承插型盘扣式脚手架在杭博工程.docx
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承插型盘扣式脚手架在杭博工程
承插型盘扣式脚手架在杭博工程中应用研究
在各类建筑中,技术创新、安全生产形式日益严峻。
相比较传统钢管脚手支架和型钢爬梯,承插型盘扣式钢管支架体系与工具式踏步板组合而成,可快速搭建及拆除,具有装拆简便、承载力大、灵活反复、材耗低、安全可靠等特点,广泛应用于建筑、市政路桥、轨交、航空、船舶工业等领域,取得了很好的效果。
本文重点阐述盘扣式钢管支架体系在杭博项目工程中的应用,以及同类型扣件式钢管支架、碗扣式钢管支架对比分析,同时,提出了其比传统扣件式、碗扣式钢管支架在技术、安全、成本上的优势。
一、承插型盘扣式钢管支架与传统钢管支架的施工分析
几种脚手架优缺点分析对比表
分析内容
扣件式钢管脚手架
碗扣式脚手架
承插盘扣钢管脚手架
优点
1、承载力大。
当脚手架的几何尺寸及构造符合规范的有关要求时,一般情况下,脚手架的单管立柱的承载力可达1.2t。
2、装拆方便,搭设灵活。
由于钢管长度易于调整,扣件连接简便,因而可适应各种平面、立面的建筑物与构筑物用脚手架。
3、比较经济。
加工简单,一次投资费用较低。
1、多功能。
能根据具体的施工要求,组成不同组架尺寸、形状和承载能力的单、双排脚手架,支撑架,悬挑架等施工装备。
2、高功效。
整架拼拆速度比常规快3~5倍,拼架避免螺栓作业,降低劳动强度1倍以上。
3、承载力大。
主立杆连接是同轴心承插,横杆同立杆靠接头连接,而且各杆件轴心线交于一点,节点在框架平面内,结构稳固可靠,承载力大。
1、安全可靠。
横杆插头和立杆紧贴结合,接触面大,施工上更为安全。
2、承载力大。
盘扣式脚手架有可靠的轴向抗剪力,且各种杆件轴向交于一点,整体稳定性好。
3、安装快捷。
盘扣式脚手架安装过程非常简便,只用一把手锤就能很快的安装和拆卸。
4、综合性能好。
盘扣式脚手架构件系列标准化,配件通用,便于运输和管理,无零散件,损耗低,后期投入少。
缺点
1、扣件(特别是它的螺杆)容易丢失。
2、节点处的杆件为偏心连接,靠抗滑力传递荷载和内力,因而降低了其承载能力。
3、扣件节点的连接质量受扣件本身质量和工人的操作影响显著。
1、横杆为几种尺寸的定型杆,立杆上碗扣节点按0.6m间距设置,使构架尺寸受到限制。
2、价格较贵。
1、横杆为几种尺寸的定型杆,使构架尺寸受到限制。
几种脚手架效益分析对比表
项目
扣件式钢管脚手架
碗扣式脚手架
承插盘扣钢管脚手架
搭拆速度/m³
(1人工/日)
15~25
55~70
100~130
架体杆件形式
钢管、扣件
立杆、横杆
立杆、横杆、斜杆
受力方式
偏心受力、摩擦力、剪切力
轴心受力
轴心受力
立杆承载力
单根立杆承载力1.2t
单根立杆承载力2.4t
单根立杆承载力5.8t
规范性
形式和尺寸比较灵活
受定型杆件和节点性能限制,灵活性低
节点性能比较好,可组成独立塔架形式,灵活性好
损耗率﹪
钢管2,扣件4
1.5
几乎无损耗
结论
节点性能不均衡、差异性较大、可靠性低
各节点性能相对均衡、抗扭能力较低、可靠性一般
各节点性能相对均衡、抗扭能力较高、可靠性较高
二、承插型盘扣式钢管支架与传统钢管支架的技术参数分析
1、材质的区别
(1)、承插型盘扣式钢管支架的主要构配件和材质
1)、承插型盘扣式钢管支架的构配件除有特殊要求外,其材质应符合现行国家标准《低合金高强度结构钢》GBT1591、《碳素结构钢》GBT700以及《一般工程用铸造碳钢件》GBT11352的规定,材质和允许偏差应符合(表1,表2)规定。
表1盘扣式钢管支架主要杆件材质
名称
材质
名称
材质
立杆
Q345A
水平杆
Q235B
竖向斜杆
Q195
水平斜杆
Q235B
扣接头
ZG230-450
立杆连接套管
ZG230-450或20无缝钢管
可调底座、可调托座
Q235B
可调螺母
ZG270-500
连接盘、插销
ZG230-450或Q235B
表2盘扣式钢管外径允许偏差
外径
壁厚
最大质量(48系列)
材质
42、48、60
2.5、3.2、3.2
14.65kg、3m
Q345A
2)、连接盘、扣接头、插销以及可调螺母的调节手柄采用碳素铸钢制造时,其材质机械性能不低于现行国家标准《一般工程用铸造碳钢件》GBT11352中牌号为ZG230-150的屈服强度、拉伸强度、延伸率的要求。
(2)、扣件式钢管支架的主要构配件和材质
1)、扣件式钢管支架的钢管材质应符合现行国家标准《直缝电焊钢管》GBT13793或《低压流体输送用焊接钢管》GBT3092中规定的3号普通钢管,其质量应符合现行国家标准《碳素结构钢》GBT700中Q235-A级钢的规定(如表3)。
表3扣件式钢管支架参数
截面尺寸
最大长度(m)
最大质量
材质
外径φ、d
壁厚t
横杆水平杆
其它杆
11.52kg、3m
Q235-A
48、51
3.5、3.0
2200
6500
2)、扣件式钢管支架应采用可锻铸铁制作的扣件(见表4),其材质应符合现行国家标准《钢管脚手架扣件》GB15831的规定,应用其它材质制作的扣件,应经试验证明其质量符合该标准的规定后方可使用钢管支架采用的扣件,在螺栓拧紧扭力矩达65N·m时,不得发生破坏。
表4扣件式钢管支架扣件类型及材质
类型
直角
旋转
对接
质量(kg/个)
1.35
1.49
1.88
材质
ZG230-450铸钢
(3)、碗扣式钢管支架的主要构配件和材质
1)、碗扣式钢管支架的钢管材质应符合现行国家标准《直缝电焊钢管》GBT13793-92或《低压流体输送用焊接钢管》GBT3092中Q235A级普通钢管,其质量应符合现行国家标准《碳素结构钢》GBT700规定(如表5)。
表5碗扣式钢管支架参数
截面尺寸
最大长度(m)
最大质量
材质
外径φ、d
壁厚t
横杆水平杆
其它杆
16.48kg、3m
Q235-A
48
3.5
1800
3000
2)、上碗扣、可调底座及可调托撑螺母应采用可锻铸铁或铸钢制造,其材料机械性能应符合GB9440中KTH330-08及GB11352中ZG230-450的规定。
3)、下碗扣、横杆接头、斜杆街头应采用碳素钢铸造,其材料机械性能应符合GB11352中ZG230-450的规定。
2、三种类型钢管支架的对比
(1)、重量对比
均以3m长为单位考虑综合杆件,按1.5m步距两道水平约束,每步节点处均按“十”字水平约束进行计算,扣件式每步增加2个直角扣件重量,即G扣48=11.52+1.35×4=16.92kg;碗扣式每步增加1个上碗扣,即G碗48=16.48+0.5×2=17.48kg;盘扣式3m自重包括两个2个圆盘的重量,即G盘48=14.65kg(G盘60=18.40kg),结论为同规格:
G盘<G扣<G碗;因此具有重量小易搬运特点。
(2)、立杆受力分析
均不组合风荷载时,N≤
φA
根据λ1=lo/i盘60=1.5m/2.01cm=75;查表φ=0.672值;
λ2=lo/i盘48=1.5m/1.59cm=94;查表φ=0.519值;
λ3=lo/i扣48=1.5m/1.58cm=94;查表φ=0.634值。
则N≤
φ1A=300×0.672×5.71×10²=115.114KN
N≤
φ2A=300×0.519×4.50×10²=70.065KN
N≤
φ3A=205×0.634×4.89×10²=63.555KN
注:
因扣件式和碗扣式立杆钢管参数一致,因此,此处仅对扣件式钢管与盘扣式两种立杆形式进行对比。
根据以上对比分析,当立杆外径相同时,单根竖向承载力盘扣式略占优势,而当盘扣立杆采用60系列时,单根承载力效果明显增加(见表6,表7)。
表6钢材的强度和弹性模量(N/mm²)
Q345钢材抗拉、抗压、抗弯、强度设计直
300
Q235钢材抗拉、抗压、抗弯、强度设计直
205
弹性模量
2.06×105
表7各式钢管截面特性
类型
外径
φ(mm)
壁厚
t(mm)
截面积
A(cm²)
惯性矩
I(cm4)
截面模量
W(cm³)
回转半径
i(cm)
盘扣式立杆
60
3.2
5.71
23.10
7.70
2.01
盘扣式立杆
48
3.2
4.50
11.36
4.73
1.59
扣件式立杆
48
3.5
4.89
12.19
5.08
1.58
碗扣式立杆
48
3.5
4.89
12.19
5.08
1.58
(3)、节点连接方式
①、盘扣式节点连接方式,如图1所示。
图1盘扣式节点连接图例
②、扣件式节点连接方式,如图2所示。
图2扣件式节点连接图例
③、碗扣式节点连接方式,如图3所示。
图3碗扣式节点连接图例
根据以上节点连接方式来看,扣件式最为稳固,但是考虑到要靠力矩扳手对螺母是否拧紧进行不小于40N·m检验,实际操作和检查难度大,可操作性不强,并且抗滑能力小于碗扣式和盘扣式:
碗扣式节点连接形式克服了扣件式抗滑和目测不能检查连接稳固的缺点,但是,在上扣碗是否扣好,限位销是否发挥作用验收时要逐一进行排查,否则,架体在受到施工荷载晃动时,可能导致上碗扣脱离限位销而造成架体失稳;盘扣式节点连接方式选用连接圆盘不仅避免了上述抗滑和脱离扣碗的缺陷外,而且采用了重力式承插型楔形插销,既可以直观目测插销是否自锁,并且在架体晃动时重力式插销会越扣越紧,同时水平方向杆件可以360°连接和约束,增加了支撑体系的整体稳定性。
三、工程应用
1、应用工程概况
杭州国际博览中心工程作为浙江省重点项目,位于杭州奥体博览城用地内东北角。
规划总建筑面积850443.87m²,为全球第三大单体建筑。
设有展览中心、会议中心、综合物业、屋顶花园(城市客厅)、地下商业及车库等五大功能区。
其中地下建筑面积313332.84m²,地上建筑面积537111.03m²,地下二层,裙房地上三层,塔楼地上十七层,裙房建筑高度46.65m,塔楼建筑高度99.95m。
本项目改造区装饰工程为裙房地上三层会议及会展中心部分,自西向东分为一到五区,功能一、二区为会议中心,三到五区为会展中心。
会议中心能满足举办APEC、达沃斯等高规格的国际会议。
该工程建成后,在钱塘江南岸形成以体育、会展功能为主,集文化、商贸、旅游、居住、演艺、美食、休闲、度假、购物等功能的大型城市综合体,体现“精致和谐、开放大气”的城市新区。
2、脚手架架体设计
承插型盘扣式脚手架体系主要由可调底座、立杆、斜杆、横杆、踏步板、休息平台板、防护网及连接件组成。
可调底座是螺旋式,用以调节第一步立杆水平度;立杆带有八角盘(或圆盘),主要用于架体的承重及节点连接;斜杆上带有活动式卡销,连接与立杆八角盘上,主要作用是增加架体的抗扭、抗风、侧向变形,使同一平而的立杆与斜杆呈析架式结构;横杆上带有连接卡销,用于扫地杆及每步水平连接处;踏步板为压型钢板,两端带有半圆形卡槽,固定在水平杆上,用以人员上下;休息平台板也为压型钢板,两端带有圆形卡槽,固定在水平杆上;防护网及连接件,主要由安全网、钢管、扣件等组成,主要用于安全防护同时可与相邻其它架体连接用以抗倾覆。
3、工艺流程
定位、摆放可调底座→首层立杆安装→首层横杆安装→首层架体安装→组成独立单元体→首层架体水平调节→首层斜杆安装→销紧首层横杆、斜杆插销→楼梯及扶手安装→平台踏板安装→爬梯搭设完成及连接。
4、操作要点
(1)、施工条件:
架体搭设前,基础计算必须满足承载力要求,同时架体需与结构或周围架体应有可靠连接。
(2)、定位、放样,排放可调底座(见图4)
图4
1、地基基础必须满足承载力要求;
2、根据结构标高,确定可调底座螺母初始高度;
3、作为扫地杆的水平杆离地应小于550mm;
4、承载力较大时,宜采用垫板合理分散上部传力,垫板应平整、无翘曲,不得采用已开裂的垫板;
(3)、立杆安装(见图5)
图5
1、安装时,应明确立杆连接套管位置(在上或在下);
2、相邻两支立杆宜采取不同长度规格,或相邻立杆连接套管颠倒对错,以保证立杆承插对接接头不在同一水平面,接头错开长度应大于7.5㎝;
3、应做好安全防护,防止立杆倾倒伤人;
(4)、横杆安装(见图6)
图6
1、根据施工设计方案,明确横杆步距、规格和安装位置;
2、首层安装时,横杆插销不宜先敲紧;
3、应做好安全防护,防止立杆倾倒伤人;
(5)、组成独立单元体(见图7)
图7
1、按照上述步骤,向四周扩展安装;
2、首层安装时,横杆插销不宜先敲紧;
(6)、架体水平调节(见图8)
图8
1、选择某一立杆,将控制标高引测到立杆,并以此标高为首层架体水平控制基准标高;
2、采用水准仪、水平尺、水平管等,旋转可调底座螺母,对各立杆标高进行逐一调节控制;
(7)、斜杆安装(见图9)
图9
1、首层架体水平调节完成后,方可进行首层斜杆安装;
2、斜杆安装时,应与立杆、横杆形成三角形几何不变体系;
(8)、销紧横杆、斜杆插销(见图10)
图10
1、首层斜杆安装完成后,使用锤子将横杆、斜杆插销逐一锤实,销紧程度以插销刻度线为准;
2、插销销紧后,方可进入上层架体安装施工;
3、插销销紧后,并对可调底座进行逐一检查,旋紧调节螺母,保证立杆确实至于调节螺母限位凹槽内,且立杆无悬空;
(9)、平台踏板安装(见图11)
图11
1、首层架体安装完成后,需继续向上搭设架体时,应利用工作梯进行登高作业;
2、工作梯挂钩直接挂扣在上下对角的两支横杆上,并锁好安全销;
3、作为上下施工楼梯使用时,应同步安装专用楼梯防护扶手和平台栏杆;
(10)爬梯完成及与外架连接(见图12)
图12
1、平台踏板挂钩直接挂扣在同平台高度位置的相邻两支横杆上,并锁好安全销;
2、作为施工平台时,踏板应满铺,应控制踏板之间的间隙不宜过大;
5、本工程盘扣式脚手架主要结构构成方式
(1)、网格式结构
结点铰接,脚手架的斜杆通过结点,经过简化,可将双排外脚手简化为(如图13、图14所示)结构计算简图,其上作用有使用荷载和风荷载。
对这种矩形网格结构的分析可以看出它是超静定结构。
因为网格每层(或步)只要有1根斜杆即可达到静定,因而每层中多的斜杆即是多余杆件。
图13矩形网格式脚手架现场搭设
图14矩形网格式结构简化为铰接计算简图
(2)、悬挑式结构
当受条件限制立杆不能直接落地时,时常要搭挑架子。
挑架子依靠斜杆使之成为三角形的杆件。
悬挑部分的下端,与网格式结构静定条件一样,每层有一根斜杆即可保持静定;而悬挑部分,应当延着悬挑端点到网格结构矩形部分的根部之间的对角线有通连刹杆,其结构计算简图(如图15所示)。
其中斜杆延网格对角线和非对角线又有2种情况。
图15悬挑式结构计算简图
(3)、跨越式结构
跨越式结构两端为矩形的网格体系,中间为跨越式构件体系。
从整体上看仍是网格体系,但是由于中间取消了门洞的底部立杆使两端成为2个网格。
左端的网格静定条件与原来相同,即每层有1斜杆。
而右端却有所改变,其跨越层下不需要有斜杆。
跨越层上端水平杆应有1链杆支座,也可是1斜杆。
跨越构件每个节间都需有1斜杆。
在跨越构件之上,2片网格结构又组合为1个网格体系,因而每层有1斜杆即达到静定条件。
其结构计算简图(如图16、图17、图18所示),分对角线斜杆与非对角线斜杆2种情况。
图16跨越式结构脚手架计算简图
图17跨越式结构脚手架设计图
图18-2跨越式结构脚手架现场搭设
(4)、移动式网格式结构
其结构计算简图同网格式结构(如图19所示)。
图19移动式网格式结构脚手架
6、盘扣式脚手架主要结构构成方式计算
(1)、网格式结构计算
主立杆下端强度验算首先计算主要荷载的组合;然后考虑风荷载时作为次要荷载组合。
其主要荷载组合为施工荷载和脚手板脚手架自重。
首先,根据施工要求确定施工荷载(q2)的层数,其次确定铺设脚手板的层数。
然后按单肢立杆承载力进行强度验算。
脚手架自重按照脚手架的高度及步距进行计算,应计及安全网的重量。
按照中心受压杆其强度验算公式如下:
其中,γ为可变荷载分项系数,取1.4;m为脚手板铺置层数;n为施工荷载层数;q1为脚手板自重,取350N/m²;q2为施工荷载,取2.7KN/m²;a,b分别为脚手架立柱排距和柱距(m);ω1为钢管每米重,38.4N/m;H为脚手架总高度(m);h为脚手架步距(m);
ω0为扣件重量,1.3N/个;ω2为安全网重量,N/m²;
为3#钢抗压设计强度,215N/m²;A为钢管截面积;
为中心受压秆稳定系数。
式
(1)中,按钢结构中心受压杆求稳定系数时,首先要计算中心受杆的细长比λ=lo/i,其中i为钢管截面的惯性半径;计算长度lo应以2支点之间的距离计算之。
(2)、网格式结构斜杆计算
网格式结构的构成必须有斜杆,才能保证杆件体系结构的稳定。
做为其基本条件,每层必须有一个斜杆以达到体系的静定。
为了使计算简化可将多余杆略去,按照静定结构求解。
在垂直力作用下,网格式结构各立杆上之荷载可自上而下直达根部而不对相邻立杆产生影响。
在水平荷载作用下力的传递除沿水平杆之外还要与相交的斜杆及立杆产生相互作用。
当然在计算时首先将荷载变为结点荷载,采用结点法计算。
(3)、悬挑式结构计算
首先要确定悬挑条件下保持静定的条件。
之后再分析悬挑部分的矩形部分,为了使悬挑部分“生根”于矩形部分,该矩形部分应保持几何不变。
其基础条件可有2种情况:
①是每层横杆根部有1支杆;②该矩形部分每层有斜杆。
挑架子计算中值得注意的是斜杆与水平杆及立杆之间的连接。
因为作为斜杆时常是压杆,必须考虑其计算长度。
显然只有4个扣件连接点之间才能视作计算长度,因而斜杆与横竖杆的交点并不一定能做为其“结点”,其次是斜杆如尽能通过网格的交点时,斜杆的轴向力会在横杆中产生弯矩。
因此对悬挑架的计算分为2种情况:
①是对角线斜杆;②是非对角线斜杆。
对悬挑式结构依然可按照“结点法”自上而下的求解。
对于斜杆具有“对角线”设置时,有立杆部分的荷载P延着立杆一直传递到地面,立杆中内力全部为P,而悬挑部分则可由尽端计算,第1节间的P1值在水平杆中产生拉力T和斜杆压力N,第2节间的荷载P2通过立杆作用到下1节间,其结果同第1节间,只不过水平力只在第2道水平杆中产生,同时自上而下的斜杆中内力应为2T,依此类推可顺利计算出全部杆件内力。
对于“非对角线斜杆”的情况则较为复杂,不能简单的用“结点法”求解。
部分水平杆不单纯视为2力杆,应考虑外荷载所产生的弯矩与水平杆的拉力合成对强度进行验算。
(4)、跨越式结构计算
网格式结构采用跨越方式时条件较为复杂,建议不采用非结点连接的跨越式结构,以免给计算带来困难。
当不可避免时,也可按照悬桃式结构进行力学分析,即从跨中切开变为两个相邻的悬挑式结构。
四、实现的效益
1、技术先进、适应性强
通过在杭博项目工程中对承插型盘扣式脚手架体系的应用,以及和钢管脚手支架的对比,盘扣式脚手架构件规格齐全,可根据荷载及需求空间灵活选择立杆规格,搭设模数满足不同空间需要,受力结构简单,能独成体系。
除搭设一些常规架体外,承插盘扣式钢管脚手架有斜拉杆的连接,可通过更换斜杆和水平杆,实现不同架体的转换,如搭设悬挑结构、整体移动、整体吊装、拆卸架体。
既满足了大跨度主龙骨承载力要求又节能环保可重复使用,生产结构、生产技术、施工工艺均处于目前脚手架行业领先水平。
2、安全受控
1)、盘扣式连接方式是国际主流的脚手架连接方式,每个节点都可以有8个方向的连接,分别可用于水平杆、斜杆、定位杆的连接。
连接之后使得每个架体单元都近似于格构柱,因此架体结构稳定、安全可靠。
特有的斜拉杆设计,形成稳定的格构柱结构,使得脚手架整体稳定性大大提升,且结构计算模型简单,极大提高了设计方案的可靠性。
2)、主要材料全部采用Q345低合金结构,强度高于传统脚手架的普碳钢管(国标Q235)的1.5~2倍,特别是使得立杆的承载力得到大幅提升(单杆极限荷载可达5.8t)。
3、施工效率高、节约成本
1)、盘扣支架结构少,搭建及拆卸方便,基本结构及专用部件可使该系统能适用于各种结构建筑,不需或仅需少量的手动工具即可完成架体搭设,提高了施工效率。
由于用量少、质量轻,操作人员可以更加方便地进行组装,效率可以提高2~3倍。
每人每天可搭设100~130m³的架体。
2)、盘扣支架高承载力和独特的结构设计,可使搭建轻松快速,并具有很强的机动性,可满足任何范围的作业要求,节点连接无框度,有自锁能力,装拆灵活快捷,工人容易掌握,支搭拆除工作效率比碗扣脚手架高2倍之多,能省工、省力、省时。
施工过程中能随时开通、封闭通道。
比传统脚手架少用1/3~1/2的材料,减少运费使综合成本降低,大幅减少工作量,从而缩短施工周期。
4、文明施工、绿色环保
1)、主要部件均采用内、外热镀锌防腐工艺处理,既提高了产品的使用寿命(不会因为钢管内壁的锈蚀而降低承载能力),在同等荷载情况下,材料可以节省1/3左右,产品寿命可达15年。
2)、标准化施工。
架体杆件在搭设前、拆除完毕后、运输及倒运过程中均采用标准化打包形式,避免现场材料乱堆、乱放,既保证了现场文明施工又避免了材料的丢失损坏。
节省了相应的运输费、搭拆人工费、管理费、材料损耗费等。
5、经济性好
根据对本工程8万立方承插型盘扣式脚手架所花费的租赁费、人工费、运输费、材料损耗费、管理费等进行测算分析,架体费用基本在0.15~0.20元/m³天。
但是,从节约工期方面来看,类似搭设工程实际应用中,承插型盘扣式脚手架体系从搭设到拆除历时约60天。
经综合成本对比分析,承插型盘扣式脚手架与传统钢管脚手支架在施工时能节约工期约1/3,节约了管理成本投入50万元。
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