高边坡深浅层支护施工脚手架设计与计算.docVIP

中国水利水电第七工程局有限公司 高边坡深浅层支护施工脚手架设计与计算腿膄薆蚇肅膃蚈袂羁膂莈蚅袇芁蒀袀螃芀薂蚃肂艿节衿肈芈蒄蚁羄芈薇羇袀芇虿螀膈芆荿薃肄芅蒁螈羀莄薃薁袆莃芃螆螂莃莅蕿膁莂薇螅肇莁蚀蚇羃莀荿袃衿荿蒂蚆膈莈薄袁肄蒇蚆蚄羀蒇莆袀袆肃蒈蚂螂肂蚁羈膀肁莀螁肆肀蒃羆羂肀薅蝿袈聿蚇薂膇膈莇螇肃膇葿薀罿膆薁螅羅膅莁薈袁膄蒃袄腿膄薆蚇肅膃蚈袂羁膂莈蚅袇芁蒀袀螃芀薂蚃肂艿节衿肈芈蒄蚁羄芈薇羇袀芇虿螀膈芆荿薃肄芅蒁螈羀莄薃薁袆莃芃螆螂莃莅蕿膁莂薇螅肇莁蚀蚇羃莀荿袃衿荿蒂蚆膈莈薄袁肄蒇蚆蚄羀蒇莆袀袆肃蒈蚂螂肂蚁羈膀肁莀螁肆肀蒃羆羂肀薅蝿袈聿蚇薂膇膈莇螇肃膇葿薀罿膆薁螅羅膅莁薈袁膄蒃袄腿膄薆蚇肅膃蚈袂羁膂莈蚅袇芁蒀袀螃芀薂蚃肂艿节衿肈芈蒄蚁羄芈薇羇袀芇虿螀膈芆荿薃肄芅蒁螈羀莄薃薁袆莃芃螆螂莃莅蕿膁莂薇螅肇莁蚀蚇羃莀荿袃衿荿蒂蚆膈莈薄袁肄蒇蚆蚄羀蒇莆袀袆肃蒈蚂螂肂蚁羈膀肁莀螁肆肀蒃羆羂肀薅蝿袈聿蚇薂膇膈莇螇肃膇葿薀罿膆薁螅羅膅莁薈袁膄蒃袄腿膄薆蚇肅膃蚈袂羁膂莈蚅袇芁蒀袀螃芀薂蚃肂艿节衿肈芈蒄蚁羄芈薇羇袀芇虿 葿蚃螂肃腿蒆蚈肂芁蚁羇肁蒃蒄羃肀薆螀衿聿芅薂螅聿莈螈蚁肈蒀薁罿肇膀螆袅膆节蕿螁膅莄螅蚇膄薆薇肆膃芆蒀羂膃莈蚆袈膂蒁蒈螄膁膀蚄蚀膀芃蒇罿艿莅蚂袅芈蒇蒅螁芈膇蚁螇芇荿薃肅芆蒂蝿羁芅薄薂袇芄芄螇螃袁莆薀虿羀蒈螅羈罿膈薈袄羈芀螄袀羇蒂蚆螆羆薅葿肄羅芄蚅羀羅莇蒈袆羄葿蚃螂肃腿蒆蚈肂芁蚁羇肁蒃蒄羃肀薆螀衿聿芅薂螅聿莈螈蚁肈蒀薁罿肇膀螆袅膆节蕿螁膅莄螅蚇膄薆薇肆膃芆蒀羂膃莈蚆袈膂蒁蒈螄膁膀蚄蚀膀芃蒇罿艿莅蚂袅芈蒇蒅螁芈膇蚁螇芇荿薃肅芆蒂蝿羁芅薄薂袇芄芄螇螃袁莆薀虿羀蒈螅羈罿膈薈袄羈芀螄袀羇蒂蚆螆羆薅葿肄羅芄蚅羀羅莇蒈袆羄葿蚃螂肃腿蒆蚈肂芁蚁羇肁蒃蒄羃肀薆螀衿聿芅薂螅聿莈螈蚁肈蒀薁罿肇膀螆袅膆节蕿螁膅莄螅蚇膄薆薇肆膃芆蒀羂膃莈蚆袈膂蒁蒈螄膁膀蚄蚀膀芃蒇罿艿莅蚂袅芈蒇蒅螁芈膇蚁螇芇荿薃肅芆蒂蝿羁芅薄薂袇芄芄螇螃袁莆薀虿羀蒈螅羈罿膈薈袄羈芀螄袀羇蒂蚆螆羆薅葿肄羅芄蚅羀羅莇蒈袆羄葿蚃螂肃腿蒆蚈肂芁蚁羇肁蒃蒄羃肀薆螀衿聿芅薂螅聿莈螈蚁肈蒀薁罿肇膀螆袅膆节蕿螁膅莄螅蚇膄薆薇肆膃芆蒀羂膃莈蚆袈膂蒁蒈螄膁膀蚄蚀膀芃 高边坡深浅层支护施工脚手架设计与计算常耀华（中国水利水电第七工程局有限公司锦屏施工局,四川 成都）摘要：扣件式钢管脚手架工程是高边坡开挖支护施工中常用的且十分重要的临时设施，这项工作的优劣将直接影响工程的安全、经济、进度、文明施工、效率等。扣件式钢管脚手架的搭建安装，拆卸转移在地形和场地条件复杂的高边坡环境下比较方便，在荷载作用下稳定性较好。现以2008年四川锦屏一级水电站大坝左岸1885m以下边坡开挖支护工程施工脚手架设计与施工为例，浅述一下我们的应用。关键词：高边坡 深浅层支护 脚手架施工 设计 稳定性计算1 概述锦屏一级水电站混凝土双曲拱坝坝顶高程1885m，建基面高程1580m，最大坝高305m。大坝左岸EL1885.0EL1730.0m拱肩槽边坡分设11级马道，每级马道间高差15m，马道宽2m，拱肩槽上、下游边坡坡比10.310.5，拱肩槽部位边坡坡比10.1510.35。大坝左岸1885m高程以下边坡支护工程项目繁多、支护工程量大，包含了预应力锚索、锚喷支护、混凝土梁、面板混凝土、排水孔等施工项目，各类施工项目布置形式及参数差异较大。施工脚手架作为上述施工项目作业的载体，在边坡支护临时设施中占有极高的地位，涉及施工安全、进度及文明施工，需要按要求进行设计、审批，并严格按要求施工。2 设计参数（1）按照1：0.15坡比进行脚手架设计。（2）脚手板为5cm厚木脚手板，其自重标准值为0.35kN/m2。（3）钢管尺寸均为48mm3.5mm，其质量符合现行国家标准碳素结构钢（GB/T700中）Q235-A级钢的规定（Q235钢抗拉、抗压、抗弯强度设计值=205N/mm2，弹性模量E=2.06105N/mm2）。（4）施工荷载按照纵向30m、高程方向15m脚手架范围铺设4层木脚手板，同时作业2层，每层布置4台钻机，最多布置8台钻机进行考虑（连续5跨内布置1台钻机作业），单台YXZ70A钻机主机重0.85t，施工人员3人，重225kg，计算荷载按照5跨内布置1台YXZ70A钻机，同时配置3名施工人员，即，施工荷载，计算时，荷载按照2.30KN/m2考虑。（5）脚手架连壁锁脚锚杆采用25mm螺纹钢筋，按照1步2跨（1h2L）进行设置；地面设横向、纵向扫地杆，贴坡面亦设扫地杆，扫地杆均离地面（坡面）30cm；并布置必要的斜撑、横向支撑与剪刀撑进行加固。同时在每级马道上沿脚手架纵向，每两跨设置水平内拉连墙件，防止脚手架整体向外倾翻。（6）锚索施工脚手架设计尺寸锚索施工脚手架采用钢管扣件式综合爬坡脚手架体系，脚手架间排距结合坡面锚索布置形式以及结构稳定性、其立杆横距=1.40m，横杆间距=1.40m，作业层0.45/0.50m，立杆纵距=1.40m，横杆步距=1.80m，最大搭建高度15m。见图1图2。锚索施工脚手架按间距1.8m2.8m设置锚杆、插筋（插筋垂直坡面搭设），并通过拉条焊接与脚手架连接作为脚手架连墙加固杆件。（7）脚手架马道基础锁脚锚杆采用25mm螺纹钢筋进行锚固。图1 锚索施工脚手架布置立面示意图（四层锚索） 图2 施工脚手架坡面典型剖面图3 设计计算作用于横向水平杆的线荷载设计值；脚手板自重，0.35KN/m2；施工均布荷载标准值，2.30kN/m2；作用于横向水平杆的线荷载标准值；小横杆间距，0.45m、0.50m（计算时取大值）；立杆横距，0.60m、1.40m（计算时取大值）；立杆纵距，1.40m横杆步距，1.80m由横向水平杆传给纵向水平杆的集中力设计值 由横向水平杆传给纵向水平杆的集中力标准值。4 锚索施工脚手架4.1 脚手架纵、横水平杆计算（见图3图4）图3横向水平杆计算简图(单位：cm)（按3跨连续梁进行计算）图4 纵向水平杆计算简图(单位：cm)（按6跨连续梁计算）4.1.1 横向水平杆的抗弯强度和挠度计算（按3跨连续梁计算见图5图6）=1.20.350.50+1.42.300.50=1.82KN/m=(0.35+2.30)0.50=1.325KN/m 图5 横向水平杆弯矩图（单位：KNm） 图6 横向水平杆剪力图（单位：KN）按照3跨连续梁计算可知(图5 横向水平杆弯矩图)，跨中最大弯矩：M1=0.25KNm；支座最大负弯矩：M2=0.39KNm。=0.251065.08103=76.77N/mm2205N/mm2，满足要求。=51.325(1.4103)4/3842.0610512.19104=2.64mmV=150=9.3mm.4.1.2 纵向水平杆的抗弯强度和挠度计算（按6跨连续梁计算见图7-图）由上图6可知：横向水平杆传给纵向水平杆的集中力设计值，Fmax=1.53（1.42）=2.95kN按照6跨连续梁计算可知（图7纵向水平杆弯矩图），跨中最大弯矩：M1=0.96KNm；支座最大弯矩：M2=1.14KNm。=0.961065.08103=188.97N/mm2205N/mm2，满足要求。 =1.146（2.951.2）（1.4103）31002.0610512.19104 =3.1mmV=150=9.3mm图7 纵向水平杆计算简图图8 纵向水平杆弯矩图（单位：KNm） 图 纵向水平杆剪力图（单位：KN）经计算知，在采用全液压锚固钻机YXZ70A锚索钻孔施工时，考虑钻机自重较大，纵向横杆与立杆处的负弯矩较大，钻机就位前，对其钻机部位脚手架进行局部加固，在确保安全可靠的情况下再进行钻机安放，加固方式主要采用在大横杆中间加斜撑以提高大横杆的抗弯强度，斜撑结合岩面系统锚杆进行设置。4.2 扣件抗滑力计算 根据建筑施工扣件钢管脚手架安全技术规范JGJ130-2001中5.2.5规定，纵向或横向水平杆与立杆连接时，其扣件的抗滑承载力应符合下式规定：式中R纵向、横向水平杆传给立杆的竖向作用力设计值； Rc扣件抗滑承载力设计值。直角扣件、旋转扣件抗滑承载力设计值按JGJ130-2001中表5.1.7取Rc=8KN。由上图纵向水平杆剪力图（图）可知，纵向水平杆通过扣件传给立杆竖向力设计值：，满足要求。4.3 立杆稳定性计算（按照15m搭建高度进行计算）（1）施工荷载作用下，单根立杆的最大轴向力设计值（据上图纵向水平杆剪力图（图）：（2）按实际计算脚手架立杆承载的自重小横杆：931.40.038KN/m=1.436KN大横杆：91.40.038KN/m=0.479KN立杆：150.038KN/m=0.57KN扣件：（94+15）0.015KN=0.765KN剪刀撑：（15.3+6.34）0.038KN/m=1.539KN脚手架自重作用下单根立杆产生的轴向力标准值为：F2k=1.436+0.479+0.57+0.765+1.539=4.024KN脚手架自重作用下单根立杆产生的轴向力设计值为：F2=4.024KN1.2=4.829KN（3）立杆轴向力设计值（4）验算长细比长细比，验算长细比时，应取k=1。计算立杆稳定系数时，应取k=1.155。长度系数取=1.75。k=1时，满足要求。k=1.155时，则,。组合风荷载时： 计算Wk风荷载标准值：Wk=0.7szWo式中：0.7折减系数,(临时性，最多按5年考虑，一般3年)；Wo基本风压；查建筑结构荷载规范GB50009-2001.西昌地区 Wo=0.2KN/m2(10年一遇)；s体型系数；s=1.0；脚手架挡风系数；近视取=0.8计算；z风压高度变化系数（建筑结构荷载规范GB50009-2001）；取z=3.12Wk=0.7szWo =0.71.00.83.120.2=0.35KN/m2. 计算风荷载标准值产生的弯矩 立杆稳定验算，满足要求。由于脚手架为边坡深浅层支护的主要载体，安全问题尤为重要，为了安全期间，脚手架设计过程中采用以下措施加强脚手架整体稳定性，具体如下：（1）沿纵向每4跨设置一道横向剪刀撑，剪刀撑沿高程方向连续设置；沿横向每2跨设置一道纵向剪刀撑，剪刀撑沿高程方向连续设置，以确保脚手架整体稳定；（2）沿脚手架全高采用柔性拉锚系统分段向上斜拉，斜拉方向上倾45度，柔性钢绳拉锚系统按照5.4m5.6m间距进行布置。同时，每级马道临边设置一排地锚插筋与脚手架水平小横杆连接牢固，地锚间距与脚手架纵向间距一致，按照2.8m间距进行设置。通过以上局部加固，以起到分段卸荷和防止脚手架在钻机冲击反力作用下向外倾翻，确保高脚手架整体安全稳定。4.4 脚手架与结构的连接计算（连墙杆计算）连墙杆件稳定计算分析条件，按照力的平衡原理，及插筋锚固力（Nak）大于等于连墙杆外荷载作用下的轴向力（Nl）时，则脚手架不会发生向外倾翻现象。故可知：式中：单根锚筋锚固力设计值。4.5.1关于施工荷载（包含风荷载）作用下连墙插筋轴向作用力计算（1）风荷载作用下连墙杆产生的轴向力计算：连墙杆轴向力设计值计算公式：式中：连墙杆轴向力设计值（KN）；风荷载产生的连墙杆轴向力设计值；(每个连墙杆负责的面积连墙杆约束脚手架平面外变形所产生的轴向力（KN）。计算公式： 计算Wk风荷载标准值：式中：0.7折减系数,(临时性，最多按5年考虑，一般3年)；基本风压；查建筑结构荷载规范GB50009-2001.西昌地区 Wo=0.2KN/m2(10年一遇)体型系数；脚手架挡风系数；近视取计算；风压高度变化系数（建筑结构荷载规范GB50009-2001）；取=0.71.00.83.120.2=0.35KN/m2。 计算每个连墙杆负责的面积Aw及连墙杆插筋水平间距乘以垂直间距=1h2L=11.821.4=5.04m2 单个连墙杆风荷载产生的轴向力：=1.40.355.04=2.47KN（2）外荷载作用下连墙杆产生的轴向力计算：施工荷载按照作业平台连续6跨全高15m范围内布置（两层作业平台，每层作业平台2台钻机）4台XYZ70A钻机同时作业进行设计计算（XYZ70A钻机动力头最大给进力30KN），同时作业是产生的总体水平力=304=120KN。风荷载产生的单根连墙杆的轴向力=2.47KN。四台钻机施工平面内（连续5跨全高15m范围作业平台内）连墙插筋数量：n=（151.45）（11.821.4）+1=22（根）（连墙杆布置按照1步2跨（1h2L）及单个插筋水平轴向力。钻机自重：G=0.85t=0.854=3.4t=34KN。则，钻机自重在单根连墙插筋轴向的分力为：G1=Gcos84。22=34cos84。22=0.16KN=12022=5.45KN（3）作用在连墙杆上的轴向力计算：=5.45cos2。+2.47cos6。-0.16=7.74KN。（考虑了10年一遇西昌地区风荷载，钻孔角度取本标段锚索下倾最小角度8。进行设计计算）4.5.2关于单根插筋锚固力设计值的计算（1）按锚固体表面与周围岩体间的粘结强度计算，所得到的锚杆轴向拉力标准值为： (1)式中：-锚固端长度，设为1.5m；D-锚固体直径，取0.025m；-岩层与锚固体粘结强度特征值，按2类岩石取120KPa（适用于注浆强度M30）。(GB 50330-2002)-工作条件系数，取0.75。则，（2）按锚筋与锚固砂浆间的粘结力来计算，确定的锚杆轴向拉力标准值为： （2）式中：-锚固端长度，设为1.5m；d-锚索直径，0.025m；-钢筋与锚固砂浆间的粘结强度设计值，按M20水泥浆强度等级取值1.95MPa；(GB 50330-2002)n-插筋数量，n=1；-工作条件系数，取0.60。-重要性系数，取4.0。从偏于安全考虑，按上述计算值取小值，即锚固长度1.5m，直径25mm插筋，岩石条件按2类岩石考虑，单根插筋锚固力计算值得Nak =10.60KN。经过上述计算：=7.74KNNak=10.60KN故，可知（连墙杆插筋布置按照1步2跨（1h2L），岩石类型2时，搭设插筋锚固长度1.8m，满足安全稳定要求。同理（计算方法同前），根据建筑边坡工程技术规范（GB50330-2002）岩石与锚固体粘结强度特征值（适用于注浆强度M30），通过计算各种岩石条件下，脚手架连墙插筋锚固长度分别如下：岩石类别Frb值(kpa)插筋入岩深度岩石类别Frb值(kpa)插筋入岩深度及软岩1351.4m较硬岩5500.4m软岩1801.0m坚硬岩9000.3m较软岩3800.5m备注连墙插筋直径25mm（表中插筋入岩深度按照规范要求取小值进行设计，表中数据适用于注浆强度等级为M30。）综上，经过对锚索支护施工脚手架，小横杆、大横杆、立杆的抗压、抗弯以及连墙杆防倾翻计算分析，该脚手架均处于稳定状态，满足稳定要求。5 设计注意事项（1）从上面的计算可知，在进行施工脚手架连墙件设置计算时，必须考虑岩石的类别，在具体施工时，根据开挖揭示的边坡岩石条件，依据设计地质出具的地址编录、地质简报，对不同区域的连墙件锁脚锚杆入岩深度进行设置，如地质条件较差，则对锚杆入岩深度经技术人员和监理工程师等验收后进行加深调整。（2）本计算连墙件布置间排间距和布置形式，依据钻机自重和施工荷载以及钻机在钻进过程中的额定给进力的合力在连墙件锁脚锚杆轴线方向的反力进行计算得到。从安全角度考虑，保守期间，为防止脚手架向外倾翻，在施工时，采用12mm以上柔性钢绳对脚手架斜上45度进行反拉，反拉设置按照技术人员要求进行适当布置。（3）施工过程中，考虑作业层钻机自重较大，在钻机就为前，对脚手架作业层小横杆加密设置，同时按照技术人员要求设置纵横向剪刀撑，以提高脚手架的整体和局部刚度，本计算算例中未考虑剪刀撑对脚手架的安全作用。参考文献：1 建筑施工扣件式钢管脚手架（JGJ130-2001，2002年版）；2 建筑施工安全检查标准（JGJ59-99）；3 建筑施工高处作业安全技术规范（JGJ80-91）；4 建筑结构荷载规范（GB50009-2001）5 建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范JGJ 130-2001 J84-2001 （2002年版）作者简介：常耀华（1978.11）男，陕西宝鸡人，2004年毕业于西安理工大学，助理工程师。现任水利水电第七工程局锦屏一级水电站泄洪雾化区项目经理部工程部副主任。 肁蚃袃聿莆薈袂膁腿蒄袁袁莄莀袁羃膇虿羀肆莃薅罿膈膆蒁羈袇莁蒇薅肀芄莃薄膂葿蚂薃袂节薈薂羄蒈蒄薁肆芀莀蚀腿肃蚈虿袈艿薄虿羁肂薀蚈膃莇蒆蚇袃膀莂蚆羅莅蚁蚅肇膈薇蚄膀莄蒃螃衿膆荿螃羁莂芅螂膄膅蚃螁袃蒀蕿螀羆芃蒅蝿肈蒈莁螈膀芁蚀螇袀肄