(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，成都，610065)

引言

水電站大壩工程通常位于深切峽谷地區(qū)，岸坡開挖形成大量高陡邊坡，為給高空作業(yè)提供施工平臺，大型扣件式腳手架被頻繁使用。腳手架工程作為高邊坡開挖支護(hù)施工中常用且重要的臨時(shí)設(shè)施，其安全問題一直是腳手架設(shè)計(jì)和施工的重難點(diǎn)[1-3]。

本文通過參考相關(guān)規(guī)范和利用有限元軟件兩種方式對腳手架體系進(jìn)行荷載計(jì)算和靜力分析，得到各主要工況下腳手架體系各構(gòu)件及連墻件的內(nèi)力及變形。這兩種靜力分析方法概念明確、操作簡單，對于掌握各種荷載作用下腳手架組成構(gòu)件和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變、連墻件的應(yīng)力應(yīng)變以及腳手架體系安全性具有重要意義，且同時(shí)采用兩種方法也便于進(jìn)行對比分析，充分保證計(jì)算結(jié)果的可靠性。

1 腳手架參數(shù)

結(jié)合工程實(shí)踐和施工規(guī)范，腳手架設(shè)計(jì)采用雙排扣件式鋼管腳手架，立桿縱距La=1.5m，立桿橫距Lb=1.5m，橫桿間距s=1.5m，作業(yè)層0.5m，橫桿步距h=1.8m。鋼管采用Q235-A級鋼，尺寸為φ48×3.5，其材質(zhì)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《碳素結(jié)構(gòu)鋼》GB/T 700-2006的規(guī)定，如表1所示。

表1 Q235-A級鋼管強(qiáng)度及截面幾何特性

屈服強(qiáng)度(MPa)截面積(cm2)慣性矩(cm4)截面模量(cm3)回轉(zhuǎn)半徑(cm)每米長質(zhì)量(kg·m)每米重量(kN·m)2354.8912.195.081.593.840.0384

腳手架地面設(shè)置縱、橫向掃地桿，掃地桿離地面0.3m，并布置必要的斜撐、剪刀撐進(jìn)行加固。連墻件采用φ25mm螺紋鋼筋，按照2步3跨進(jìn)行布置，鋼筋入巖角度a為水平下傾45°，入巖深度La=0.8m，節(jié)點(diǎn)域到錨固點(diǎn)之間的距離Lb=0.25m，外套一根短架并灌注M25水泥砂漿進(jìn)行錨固，短架管與小橫桿采用扣件連接，斜向下搭接一根短架管，與小橫桿立桿均采用扣件連接，連墻件設(shè)置如圖1所示。

1-立桿；2-橫向水平桿；3-直角扣件；4-旋轉(zhuǎn)扣件；

2 腳手架設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 水平桿及立桿

限于篇幅，僅給出邊坡腳手架水平桿及立桿計(jì)算結(jié)果，如表2所示。

表2 腳手架水平桿及立桿計(jì)算結(jié)果

2.2 連墻件

邊坡支護(hù)施工過程中，由于錨桿鉆孔產(chǎn)生的鉆機(jī)設(shè)備和人員自重及鉆機(jī)反作用力都會對連墻件產(chǎn)生影響，因此，考慮在風(fēng)荷載、鉆機(jī)及施工人員自重以及鉆機(jī)反力的共同作用下，對連墻件進(jìn)行計(jì)算分析，連墻件受力如圖2所示。

圖2 腳手架連墻件受力示意

單個(gè)連墻件施工荷載：

單個(gè)連墻件鉆機(jī)自重荷載：

單個(gè)連墻件風(fēng)荷載：

Fw=1.4×Wk×Aw=1.4×0.13×2×1.8×3×1.5=3kN

《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》CECS 22-2005規(guī)定：錨桿的傾角應(yīng)避開與水平向成-10°～10°；《土層錨桿設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》CECS 22-90規(guī)定：傾斜錨桿的傾角不應(yīng)小于12°且不得大于45°，以15°～35°為宜。因此，可假設(shè)鉆孔角度β為25°。

連墻件軸向力：

Nl=Fc×cos(a-β)+Fw×cosa-Gc×sina

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

根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》GB 50330-2013，鋼筋與錨固砂漿之間的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值可取2.1kPa，連墻件抗拔力：

單個(gè)連墻件軸向力滿足巖體內(nèi)插筋錨固要求。

3 腳手架模擬計(jì)算

腳手架鋼結(jié)構(gòu)架體部分的自重由程序自動(dòng)計(jì)算，但是考慮到扣件、鋼絞線、鋼絲繩卡等的重量，通過對一個(gè)步距及跨度范圍內(nèi)的腳手架單元進(jìn)行重量計(jì)算，可對腳手架整體結(jié)構(gòu)取1.15倍的自重放大系數(shù)。其余恒荷載及活荷載參照規(guī)范理論計(jì)算結(jié)果取值。

目前國內(nèi)對于扣件節(jié)點(diǎn)半剛性連接的研究雖然已經(jīng)取得部分成果[4-7]，但總的來說還不夠完善，尚未形成完整成熟的理論體系，按照有限元方法對腳手架進(jìn)行的分析在一定數(shù)量上仍然是按照假定腳手架節(jié)點(diǎn)連接屬性為剛性連接而進(jìn)行的[8]。本文已經(jīng)采用規(guī)范法對腳手架體系進(jìn)行了計(jì)算，且計(jì)算結(jié)果偏于安全，為了簡化計(jì)算同時(shí)方便快速建模，腳手架節(jié)點(diǎn)采用midas gen默認(rèn)的剛性連接屬性，計(jì)算結(jié)果如圖3-圖6所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)組合作用下Z向位移(mm)

圖4 基本組合作用下彎矩(kN·m)

圖5 基本組合作用下剪力(kN)

圖6 基本組合作用下應(yīng)力(MPa)

從圖中可以看出，水平桿件在永久和可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下產(chǎn)生的最大撓度值為1.85mm，而水平桿的跨度為1.5m，滿足要求。腳手架縱向水平桿跨中最大正彎矩為0.38kN·m，縱向水平桿與立桿節(jié)點(diǎn)處最大負(fù)彎矩為0.61kN·m，腳手架鋼管最大應(yīng)力為115.77MPa，滿足強(qiáng)度要求。模擬計(jì)算結(jié)果較規(guī)范計(jì)算結(jié)果偏小，造成差異的原因主要有以下幾方面：模型中節(jié)點(diǎn)設(shè)置為剛性連接，腳手架水平桿件按照多跨連續(xù)梁整體計(jì)算，而規(guī)范分別按照鉸接簡支梁和三跨連續(xù)梁計(jì)算，因此，模擬結(jié)果較計(jì)算結(jié)果偏小；模型中腳手板直接建模，板單元與橫向和縱向水平桿共同作用，自重由兩者共同分擔(dān)，降低橫向水平桿件荷載；模型中所采用的荷載工況并非最不利工況，可能導(dǎo)致分析結(jié)果偏小。

連墻件的計(jì)算結(jié)果如圖7、圖8所示，單個(gè)連墻件支座反力計(jì)算結(jié)果見表3。結(jié)果表明：沿連墻件軸向最大拉力為13.03kN，滿足錨固力要求。

表3 連墻件支座反力計(jì)算值

圖7 標(biāo)準(zhǔn)組合作用下Y向反力(kN)

圖8 標(biāo)準(zhǔn)組合作用下Z向反(kN)

4 結(jié)語

本文通過安全技術(shù)規(guī)范和數(shù)值模擬對高邊坡腳手架水平桿件、立桿、扣件及連墻件進(jìn)行計(jì)算，對桿件在最不利荷載組合下的內(nèi)力、撓度變形及應(yīng)力進(jìn)行分析和驗(yàn)算，對連墻件在施工荷載、機(jī)械自重和風(fēng)荷載作用下的內(nèi)力進(jìn)行錨固力驗(yàn)算，主要得出以下結(jié)論：

(1)從規(guī)范計(jì)算結(jié)果和Midas Gen分析結(jié)果來看，桿件內(nèi)力基本較小，變形和應(yīng)力均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，結(jié)果偏于安全，強(qiáng)度有較大儲備，可認(rèn)為腳手架安全性能滿足要求。

(2)規(guī)范計(jì)算法所得連墻件軸向力為13.2kN，模擬分析法所得結(jié)果為13.03kN，計(jì)算值基本一致，說明連墻件內(nèi)力大小受腳手架架體強(qiáng)度及剛度影響較小，影響連墻件內(nèi)力的主要因素為風(fēng)荷載、鉆機(jī)及施工人員自重和鉆機(jī)反力，在上述荷載共同作用下其軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值均能滿足錨固力要求。