碗扣式钢管脚手架安全稳定分析与评价-优秀毕业论文.pdf

分类号 u44 u45 10710 2009121100 硕 士 学 位 论 文 碗扣式钢管脚手架安全稳定 分析与评价 严 娜 导师姓名职称 刘来君 教授 申请学位级别 硕士 学科专业名称 桥梁与隧道工程 论文提交日期 2012 年 4 月 25 日 论文答辩日期 2012 年 5 月 27 日 学位授予单位 长安大学 analysis and evaluation of safety and stability of the cuplok steel tubular scaffolding a dissertation submitted for the degree of master candidate yan na supervisor prof liu laijun chang an university xi an china i 摘 要 碗扣式钢管模板支撑体系由于通用性强 承载力高 使用成本相对较低等原因在桥 梁建设中得到广泛应用 但是随着模板支架的增高及各方面的原因 目前国内外因此而 导致模板系统坍塌工程事故也屡见不鲜 给工程各方带来不可预见的经济损失 如何提 高碗扣式钢管支撑架的安全稳定性 是建筑行业的一个新课题 本文以前人对碗扣式钢 管模板支撑体系的研究为基础 依托西安市东北二环 二期 立交建设工程 采用有限 元分析软件 midas fea 及 midas civil 对碗扣节点及碗扣式钢管支撑架整体模型的受力 性能进行了模拟 对碗扣式钢管支撑架的安全稳定性能进行研究 分析了各种影响其安 全稳定性的因素 并在此模拟的基础上对模板支撑体系的承载能力进行系统地分析 将 有限元分析与理论分析进行比较 分析碗扣式支架的整体稳定性能 最后提出了碗扣式 钢管脚手架施工安全验收及评价标准 研究过程中得出了一些有益的结论 主要包括 1 本文通过收集资料 首先论述了钢管支撑体系的国内外研究现状 指出了目前碗 扣式钢管脚手架理论研究的不足 得出碗扣式钢管支架安全稳定性研究的必要性 2 碗扣式钢管支架节点的半刚性连接特性较为正确地反映其真实的受力状况 通过 碗扣节点的实体模型建立分析 得到了碗扣式钢管支架节点半刚性连接的分析模型 3 在分析碗扣式支撑架安全稳定性的问题上 从构造设计 施工质量 材料质量 施工荷载 施工管理五个方面进行详细分析 得出重要结论 4 依托西安市东北二环立交建设工程项目对地基的沉降 支架变形 支架受力进行 实时监测 将监测数据与理论数据进行比较 评估支架的整体稳定性能 5 通过分析 对影响碗扣式支撑架体系承载力的五大因素即构造设计 施工质量 材料质量 施工荷载 施工管理进行定性分析 从宏观上确定各因素对碗扣式支撑架体 系承载力的影响程度 然后运用层次分析法和模糊评判法对各因素的影响进行分析 求 出各因素的影响权重 再对它们进行综合评价 并用实例证实分析的合理性 关键词 碗扣式钢管脚手架 半刚性节点 安全稳定 安全评价标准 i abstract due to universality high bearing capacity and lower use cost cuplok steel tubular formwork supporting system is used widely in bridge construction with the higher formwork scaffolding and the every reasons that cause collapsed engineering accident of template system at home and abroad it brings the unforeseeable economic losses in the parties to the project it is a new topic in the construction industry that how to improve the safety and stability of cuplok steel tubular formwork supporting system this paper bases on the study of cuplok steel tubular formwork supporting system rely on the overpass construction project on the northeast of xian simulate the stress performance of the cuplok node and whole model of cuplok supporting system with the finite element analysis software midas fea and midas civil systematically analysis the bearing capacity of cuplok supporting system model on this simulation and compare and research finite element analysis and the theoretical analysis then research the safety stable performance of cuplok steel tubular formwork supporting system analyze the various factors influencing security stability of the support finally put forward construction safety acceptance and evaluation standard of cuplok steel tubular scaffolding obtain some useful conclusions in the course of the study mainly including 1 through the collection of data firstly this paper discusses research situation at home and abroad of the steel tube support system points out the limitations of theoretical research on cuplok steel tubular scaffolding obtains the necessity of studing minimum safety stability on cuplok steel tubular scaffolding 2 the semi rigid connection properties on cuplok formwork supporting system more accurately reflects the true state of stress through model and analysis the entity model on cuplok node obtaine the analysis model of cuplok formwork supporting system node with semi rigid connection 3 on the analysis of the safety stability on cuplok supporting system we can analysis particularly and get some main conclusions from five aspects that is structure design construction quality material quality construction load field management 4 according to the overpass construction project on the northeast of xian monitor the settlement of foundation support s deformation support s stress compare the monitoring data ii and the theoretical data evaluate overall stability of trestle 5 through the analysis qualitative analysis five factors influencing bearing capacity of cuplok formwork supporting system that structure design construction quality material quality construction load field management on macroscopic determine each factor s influence degree to bearing capacity of cuplok formwork supporting system then analyze the effect of various factors with the analytic hierarchy process and fuzzy evaluation method confirm the rationality of the analysis by the examples key words cuplok steel tubular scaffolding semi rigid node security and stability safety evaluation standard i 目目 录录 第一章 绪论 1 1 1 钢管脚手架的发展 1 1 2 现存的主要问题 1 1 2 1 支架倒塌事故工程实例 1 1 2 2 支架倒塌事故发生的主要原因 2 1 3 课题研究的意义 3 1 4 国内外研究现状 4 1 4 1 国内研究现状 4 1 4 2 国外研究现状及港台地区研究现状 7 1 5 本课题的主要研究内容 8 1 6 本章小结 8 第二章 碗扣式钢管脚手架的受力性能分析 9 2 1 碗扣式钢管脚手架构件的受力特点 9 2 1 1 碗扣式钢管脚手架的基本构造 9 2 1 2 碗扣式钢管脚手架的特点 9 2 2 钢管脚手架计算理论 10 2 2 1 铰接计算理论 10 2 2 2 有侧移多层钢架计算理论 10 2 2 3 节点半刚性计算理论 10 2 3 碗扣节点性能分析 11 2 3 1 碗扣节点的特点 11 2 3 2 碗扣节点的模拟 11 2 4 本章小结 17 第三章 碗扣式钢管脚手架的安全稳定因素研究 18 3 1 支架构造及设计计算 18 3 1 1 立杆步距 18 3 1 2 立杆间距 19 3 1 3 剪刀撑的设置 20 3 1 4 扫地杆的设置 23 3 1 5 立杆伸出顶层水平杆的长度 24 ii 3 1 6 搭设高度 25 3 1 7 设计计算 26 3 2 与施工因素有关 27 3 2 1 杆件的搭设 27 3 2 2 地基处理 28 3 2 3 碗扣节点的规范性 28 3 2 4 搭设是否按设计方案 28 3 3 材料质量 29 3 3 1 材料加工是否合格 29 3 3 2 材料缺陷 30 3 4 施工荷载的变化 30 3 4 1 输送混凝土泵管的水平冲力 31 3 4 2 浇筑混凝土振捣器的水平振动力 31 3 4 3 风荷载 31 3 5 现场管理 33 3 5 1 安全管理机构的建立 33 3 5 2 管理职责的确定 34 3 5 3 模板工程施工管理程序 35 3 5 4 模板工程施工安全检查标准 35 3 6 本章小结 35 第四章 碗扣式钢管脚手架的整体稳定性分析 37 4 1 支撑体系的稳定分析方法 37 4 2 碗扣式钢管脚手架的整体稳定性分析 38 4 2 1 依托工程简介 38 4 2 2 碗扣式钢管脚手架的监测内容 40 4 2 3 碗扣式钢管脚手架仿真模型建立 43 4 2 4 碗扣式钢管脚手架计算结果分析 44 4 3 有限元计算结果与监测实测值的比较分析 48 4 3 1 碗扣式脚手架变形监测结果分析 48 4 3 2 碗扣式脚手架变形结果比较分析 54 4 3 3 碗扣式脚手架应力监测结果分析 56 iii 4 3 4 碗扣式脚手架应力结果比较分析 59 4 4 本章小结 61 第五章 碗扣式钢管脚手架施工安全验收及评价标准 62 5 1 模糊理论 62 5 2 安全验收及评价体系 62 5 2 1 模板支架工程施工安全验收及评价标准 62 5 2 2 模板支架工程施工安全状态综合评价 67 5 3 实例分析 77 5 4 本章小结 80 第六章 结论及展望 81 6 1 结论 81 6 2 展望 81 参考文献 83 致 谢 88 长安大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1 11 1 钢管脚手钢管脚手架的发展架的发展 近年来 由于交通功能和桥梁美学的需要 城市立交桥规模大小不同 造型亦各 具特色 因此 除混凝土预制梁外 现浇钢筋混凝土结构和混凝土 钢联合梁结构日 益增多 而在混凝土结构工程施工中 模板工程是关乎工程质量和安全的非常关键和 重要的一道工序 模板工程通常由两大部分组成 模板及支撑体系 施工中对支架也 提出了更多更高的要求 支架的优点主要表现在以下几个方面 1 1 支架的承载能力高 2 支架高度变化适应性强 3 支架组装的速度快 占地小 4 支架功能多 脚手架是土木工程施工中必不可少的临时设施 广泛应用于各类基本建设项目 中 脚手架既要满足施工需要 且又要为保证工程质量和提高工效创造条件 同时还 应为组织快速施工提供工作面 确保施工人员的人身安全 脚手架要有足够的牢固性 和稳定性 保证在施工期间对所规定的荷载或在气候条件的影响下不变形 不摇晃 不倾斜 能确保作业人员的人身安全 要有足够的面积满足堆料 运输 操作和行走 的要求 构造要简单 搭设 拆除和搬运要方便 使用要安全 2 1 21 2 现存的主要问题现存的主要问题 1 2 11 2 1 支架倒塌事故工程实例支架倒塌事故工程实例 3 4 5 90 年代以来 美国 日本和我国一些地区多次发生脚手架 模板倒塌等重大工程 事故 造成了惨痛的伤亡和财产的巨大损失 社会影响极为恶劣 例如 实例 1 1992 年 2 月 14 日 日本金泽的一座体育馆在浇捣三层楼楼板的梁和板时 脚手架倒塌 造成 7 个工人死亡和 13 个其他人员受伤 实例 2 1995 年 11 月广东翁源县南门坪大桥模板支架失稳倒塌 造成 5 人死亡 6 人受伤的重大事故 实例 3 1996 年 12 月广东韶关坪乳公路白桥坑特大型桥施工中 支架发生过大弯 曲变形 最终失稳倒塌 造成 32 人死亡 59 人受伤的重大事故 第一章 绪论 2 实例 4 1998 年 4 月云南省永善县 35 米跨度石拱桥工程 由于拱模支撑失稳模板 倒塌 造成 10 人死亡 22 人重伤 14 人轻伤的重大事故 实例 5 1998 年 9 月青海省桥头电厂某冷却塔施工中 模板支撑失稳全部倒塌 造成 4 人死亡 10 人重伤 38 人轻伤的重大事故 实例 6 2000 年 10 月南京电视台新演播大厅 36m 高支模架在浇筑混凝土过程中架 体突然坍塌 坍塌时间仅延续 4s 造成 6 人死亡 重伤 11 人 轻伤 24 人的重大安全 事故 实例 7 2002 年浙江省杭州 宁波等市连续发生 3 起模板支撑架倒塌 造成 19 人 死亡 44 人受伤的重大恶性事故 实例 8 2003 年厦门 八九 模板支撑架倒塌 造成 7 人死亡 38 人受伤重大伤亡 事故 实例 9 2003 年 4 月 10 日 距刚修好不久的 黄河第一龙门吊 几十米处一座约 30 米高的辅助支架轰然倒塌 倒塌面积近百平方米 人员伤亡情况不详 实例 10 2005 年北京西西工程模板支撑系统坍塌造成 8 人死亡 21 人受伤的重大 安全事故等 1 2 1 2 2 2 支架倒塌事故发生支架倒塌事故发生的的主要原因主要原因 6 7 8 模板支撑体系之所以成为建筑施工中的安全隐患 主要是由于其自身存在的特殊 性 例如支撑架和脚手架钢管的材料不合格或超期使用 缺乏相关的质量和标准管理 制约 因此模板支撑体系倒塌事故发生的几率比房屋结构要高 下面本文就支模架的 特殊性对事故发生的原因进行分析说明 1 架体搭设的随意性 首先 支撑架多为施工单位单凭工程经验进行简单设计或不设计 并且其结构形 式 杆件参数等常需要根据实际施工情况进行调整 变化较大 其次 支撑架的搭设 受到诸多外界因素的影响 由此而引起的一系列支撑架构造参数的变化 最终导致模 板支撑架实际施工搭设情况与设计图纸不符 2 计算方法的滞后性 2001 年国家颁布了与之相关的安全技术规范 建筑施工扣件式钢管脚手架安 全技术规范 9 jgj130 2001 以下简称 规范 但是模板支撑架的介绍只是 处于边沿地位 计算简单 而一些关键性的规定还是照搬国外规范 由于国内与国外 长安大学硕士学位论文 3 支模架构造的差异性和复杂性 这种做法是不安全的 3 节点连接的差异性 扣件的刚度范围变化较大 施工过程中难以确定扣件的半刚性程度 以致节点的 差异性直接影响支撑架的受力情况 4 材料问题 根据 建筑施工安全检查评分标准 jgj59 99 10 的规定 应禁止使用竹脚手架 原因是国家规程规定作为脚手架的竹材质 必须为 4 年生长期和竹竿梢直径不小于 7 5 cm 的竹材 而目前各地搭设竹脚手架的材质远远达不到这一要求 直接影响了脚 手架的承载能力 5 荷载取值的变异性 11 首先 支撑架的荷载除了结构的恒载之外 其施工荷载随时间的变化而变化 其 次 结构荷载的简化模型也存在差异性 6 地基处理不当 12 从历年来桥梁施工工程事故统计 大约有 40 支撑倒塌是由于地基沉降 滑坡 坍 塌等地基处理不当引起的 由于某处支撑的局部沉降倾斜 外荷载向该处集中致使该 处承载力不足或稳定性差而引起整个结构的倒塌 7 管理问题 12 施工现场管理混乱 操作人员随意性大 未严格按设计要求安装和拆除支撑或者 安装质量不合格 1 31 3 课题研究的意义课题研究的意义 随着我国建筑行业的高速发展 模板支撑架体系的应用越来越频繁和普遍 其中 碗扣式模板支架在高架桥梁和一系列高层建筑施工中得到了广泛应用 但是 碗扣式 模板支架的使用和计算基本是参照规范 建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范 然而模板支架本身的工程事故时常发生 给国家和人民带来了极大的损失 究其原因 是由于设计计算错误 构配件质量问题 施工质量问题或者管理上的疏忽等方面造成 随着事故的频繁发生 部分专家和学者开始质疑和拷问相关规范和理论 河北建设集团有限公司和中天建设集团有限公司编制了 建筑施工碗扣式钢管脚 手架安全技术规范 jgj166 2008 13 在专家质询会上 相关专家对碗扣式模板支 第一章 绪论 4 架的节点性能以及其模板支撑架的承载能力提出疑问 需要对碗扣式模板支架和其节 点性能试验 从而获得相关的试验数据为规范的制定提供依据 由河北建设集团和中 天建设集团牵头 在天津大学结构实验室进行了碗扣式钢管模板支架承载力试验 得 到了宝贵的试验数据和结果 为规范的修订和计算理论的检验提供了试验依据 本课题依托西安市东二环 北二环立交桥建设工程 重点对支架检测 监测和控 制系统研究 同时探讨地基变形 支架构造因素 荷载效应组合对支架稳定性的影响 并对碗扣节点的受力 支架局部稳定性等问题进行研究 为支架的设计 施工提供可 靠的理论依据 特别是使所取得的成果应用于工程实际 以解决工程所需 1 41 4 国内外研究国内外研究现状现状 14 1 4 11 4 1 国内研究现状国内研究现状 在模板支架方面的研究 国内学者主要是从架体试验 理论计算 程序开发和可 靠度等几个方面展开的 1 试验方面 1 哈尔滨建筑工程学院的黄宝魁教授 15 等对双排扣件式钢管脚手架进行了理论分析 和试验研究 2 青岛建筑工程学院袁欣平在文献 16 17 中采用数理统计的方法分析了由试验得到的 结果 主要是针对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合理限值 问题提出了合理的数值 3 吉林建筑工程学院尹德生在文献 18 19 中介绍了当采用直角扣件时 采用如何的方法 能够准确的测量节点处的转动刚度 并且提供了理论依据 从而创造了对整个钢管支 架系统建立切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 4 华北矿业高等专科学校张曼莉等在文献 20 中 对于扣件式钢管脚手架在工作状态下 的应力以及立柱处的轴向的拉压力采用电测法进行了实测 并且对其最大承载力进行 了理论分析 5 东南大学土木工程学院李维滨副教授等在文献 21 中采用足尺试验对于不同形式不 同支撑方案的单扣件支撑架和双扣件支撑架等七种方案进行了试验和研究 通过试验 的结果分析 得到了以下有关支撑架的有益结论 长安大学硕士学位论文 5 6 盐城工学院的刘桐等 22 东南大学土木工程学院李维滨副教授等 23 提出 在设计模板支架的过程中 横向水平钢管的挠度尤为重要 需要单独验算 因为当 横向水平钢管的间距较大时 架体可能会由于钢管的挠度过大而产生较大的变形 在施工过程中建议对工程现场进行实地考察 考虑钢管的负公差 采用合理的小于 实际壁厚的钢管截面进行设计和验算 采用数理统计的方法分析了支撑架体的试验数据 修正了单跨钢管作为横向水平钢 管的挠度验算公式 323 f 84 384 k bb q c lc lc ei 2 理论计算方面 1 北京住宅开发建设集团公司的余宗明总工对碗扣型脚手架的承载力进行了试验研 究 对于架体交接处 采用完全铰接的假定 计算了架体的整体稳定承载力 并且通 过试验的数据 与理论分析进行对比 验证其可行性 24 2 北京中建建筑科学技术研究院高级工程师杜荣军指出 在现场使用的钢管脚手架 由于荷载形式 结构类型及工程实际情况的不同 只要是采用钢管立杆 横杆和斜杆 通过直角扣件或是旋转扣件连接而成的模板支架 都必须严格按照 编制建筑施工脚 手架安全技术标准的统一规定 建标 1993 062 号 以下简称 统一规定 的设计 方法进行设计 并严格按照设计搭设架体 绝对不能套用其他钢结构的计算方法 应 一律采用以概率理论为基础的极限状态设计法 25 另外 杜荣军高工还研究了扣件式钢管模板高支撑架 支撑高度 4m 的设计计 算方法 他指出 现行的规范 建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范 jgj130 2001 中关于模板支架的计算还存在一些问题 并且提出了两种关于支架的 计算方法 其本质是两类支架合理的计算长度系数问题 其理论基础仍然是立杆单杆 稳定计算法 26 3 哈尔滨工业大学刘宗仁教授在文献 27 中指出 采用钢管立杆 横杆和斜杆通过直角 扣件或是旋转扣件连接而成的扣件式钢管脚手架 其横杆和立杆交接处 即不是完全 的刚性 也不是完全的铰接 而是处于中间状态的 半刚性 节点 而且 扣件的螺 栓拧紧程度对于整个架体的整体稳定承载力也会产生很大的影响 4 刘家彬 郭正兴在文献 28 中介绍了南京市电视台新演播大厅高支撑架体的倒塌 分 析了架体倒塌的原因 总结了教训 并阐述了扣件式钢管脚手架设计的主要注意事项 和关键点 第一章 绪论 6 5 同济大学的敖鸿斐 29 就扣件式钢管脚手架扣件的转动刚度做了试验 最终得到了一 个关于角位移与弯矩的简化模型关系式如式mk 所示 其中 k 为脚手架扣件连接 的转动刚度 6 同济大学的岳峰 30 通过试验研究和理论分析 也提出了针对脚手架扣件连接的弯矩 与初始刚度的二参数模型 如式 ln 1 ki r mn n 所示 式中 rki为初始连接刚度 n 为曲线拟和形状参数 7 浙江大学结构工程研究所鲁征 31 等对直角扣件进行了抗扭试验 该试验分别考虑了 扣件螺栓拧紧力矩为 20 30 40 50 60 n m 五种情况 每一扣件别考虑这五种 情况为一组试验 共进行 10 组 每组试验后更换扣件 采用数理统计的方法 选择 对数模型对不同拧紧力矩下直角扣件 m 关系进行拟合 ln 1 ki r mn n 式中 n 形状参数 rki 初始刚度 单位为 kn m rad 其中 对应不同的扣件螺栓拧紧力矩所得到的形状系数和初始刚度如表 1 1 所示 表表 1 11 1 不同扣件螺栓拧紧力矩下的形状系数和初始刚度不同扣件螺栓拧紧力矩下的形状系数和初始刚度 t n m 20 30 40 50 60 n 1 1660 0 8951 0 7447 0 6877 0 6692 ki r kn m rad 16 54 31 65 46 85 54 07 71 27 3 程序开发和可靠度方面 l 哈尔滨工业大学刘宗仁教授等在文献 32 中介绍了其自行开发的软件 scaffv3 0 这 是一种专门用于脚手架设计的软件 该软件将脚手架分为两种类型 排架模型和刚架 模型 采用有限元的方法 针对脚手架设计中的薄弱环节进行了设计和分析 并通过 试验采集的数据加以对比 其结果与分析结果比较吻合 但偏于安全 2 北京市中辰技术工程研究所毛军高级工程师等在文献 33 中介绍了其开发的 cafd 软 件 这种软件主要用于建筑模板的辅助设计 其后 作者又在 cafd 的基础上开发了 基于 autocadr14 的 组合钢模板和脚手架计算机辅助设计系统 软件 简称 cafd s 34 3 浙江大学硕士研究生杨富涌在文献 35 36 中就脚手架的设计方法和思路进行了探讨 并将其赋予软件设计 4 浙江大学土木系卓新副教授在文献 37 中就脚手架的设计思想和基本原则进行了总 长安大学硕士学位论文 7 结 5 同济大学孙作功 38 从脚手架的设计方法 有关结构可靠度 有限元软件三个方面就 扣件式钢管脚手架的可靠性进行了探讨 1 1 4 24 2 国外研究现状及港台地区研究现状国外研究现状及港台地区研究现状 1 香港的 fu 39 曾对调查了香港地区的竹脚手架的使用情况和运用 并分析了竹脚手 架在香港地区的应用状况 香港科技大学的 chung 40 则在调查的基础上 通过大量的 试验对比以及理论分析指出 竹脚手架具有良好的抗压 抗弯性能 作为脚手架是很 好的材料 2 香港理工大学的 chan s l 41 在文献中指出 通过理论的分析 采用完全理想的刚 接节点模型或是完全铰接的节点模型都是不准确的 但是 在在半刚性节点框架计算 中 除非有可靠的试验数据 评估连接刚度是较为困难的 chan s l 42 根据试验的结 果和理论分析提出了一个近似的计算方法 通过估计脚手架杆件的计算长度 然后由 计算长度 节点刚度的对应关系求得节点刚度大小 3 台湾朝阳大学的 huang 43 44 提在文献中 就脚手架的极限承载力的计算方法进行了 探讨 他提出了一个 2 d 模型和采用闭法来求解 台湾朝阳大学的彭瑞麟 45 等推导出 圆钢管的弯矩 曲率关系的精确表达式 基于此提出了适用于铰接承重脚手架体系的 二阶非弹性分析方法 4 在英国 日本 法国等地 早在六七十年代就已经制定了脚手架的搭设标准 英国 意大利等欧洲国家对扣件式钢管脚手架的理论分析和整架试验研究已进行到较为深 入的阶段 46 他们采用二阶弹塑性理论分析脚手架的整体稳定并编制了计算机程序 5 从 1984 年起 美国普渡大学的陈惠发和 mosallam 开始着手对低 多高层混凝土建 筑施工过程建立仿真模型 利用该模型 可以得到作用在支撑 复支撑和楼板上的荷 载 并能预测施工中各阶段的安全度 47 彭瑞麟等人在 1994 年又将该模型推广到大 净空多层混凝土建筑施工的情形 建立了几种模板支撑体系的破坏模式 48 进而 在 提出 单元集合 概念的基础上 得到了模板支撑体系的极限承载力 提出了简化设 计程式及设计建议 49 彭瑞麟等还在 1994 年提出 影响面 的概念 根据混凝土浇 注位置的改变得到模板支撑柱的荷载分布变化 以及此荷载的最大值及其所在位置 50 6 英国的 godley 51 分析比较了二维模型和三维模型对计算脚手架刚度的影响程度 第一章 绪论 8 指出节点半刚性的考虑对脚手架动力特性研究的重要性 后来 godley 52 在计算脚手 架系统时进行了二阶几何非线性分析并考虑使用节点非线性模型 7 美国的 weesner 和 jones 53 曾对四种不同形式的 5m 高承重脚手架进行了足尺极限 承载力试验研究 认为 几何非线性分析得到的极限承载力数值低于特征值屈曲荷载 但与试验数值相近 1 51 5 本本课题课题的主要的主要研究研究内容内容 鉴于本领域目前的现状 本课题的主要研究内容如下 1 介绍碗扣式钢管支架的受力特性 考虑碗扣节点的半刚性 建立碗扣的三维 有限元模型 得到了碗扣式钢管支架节点半刚性连接的分析模型 2 依托实际工程项目 对碗扣式支架进行全程监控 将有限元数值模拟结果与 实际监测数据进行对比 从而对理论结果作修正 并评判支架的整体稳定性能 3 研究影响碗扣式钢管支架的安全稳定因素 从计算理论 搭设随意性 材料 质量 施工荷载的变化 现场管理等因素综合进行受力分析 4 用层次分析法和模糊数学法对影响碗扣式支撑架安全稳定的各因素进行判 别 求出各因素的影响权重 并用实例证实分析的合理性 1 6 1 6 本章小结本章小结 1 本章首先介绍钢管脚手架的发展情况 列举了部分支架倒塌事故工程实例 指出现存的主要问题并分析其主要原因 从而提出钢管模板支架的研究意义 2 介绍了模板支架的国内外研究现状 引出了本论文的研究内容 长安大学硕士学位论文 9 第二章第二章 碗扣式碗扣式钢管钢管脚手架脚手架的受力性能分析的受力性能分析 2 12 1 碗扣式碗扣式钢管钢管脚手架构件的受力特点脚手架构件的受力特点 2 12 1 1 1 碗扣式碗扣式钢管钢管脚手架的基本构造脚手架的基本构造 54 碗扣式钢管脚手架以 48 3 5mm 的 q235 焊接钢管作为主杆件 立杆和顶杆是在一 定长度的钢管上每隔 0 6m 安装一套碗扣接头制成 碗扣分为上碗扣和下碗扣 下碗扣焊 在钢管上 上碗扣对应地套在钢管上 当其销槽对准焊在钢管上的限位销时即能上 下 滑动 横杆是在钢管的两端焊接以横杆接头制成 连接时 只需将横杆接头插入下碗扣 内 将上碗扣沿限位销扣下 并顺时针旋转 靠上碗扣螺旋面使之与限位销顶紧 即可将 横杆和立杆牢固地连在一起 形成框架结构 每个下碗扣内可同时装 4 个横杆接头 位置 任意 接头构造如图 2 1 所示 a a 连接前连接前 b b 连接后连接后 图图 2 12 1 碗扣接头构造碗扣接头构造 2 1 22 1 2 碗扣式碗扣式钢管钢管脚手架的特点脚手架的特点 2 碗扣式钢管脚手架的特点如下 1 多功能 2 整架承载能力较高 3 整体强度好 4 节点强度好 纵横向联结强度 可靠 5 拆装方便 效率高 6 构件种类少 7 通用性强 8 维护简单 碗扣式与扣件式钢管脚手架最突出的差别就是前者为定型结构 也就是说其柱距 步距 排距不再是任意的 其结构尺寸由其结构元件所确定 只能以一些标准尺寸作模 数进行调整 因而在选择元件的尺寸时应慎重 以便使以后的使用有更大的通用性 目 前 在城市立交桥 高架桥施工中碗扣式钢管脚手架已经代替扣件式钢管脚手架 第二章 碗扣式钢管脚手架的受力性能分析 10 2 22 2 钢管脚手架计算理论钢管脚手架计算理论 55 目前 国内对满堂支承体系的研究多借鉴于双排脚手架的理论 而对其系统地研 究相对较少 56 57 满堂支承体系在纵横方向都有若干排 整体失稳一般发生在排数少 整体刚度较弱的方向 而满堂支承体系在两个方向很难设置如普通脚手架一样的连墙 杆 因而不能保证与已施工的结构进行横向可靠连接 这样 满堂支承体系的整体稳定 性比普通脚手架要差 尤其是荷载大 高度高的满堂支承体系 58 60 2 2 12 2 1 铰接计算理论铰接计算理论 此法将杆件交叉点视为 铰 所以称之为铰接计算理论 此种计算理论借鉴了英 国标准 脚手架实施规范 中基于 几何不变杆系结构 的计算方法 杜荣军 61 65 提出 了两类不同脚手架体系稳定性的验算方法及其稳定承载能力 并简述了搭设和使用要 求 余宗明 66 68 基于这一理论进行了碗扣式脚手架的荷载试验 并发表了 钢管脚手架 铰接计算法 一文 施炳华 69 71 从升板式建筑结构群柱稳定性研究成果中引申出计算满 堂脚手架体系的排架模型 但是采用此种方法的计算结果过于保守 与实际情况不相符 合 2 2 2 2 2 2 有侧移多层钢架计算理论有侧移多层钢架计算理论 此种方法视杆件交叉点视为刚性节点 不产生相对转动 然后按照 工业厂房钢结 构设计手册 中求出立杆的计算长度系数 其中 对于双排脚手架按照无侧移失稳钢框 架进行计算 而满堂支承体系按有侧移失稳钢框架进行计算 杜荣军在文献 72 中曾提出 用钢结构理论中的有侧移框架模型对双排脚手架进行稳定分析 后在文献 73 中又提出将 此种分析方法应用于满堂支承体系的计算 用刚接计算法计算出的承载力偏不安全 62 64 2 22 2 3 3 节点半刚性计节点半刚性计算理论算理论 此种方法认为节点由于采用扣件连接而具有半刚性 在荷载作用下 扣件连接具有 一定的转动刚度 且转动刚度与扣件的质量和拧紧程度密切相关 半刚性特点表现得非 常明显 同济大学敖鸿斐 74 75 对落地式双排扣件式钢管脚手架应用有限元方法进行了二 阶弹塑性稳定分析 并通过试验测得了扣件的转动刚度 在计算中将脚手架架体的节点 处理为半刚性 长安大学硕士学位论文 11 哈尔滨建筑工程学院徐崇宝教授等 76 80 曾分别采用刚性和半刚性的扣件连接对双 排扣件式钢管脚手架的整体稳定做过理论分析 发现按半刚性连接分析的理论值与试验 值比较接近 2 2 3 3 碗扣节点性能分析碗扣节点性能分析 2 3 12 3 1 碗扣节点的特点碗扣节点的特点 81 2 3 1 1 碗扣节点的特点 碗扣式脚手架采用带齿碗扣接头连接的定型杆件构成的带斜腹杆的格构式构造 目 前用量最多的是 48 3 5mm q235普通焊接钢管和 48 2 5mm的低合金钢管做主构 件 在一定长度立杆上每隔0 6m安装一套碗扣接头制成 碗扣连接节点焊于立杆上 间 距为60cm 能满足大多数使用情况下的调高要求 同时 该脚手架支撑装卸方便 且能 装成曲线形状 功能强大 2 3 1 2 节点分析 根据脚手架钢管连接所使用的碗扣接头的物理性能及其力学性能 可知 1 该脚手架横杆在水平面内承受的弯矩 扭矩 很小 此方向上不存在弯矩的传递 即 无弯矩约束 2 该脚手架横杆在垂直平面内承受一定的弯矩 在横杆和立杆垂直平面内横杆分配的弯 矩数值比较小 连接处能够承受如此小的弯矩 横杆主要承受剪力 因此此平面内存在 弯矩约束 3 无论横杆和立杆均具有良好的抗拉 抗压能力和抗剪能力 即节点处存在轴向约束和 剪切约束 2 3 22 3 2 碗扣碗扣节点的模拟节点的模拟 2 3 2 1碗扣节点模拟的方法 碗扣式脚手架立杆和横杆的接头如图2 2所示 接头靠下碗扣来对横杆提供沿立杆 轴向的力 横杆的剪力 并通过上下碗扣来限制横 立杆的相对转动 承受一定的弯矩 由文献 82 可知其抗弯刚度为4 29kn m 抗转刚度为130kn m 第二章 碗扣式钢管脚手架的受力性能分析 12 图图2 2 2 2 碗扣式脚手架横立杆接头碗扣式脚手架横立杆接头 横立杆接头的抗转刚度在脚手架承受不同形式荷载时 表现为不同的作用 作为支 撑体系使用的碗扣式脚手架主要以承受竖向荷载为主 这些竖向荷载直接作用在顶部立 杆的端头 经作者进行的有限元分析 2 发现在这种情况下 由于各立杆所受荷载不均匀 导致相邻立杆轴向变形不一致 此时接头抗转刚度的作用就是使横杆的抗弯刚度能对立 杆轴向变形产生约束作用 如图 2 2 所示 为了模拟这种通过接头的有限抗转刚度来实现的横杆对立杆的约束 现用一根单 梁作分析 取梁长0 6m 梁的右端限制x向和y向的平动 左端限制x向的平动 左右两端 都加抗转弹簧以模拟接头的抗转能力 弹簧的拉压刚度k与弹簧之间的距离d的乘积等于 接头的抗转刚度 梁的抗弯刚度与横杆的抗弯刚度相同 让梁左端在y向发生单位位移 1 以模拟立杆的轴向变形 算出此时的梁端弯矩m1 然后与该梁两端均为固端 左端发 生单位位移时梁端的弯矩m2比较 可以发现m1 m2约为0 33左右 也就是说 当横立杆接 头的抗转刚度为130kn m时 横杆对立杆的约束能力是横 立杆完全刚接时的1 3 在这 种情况下 接头的抗转刚度和横杆的抗弯刚度对立杆的轴向变形具有相同的约束作用 也即可以通过折减横杆刚度来模拟接头非完全刚性的抗转能力 因此 对于作为支撑体 系的碗扣式脚手架在竖向荷载作用下 使用有限元程序分析其内力时 可以采用横杆和 立杆接头完全刚性 即横杆和立杆刚接 只简单地将横杆刚度进行折减的方式来模拟接 头的有限抗转刚度和横杆抗弯刚度对立杆轴向变形的约束作用 而不必使用加抗转弹簧 或约束方程等复杂而费时的手段 长安大学硕士学位论文 13 图图2 2 3 3 接头接头抗转刚度对立杆的约束模拟抗转刚度对立杆的约束模拟 碗扣式钢管脚手架横杆的常用规格为 0 6 1 2 1 5 1 8m 等 上述分析 m1 m2为 0 33 的结论 是针对横杆长度为 0 6m 的情况 实际上 随着横杆长度的增加 m1 m2更大 即横杆越长 越接近接头完全刚性的情况 横杆刚度的折减量可减小 考虑到在施工中上 下碗扣与横杆端部的结合不一定都非常理想 并且还存在其它一些施工中不可预见的因 素 横杆刚度的折减量应当酌情考虑 宜留有一定的安全储备 83 2 3 2 2碗扣节点的模拟 本章节采用有限元软件 midas fea 对碗扣式节点进行实体模拟 进而得出准确的模 拟碗扣式钢管脚手架的方法 fea nonlinear 排水措施 良好 垫板及 底 板 符 合 要 求 垫 板 及 底 板 板符合要求 垫 板 及 底 座 符合要求 立 杆 接头 立 杆 接 头 位 置 符 合 规 范 要求 横杆接 头 位 置 也 符 合规范要求 除 顶 层 接 头 采用搭接外 其 他 接 头 方 法 及 位 置 均 符 合 规 范 要 求 部 分 接 头 位 置 不 符 合 规 范要求 接头的位置不 符合规范要求 或除立杆顶层 外 其他部位也 有搭接现象 接 头 形 式 混 乱 或 接 头 位 置 严 重 不 符 合规范 搭设 是否 按设 计方 案进 行 支 架 搭 设 完 全 按 照 设 计 方案进行 支 架 的 局 部 搭 设 由 于 施 工 中 某 原 因 未 能 完 全 按 照 设 计 方 案 进行 但做法 符 合 规 范 规 定 支 架 的 局 部 搭 设 由 于 施 工 中 某 原 因 未 能 完 全 按 照 设 计 方 案 进行 但做法 不 能 完 全 符 合规范规定 支架搭设不能 完全按照设计 方案进行 支 架 搭 设 随 意性大 完全 不 按 照 设 计 方案进行 5 2 1 3 与支架材料质量有关的因素评价 与支架材料质量有关的因素包括 材料加工的合格性 材料的缺陷 材料的磨损等 因素 表表 5 5 3 3 碗扣式钢管模板支架碗扣式钢管模板支架材料质量材料质量评价标准表评价标准表 评价因素 等级类别 优 良 中 较差 差 材料 加工 的合 格性 钢 管 新 钢 管 壁厚均匀 且 满 足 规 范 要求 涂有防 锈漆 碗 扣 新 碗 扣 资 料 齐 全 做过防锈 处理 钢管 8 成新 以上 无裂缝 结疤等 涂防 锈漆 碗扣 8 成新 以上 做过防 锈处理 钢管 6 成新 以上 涂有防 锈漆 碗 扣 无 裂 缝 变形 滑 丝 做过防锈 锈处理 钢管 旧 有锈 蚀 但符合规范 要求 做过防锈 处理 碗扣 无裂缝 变形 滑丝 做 过防锈处理 钢管 有斑状 锈 蚀 且 未 做 防腐处理 碗 扣 无 裂 缝 变形 滑 丝 做过防锈 处理 材料 的缺 陷 钢 管 使 用 次 数 少 未 出 现 弯曲和变形 钢 管 在 搬 运 和 使 用 过 程 中 少量产生 微 小 的 弯 曲 和变形 钢 管 在 搬 运 和 使 用 过 程 中 少量产生 较 大 的 弯 曲 和变形 钢管在搬运和 长期使用过程 中 多数产生微 小的弯曲和变 形 钢 管 在 搬 运 和 长 期 使 用 过程中 多数 产 生 较 大 的 弯曲和变形 材料 的磨 损 新钢管 未出 现材料磨损 壁厚均匀 8 成新钢管 少 数 出 现 轻 微磨损 6 成新钢管 少 数 出 现 明 显的磨损 旧钢管 多数出 现较小磨损 壁 厚不均匀 旧钢管 多数 出 现 严 重 磨 损 壁厚不均 匀 第五章 碗扣式钢管支架施工安全验收及评价标准 66 5 2 1 4 与支架施工荷载变化有关的因素评价 与支架施工荷载变化有关的因素包括 输送混凝土泵管的水平冲力 浇筑混凝土振 捣器的水平振动力 风荷载等因素 表表 5 45 4 碗扣式钢管模板支架施工荷载评价标准表碗扣式钢管模板支架施工荷载评价标准表 评价因素 等级类别 优 良 中 较差 差 输送 混凝 土泵 管的 水平 冲力 输 送 混 凝 土 泵 管 比 较 稳 定 压力小 水 平 冲 力 较 小 且 比 较 平 缓 输 送 混 凝 土 泵 管 压 力 稍 高 水平冲力 偏 大 但 较 稳 定 且输送管 无 明 显 的 振 动 输 送 混 凝 土 泵 管 压 力 稍 大且不稳定 导 致 水 平 冲 力不稳定 输 送 管 有 明 显 的振动 输送混凝土泵 管压力很大且 不稳定 水平冲 力很强 输送管 有明显的振动 输 送 混 凝 土 泵 管 压 力 极 大 且 很 不 稳 定 水平冲力 冲击很大 输 送 管 有 强 烈 的振动 浇筑 混凝 土振 捣器 的水 平振 动力 混凝土振捣 器产生的水 平振动力非 常小 对支 撑架几乎无 影响 混凝土振捣 器产生的水 平振动力不 能忽视 对 支撑架的影 响也不能忽 略 混凝土振捣 器产生的水 平振动力稍 大 设计计 算中应考虑 其对支撑架 的影响 混 凝 土 振 捣 器 产 生 的 水 平 振 动 力 很 大 支撑架构 造 方 面 应 采 取 措 施 进 行 安 全 稳 定 的 加固 混凝土振捣 器产生的水 平振动力很 大 且 不 稳 定 极有可 能造成支撑 架的倒塌 风荷 载 风 荷 载 出 现 频 率 低 且 风 速较小 对模 板