脚手架知识讲座.docx
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脚手架知识讲座
脚手架基本知识讲座
讲座分三个部分:
一、脚手架的分类
二、脚手架的设计与计算
三、脚手架方案范例
1.脚手架的分类
1.1脚手架的材料分类
按照组成脚手架的材料的不同,脚手架主要有以下几种:
1).竹木脚手架:
脚手架采用的材料主要为天然的木杆和竹杆。
优点:
取材方便、价格便宜,搭设简单。
缺点:
材料的结构稳定性较差,离散性高。
2)扣件式钢管脚手架:
脚手架的搭设材料主要为钢管和扣件,常用钢管的规格为Φ48.3*3.6,扣件主要有:
直角扣件、旋转扣件、对接扣件。
优点:
搭设灵活、结构稳定性较好、应用广泛。
缺点:
横杆、立杆、斜杆之间有偏心,对结构产生不利影响;其次节点处的连接力受螺栓拧紧程度的影响,因而受人为因素影响较大。
3)碗扣型脚手架:
这种脚手架是铁道部专业设计院的专利产品,这种脚手架的连接节点是采用碗扣。
如图所示
优点:
各个杆件之间采用了中心线连接,大大提高了承载能力,
安全可靠;操作方便。
缺点:
杆件及节点间距是标准尺寸,不够灵活;造价较高。
4)门式脚手架:
是由门架、交叉支撑、挂扣式脚手板、连接棒、锁臂等部件构成的脚手架。
如图所示:
优点:
重量轻、每一组脚手架可成为稳定的结构体系。
缺点:
尺寸单一、不够灵活。
5)其它类型的脚手架:
套装式脚手架、楔紧式插头脚手架、
邹氏扣件脚手架、专用脚手架等。
这里不再一一介绍。
1.2脚手架搭设形式分类
脚手架按照搭设形式主要分为:
单排脚手架、双排脚手架、满堂脚手架。
1)单排脚手架:
只有一排立杆,横向水平杆的一端搁置在墙体上的脚手架。
如图所示:
2)双排脚手架:
由内外两排立杆和水平杆等构成的脚手架。
如图
所示:
3)满堂脚手架:
立杆数量3排及以上的脚手架。
如图所示:
1.3按照脚手架的搭设位置分类
按照脚手架的搭设位置分为:
1)外脚手架:
脚手架位于室外。
2)内脚手架:
脚手架位于室内。
2.脚手架的设计计算
在幕墙、装修施工过程中,经常需要搭设脚手架,最常见的是(Φ48.3×3.6)落地式双排钢管脚手架,这里重点介绍一下。
2.1荷载分类及其标准值
3.1.1荷载分类:
作用于脚手架的荷载可分为永久荷载(恒荷载)与可变荷载(活荷载)。
永久荷载包括钢管、扣件、脚手板、栏杆、挡脚板、安全网等防护设施的自重。
可变荷载包括施工荷载和风荷载两种。
3.1.2材料永久荷载标准值
(1)钢管(Φ48.3×3.6):
39.7N/m
(2)直角扣件:
13.2N/个
(3)旋转扣件:
14.6N/个
(4)对接扣件:
18.4N/个
(5)冲压钢脚手板:
0.3KN/m2
(6)扣挂式钢脚手板:
0.25KN/m2
(7)竹串片脚手板:
0.35KN/m2
(8)木脚手板:
0.35KN/m2
(9)竹芭脚手板:
0.1KN/m2
(10)栏杆、冲压钢脚手板挡板:
0.16KN/m
(11)栏杆、竹串片脚手板挡板:
0.17KN/m
(12)栏杆、木脚手板挡板0.17KN/m
(13)密目式安全网的自重标准值:
≥10N/m2
3.1.3施工荷载标准值:
(1)装修脚手架:
2KN/m2
(2)混凝土结构、砌筑结构脚手架:
3KN/m2
(3)轻型钢结构及空间网格结构脚手架2KN/m2
(4)普通钢结构脚手架3KN/m2
(5)斜道:
≥2KN/m2
当在双排脚手架上同时有2个及以上操作层作业时,在同一跨距内各操作层的施工均布荷载标准值总和不得超过5.0KN/m2。
3.1.4作用于脚手架上的水平风荷载标准值
应按下式计算:
WK=μz×μs×Wo
式中WK—风荷载标准值(KN/m2)
μz—风压高度变化系数,查《建筑结构荷载规范》GB50009表7.2.1
μs—脚手架风荷载体形系数,按下表规定执行:
脚手架的风荷载体型系数μs
背靠建筑物的状况
全封闭墙
敞开、框架和开洞墙
脚手架状况
全封闭、半封闭
1.0ψ
1.3ψ
敞开
μstw
注:
1μstw值可将脚手架视为桁架,按国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009-2001表7.3.1第32项和第36项的规定计算;
2.ψ为挡风系数,φ=1.2An/Aw,An为挡风面积;Aw为迎风面积。
敞开式脚手架的φ值可按《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130-2011附录A表A.0.5采用。
3.密目式安全网全封闭脚手架的ψ值不宜小于0.8
Wo—基本风压值(KN/m2),应按现行的国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009的规定采用,取重现期n=10对应的风压值。
3.1.5荷载效应组合
设计脚手架的承重构件时,应根据使用过程中可能出现的荷载取其最不利组合进行计算,荷载效应组合宜按下表采用。
脚手架荷载效应组合表
计算项目
荷载效应组合
纵向、横向水平杆承载力与变形
永久荷载+施工荷载
脚手架立杆地基承载力
型钢悬挑梁的承载力、稳定与变形
①永久荷载+施工荷载
②永久荷载+0.9(施工荷载+风荷载)
立杆稳定
①永久荷载+施工荷载(不含风荷载)
②永久荷载+0.9(施工荷载+风荷载)
连墙件承载力与稳定
单排架,风荷载+2.0KN
双排架,风荷载+3.0KN
2.2脚手架的计算
3.2.1基本设计规定
3.2.1.1脚手架的设计计算应计算下列内容:
(1)纵向、横向水平杆、脚手板等受弯构件的强度和连接扣件的抗滑承载力计算。
(2)立杆的稳定性计算
(3)连墙件的强度、稳定性和连接强度计算;
(4)立杆地基承载力计算。
3.2.1.2计算构件的强度、稳定性与连接强度时,应采用荷载效应的基本组合的设计值。
永久荷载的分项系数应取1.2,可变荷载分项系数应取1.4。
3.2.1.3脚手架中的受弯构件,商应根据正常使用的极限状态的要求验算变形。
验算构件变形时,应采用荷载效应的标准组合的设计值,各类荷载的分项系数均应取1.0.
3.2.1.4钢材的强度设计值与弹性模量应按下表取值;
钢材的强度设计值与弹性模量(N/㎜2)
Q235钢抗拉、抗压和抗弯强度设计值f
205
弹性模量E
2.06×105
3.2.1.5扣件、底座、可调托撑的承载力设计值应按下表采用。
扣件、底座、可调托撑的承载力设计值(KN)
项目
承载力设计值
对接扣件(抗滑)
3.20
直角扣件、旋转扣件(抗滑)
8.00
底座(受压)、可调托撑(受压)
40.00
3.2.1.6受弯构件的挠度不应超过下表中规定的容许值
受弯构件的容许挠度表
构件类别
容许挠度[ν]
脚手板,脚手架纵向、横向水平杆
L/150与10㎜
脚手架悬挑受弯构件
L/400
型钢悬挑脚手架悬挑钢梁
L/250
注:
L为受弯构件的跨度,对悬挑构件为其悬伸长度的2倍
3.2.1.7受压、受拉构件的长细比不应超过下表中规定的容许值.
受压、受拉构件的容许长细比
构件类别
容许长细比[λ]
立杆
双排架
满堂支撑架
210
单排架
230
满堂脚手架
250
横向斜撑、剪刀撑中的压杆
250
拉杆
350
3.2.2单、双排脚手架计算公式
3.2.2.1纵向、横向水平杆的抗弯强度应按下式计算:
σ=M/W≤f
式中:
σ—弯曲正应力;
M—弯矩设计值(N*㎜)
W—截面模量(㎜3),按下表取值。
钢管截面几何特性表
外径
Φ,d
壁厚
t
截面积
A
(㎝2)
惯性矩
I
(㎝4)
截面模量
W
(㎝3)
回转半径i
(㎝)
每米长质量
(㎏/m)
(㎜)
48.3
3.6
5.06
12.71
5.26
1.59
3.97
f—钢材的抗弯强度设计值(N/㎜2)
3.2.2.2纵向、横向水平杆弯矩设计值,应按下式计算:
M=1.2MGK+1.4∑MQK
式中:
MGK——脚手板自重产生的弯矩标准值(KN*m)
MQK——施工荷载产生的弯矩标准值(KN*m)
3.2.2.3纵向、横向水平杆的挠度应符合下式规定:
ν≤[ν]
式中:
ν—挠度(㎜)
[ν]—容许挠度
3.2.2.4计算纵向、横向水平杆的内力与挠度时,纵向水平杆宜按三跨连续梁计算,计算跨度取立杆纵距la;横向水平杆宜按简支梁计算,双排脚手架的横向水平杆的计算跨度lo取立杆的中心距。
3.2.2.5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的规定:
R≤Rc
式中:
R—纵向或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。
3.2.2.5立杆的稳定性应符合下列公式的要求:
不组合风荷载时:
N/(ψ×A)≤f
组合风荷载时:
N/(ψ×A)+MW/W≤f
式中:
N—计算立杆段的轴向力设计值(N)
ψ—轴心受压构件的稳定系数,应根据长细比λ由《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130-2011附录A表A.0.6取值;
λ—长细比,λ=lo/i;
lo—计算长度(㎜)
A—立杆的截面面积(㎜2)
MW—计算立杆段由风荷载设计值产生的弯矩(N*㎜)
f—钢材的抗压强度设计值(N/㎜2)
3.2.2.6计算立杆段的轴向力设计值N,应按下列公式计算:
不组合风荷载时:
N=1.2(NG1K+NG2K)+1.4∑NQK
组合风荷载时:
N=1.2(NG1K+NG2K)+0.9×1.4∑NQK
式中:
NG1K—脚手架结构自重产生的轴向力标准值;
NG2K—构配件自重产生的轴向力标准值;
∑NQK—施工荷载产生的轴向力标准值总和,内、外立杆各按一纵距内施工荷载总和的1/2取值。
3.2.2.6立杆的计算长度lo应按下式计算:
lo=kμh
式中:
k—立杆计算长度附加系数,其值取1.155,当验算立杆允许长细比时,取k=1;
μ—考虑单、双排脚手架整体稳定因素的单杆计算长度系数,应按下表采用;
h—步矩
单、双排脚手架立杆的计算长度系数μ
类别
立杆横距
(米)
连墙件布置
二步三跨
三步三跨
双排架
1.05
1.50
1.70
1.30
1.55
1.75
1.55
1.60
1.80
单排架
≤1.50
1.80
2.00
3.2.2.7由风荷载产生的立杆段弯矩设计值MW,可按下式计算:
MW=0.9×1.4×MWK=(0.9×1.4WK×la×h2)/10
式中:
MWK—风荷载产生的弯矩标准值(KN*m);
WK—风荷载标准值(KN/m2)
la—立杆纵距(m)
3.2.2.8单、双排脚手架立杆稳定性计算部位的确定应符合下列规定:
(1)当脚手架采用相同的步距、立杆纵距、立杆横距和连墙件间距时,应计算底层立杆段;
(2)当脚手架的步距、立杆纵距、立杆横距和连墙件间距有变化时,除计算底层立杆段以外,还必须对出现最大步距或最大立杆纵距、立杆横距、连墙件间距等部位的立杆段进行验算。
3.2.2.9连墙件杆件的强度及稳定应满足下列公式的要求:
强度:
σ=Nl/AC≤0.85f
稳定:
Nl/(ψA)≤0.85f
Nl=NlW+N0
式中:
σ—连墙件应力值(N/㎜2)
AC—连墙件的净截面面积(㎜2)
A—连墙件的毛截面面积(㎜2)
Nl—连墙件的轴向力设计值(N)
NlW—风荷载产生的连墙件轴向力设计值。
N0—连墙件约束脚手架平面外变形所产生的轴向力。
单排架取2KN,双排架取3KN;
ψ—连墙件的稳定系数,应根据连墙件的长细比按《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130-2011附录A表A.0.6取值;
f—连墙件钢材的抗弯强度设计值(N/㎜2)
3.2.2.10由风荷载产生的连墙件的轴向力设计值,应按下式计算:
NlW=1.4×WK×AW
式中:
AW—单个连墙件所覆盖的脚手架外侧面的迎风面积。
3.2.2.11连墙件与脚手架、连墙件与建筑结构连接的承载力应按下式计算:
Nl≤Nv
Nv—连墙件与脚手架、连墙件与建筑结构连接的受拉(压)承载力设计值,应根据相应规范规定计算。
3.2.2.11当采用钢管扣件做连墙件时,扣件抗滑承载力的验算,应满足下式要求:
Nl≤RC
RC—扣件抗滑承载力设计值。
3.2.3脚手架地基承载力计算
3.2.3.1立杆基础底面的平均压力应满足下式的要求:
PK=NK/A≤fg
式中:
PK—立杆基础底面处的平均压力标准值(KPa);
NK—上部结构传至立杆基础顶面的轴向力标准值(KN);
A—基础底面面积(㎡)
fg—地基承载力特征值(KPa)。
3.2.3.4地基承载力特征值的取值应符合下列规定:
(1)当为天然地基时,应按地质勘察报告选用;当为回填土地基时,应对地质报告提供的回填土地基的承载力特征值乘以折减系数0.4;
(2)由荷载试验或工程经验确定。
3.3落地式双排钢管脚手架计算实例
例题:
深圳某栋矩形办公楼外装修工程需要搭设脚手架,办公楼的位置位于有密集建筑群的城市市区,采用(Φ48.3×3.6)落地式双排钢管脚手架,脚手架的搭设高度23米,满挂800目密目式安全网,步距1.8米,纵距1.8米,每跨中间设一道加密横向水平杆,排距1.05米,内立杆距主体建筑结构面250㎜。
采用木脚手板和挡脚板,木板厚度50㎜,脚手板的抗弯强度设计值fm=13N/㎜2,脚手板的弹性模量为10000N/㎜2,脚手架应满足2个作业面同时作业,脚手架立杆落在混凝土地面上,根据荷载试验结果,地面的承载力特征值为350KN/m2。
连墙件采用脚手架钢管,一端与脚手架两立杆用旋转扣件连接,另一端用脚手架钢管和旋转扣件围绕框架柱连接,连墙件间距二步三跨。
试验算脚手架的安全稳定性。
解:
一、脚手板的承载能力验算
作用于脚手板上的恒荷载标准值:
(1)脚手板自重:
0.35KN/m2×1.05米=0.368KN/m
其受力如插图48所示:
恒荷载产生弯矩标准值:
MGK1=0.1q1×l21=0.1×0.368×0.92=0.03KN*m
作用于脚手板上的活荷载标准值:
其受力如插图49所示:
施工荷载:
2KN/m2×1.05米=2.1KN/m
活荷载产生弯矩标准值:
MQK1=0.1q2×l21=0.1×2.1×0.92=0.17KN*m
荷载效应组合:
作用于脚手板上的弯矩组合设计值:
M=1.2MGK1+1.4∑MQK1=1.2×0.03KN*m+1.4×0.17KN*m
=0.274KN*m
脚手板的抗弯强度:
σ=M/W=0.274×1000000/(1050×502÷6)=0.626N/㎜2≤f=13N/㎜2(满足要求)
脚手板的挠度:
ν=0.677×(q1+q2)×l41/(100×E×I)=0.1㎜<l1/150=6㎜(满足要求)。
二、横向水平杆承载能力验算
作用于横向水平杆上的恒荷载标准值:
(1)脚手板重量:
0.35KN/m2×0.9米=0.315KN/m
(2)小横杆自重:
0.0397KN/m
恒荷载标准值合计q3=0.355KN/m,如插图50所示:
恒荷载产生弯矩标准值:
MGK2=0.125q3×l22=0.125×0.355×1.052=0.049KN*m
作用于横向水平杆上的活荷载标准值:
施工荷载:
2KN/m2×0.9米=1.8KN/m,如插图51所示
活荷载产生弯矩标准值:
MQK2=0.125q2×l22=0.125×1.8×1.052=0.248(KN*m)
荷载效应组合:
作用于横向水平杆上的弯矩组合设计值:
M=1.2MGK2+1.4∑MQK2=1.2×0.049KN*m+1.4×0.248KN*m
=0.406KN*m
横向水平杆的抗弯强度:
σ=M/W=0.406×1000000/5260=77.18N/㎜2≤f=205N/㎜2(满足要求)
横向水平杆的挠度:
ν=5(q3+q4)×l41/(384×E×I)=1.30㎜<l2/150=7㎜(满足要求)。
三、纵向水平杆的承载能力验算
作用在纵向水平杆上的恒荷载标准值:
(1)脚手板重量:
0.35KN/m2×1.05米/2=0.184KN/m
(2)纵向水平杆自重:
0.0397KN/m
(3)横向水平杆及扣件重量:
0.0397KN/m×1.05米/2+0.0146=0.035KN
作用在纵向水平杆上的荷载标准值合计:
0.224KN/m,集中力0.035KN,如插图52所示:
恒荷载产生弯矩标准值:
MGK3-1=0.1q5×l23+3×P1×l3/20=0.1×0.224×1.82+3×0.035×1.8/20=0.082KN*m
MGK3-2=2×q5×l23/25+7×P1×l3/40=2×0.224×1.82/25+7×0.035×1.8/40=0.069KN*m
取MGK3-1=0.082KN*m
恒荷载作用产生的挠度:
ν1=(1.146P1+0.677q5×l3)l33/(100EI)=(1.146×0.035+0.677×0.224×1800)18003/(100×2.06×105×127100)=0.61㎜
作用于纵向水平杆上的活荷载标准值:
施工荷载:
2KN/m2×1.05米/2=1.05KN/m,如插图53所示
活荷载产生的弯矩标准值:
MQK3=0.1q6×l23=0.1×1.05×1.8×1.8=0.34KN*m
活荷载作用产生的挠度:
ν2=0.677×q6×l43/(100EI)=0.677×1.05×18004/(100×2.06×105×127100)=2.85㎜
荷载效应组合:
作用于大横杆上的弯矩组合设计值:
M=1.2MGK3-1+1.4∑MQK3=1.2×0.082KN*m+1.4×0.34KN*m
=0.574KN*m
纵向水平杆的抗弯强度:
σ=M/W=0.574×1000000/5260=109.12N/㎜2<f=205N/㎜2(满足要求)
纵向水平杆的挠度:
ν=ν1+ν2=0.61㎜+2.85㎜=3.46㎜<l3/150=12㎜和10㎜(满足要求)。
四.连接扣件的抗滑验算
作用在一个连接扣件上的恒荷载标准值:
(1)脚手板重量:
0.35KN/m2×1.8米×1.05米/2=0.331KN
(2)纵向水平杆重量:
0.0397KN/m×1.8米=0.071KN
(3)加密横向水平杆重量:
0.0397KN/m×1.05米=0.042KN
(4)直角扣件自重:
0.013KN
(5)旋转扣件重量:
14.6N/个×2=0.029KN
恒荷载标准值合计:
P2=0.331+0.071+0.042+0.013+0.029=0.486KN
作用在一个连接扣件上的活荷载标准值:
施工荷载:
P3=2KN/m2×1.05米/2×1.8米=1.89KN
荷载效应组合:
作用在一个连接扣件上的荷载组合设计值:
F=1.2P2+1.4P3=1.2×0.486+1.4×1.89=3.23KN<Rc=8KN(满足要求)。
五、立杆承载能力验算
(一)脚手架立杆风荷载计算
查《建筑结构荷载规范》GB50009-2001附录D表D.4
(1)深圳市的10年一遇的基本风压WO=0.45KN/㎡
根据题意,脚手架位于地面粗糙程度C类地区,查《建筑结构荷载规范》GB50009-2001表7.2.1
(2)风压高度变化系数μz=0.89
(3)脚手架风荷载体型系数的确定
挡风面积An=(la+h+0.325la×h)d+K[la×h-(la+h+0.325la×h)d]=(1.8+1.8+0.325×1.8×1.8)×0.0483+0.6[1.8×1.8-(1.8+1.8+0.325×1.8×1.8)×0.0483]=2.034㎡
迎风面积Aw=(la+h+0.325la×h)d=(1.8+1.8+0.325×1.8×1.8)×0.0483=0.225㎡
la-脚手架跨距(米)
h-步矩(米)
K-系数,800目安全网取0.6
d-脚手架钢管直径(米)
挡风系数ψ=1.2An/Aw=1.2×0.225/2.034=0.133
风荷载体型系数μs=1.3×ψ=1.3×0.133=0.173
(1)作用于脚手架上的风荷载标准值WK=μz×μs×Wo=0.89×0.173×0.45KN/㎡=0.069KN/㎡
由风荷载产生的立杆段弯矩设计值MW,可按下式计算:
MW=0.9×1.4×MWK=(0.9×1.4WK×la×h2)/10=(0.9×1.4×0.069×1.8×1.82)/10=0.051KN*m
(二)作用在立杆上的轴力荷载设计值N计算:
(1)脚手架架体重量产生的轴力标准值NG1K
查《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130-2011
附录A表A.0.1
每米双排脚手架的自重标准值gk=0.1389KN/m
每根立杆承担的架体重量NG1K=23米×gk=23×0.1389=3.195KN
每根立杆承担的脚手板重量:
NG2K-1=2×0.5×la×lb(立杆排距)×0.35
KN/㎡=2×0.5×1.8×1.05×0.35=0.662KN
(2)构配件重量产生的轴力标准值NG2K
每根立杆承担的栏杆、护脚板重量NG2K-2=1.8米×0.17KN/m=0.306KN
每根立杆承担的安全网的重量NG2K-3=1.8米×23米×0.01KN/㎡=0.414KN
构配件重量产生的轴力标准值NG2K=NG2K-1+NG2K-2+NG2K-3=0.662KN+0.306KN+0.414KN=1.382KN
(3)由施工荷载产生的立杆轴力标准值NQK
NQK=0.5×la×lb(立杆排距)×2KN/㎡×2个作业面=0.5×1.8×1.05×2×2=3.78KN
荷载效应组合:
N=1.2(NG1K+NG2K)+0.9×1.4∑NQK=1.2(3.195KN+1.382KN)
+0.9×1.4×3.78KN=10.255KN
(2)立杆的稳定性验算:
查《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130-2011表5.2.8,立杆的计算长度系数μ=1.5,
当k取1时,立杆的计算长度lo应按下式计算:
Lo=kμh=1.0×1.5×1.8=2.7米
长细比λ=lo/i=2700/15.9=170<[λ]=210(满足要求)
当k取1.155时,立杆的计算长度lo应按下式计算:
Lo=kμh=1.155×1.5×1.8=3.119米
长细比λ=lo/i=3119/15.9=196
查《建筑施工扣
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