传递脚手架上的全部竖向荷载和水平 荷载的。它的强度和刚度将对脚手架的整体稳定性有着非常重要的影响。立杆 可看成是一个具有等节间长度、等刚度的弹性支承压曲杆件洲。立杆整体稳定 的临界荷载值可用欧拉公式表示为： p q ：粤 ( 4 1 ) = 一 r 41 、 q ( 曲2 r “7 式中：e 一一压杆材料的抗弯弹性模量； 卜截面对中性轴的惯性矩； l 一压杆长度( 可视为立杆上两横杆间的距离) ； 卜支座系数( 介于0 7 l 之间) 。 由公式分析可知，若l 增大一倍，则就会减小四倍。即l 的变化，对于临 界力b i 的影响是很大