对现行《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》相关问题的探讨.docx
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对现行《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》相关问题的探讨
对现行《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》
相关问题的探讨
[摘要]:
针对现行JGJ130-2011《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》中荷载组合、风荷载计算取值、连墙杆的设计计算与构造、模板支架设计与计算、地基承载力要求、脚手架构造等相关问题进行了探讨,提出相应的改进措施建议。
〔关键词〕:
JGJ130规范;荷载;脚手架;模板支架;设计;计算
近年来的施工现场检查或参观发现,在许多钢管扣件脚手架/模板支架设计方案中或实际搭设状况中,或多或少存在不符合《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130-2011要求的情况,并未导致安全事故的发生或对工程质量产生影响;许多施工一线的管理人员,往往更为注重的是实践经验,大量成功的经验不得不让人怀疑施工技术人员的水平,让人感到在项目管理中所取得经验比技术理论更为合理、有效。
同时,我们也注意到,当发生钢管扣件脚手架或模板支架坍塌事故后,人们喜欢搬出JGJ130规范中的条文,阐明事故发生的技术因素,凸出了规范条文的权威性,一般人员往往因过分关注事故的严重性及社会影响,而盲目接受了事故的定性分析,并不会体会到发生事故的真正原因。
认真研究了《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ130-2011),发现现行规范中存在一些欠妥当之处。
1、荷载效应组合
1.1脚手架荷载效应组合
脚手架设计计算应考虑的主要荷载:
①脚手架自重荷载;②施工荷载;③风荷载。
各计算项目荷载组合按表1采用。
脚手架存在的状态明显可分为工作状态与非工作状态两种主要工况(或许还存在脚手架搭设工况、拆除工况、爬架的提升或下降工况等)。
在工作状态,选择由施工荷载为主控制的可变荷载效应控制的组合或选择以脚手架自重荷载为主控制的永久荷载效应组合;在非工作状态,选择由风荷载为主控制的可变荷载效应控制的组合。
以上述最不利组合确定设计值。
表1脚手架计算荷载效应组合
计算项目
荷载效应组合
纵向、横向水平杆强度与变形
①+②
脚手架立杆稳定性
①+②+③
连墙杆承载力
③+脚手架曲屈前连墙杆支承轴力(双排架)
③+脚手架曲屈前连墙杆支承轴力(单排架)
但在JGJ130规范中,从头到尾千篇一律采用简化的可变荷载效应组合进行设计计算,缺乏技术的严谨性。
1.2模板支架荷载效应组合
模板支架设计计算应考虑的主要荷载:
①模板及其支架自重荷载;②新浇混凝土自重(24KN/m3);③钢筋自重(楼板1.1KN/m3,梁1.5KN/m3);④施工人员及施工设备荷载;⑤振捣砼时产生的荷载(对水平面按2KN/㎡;对垂直面按4KN/㎡);⑥新浇砼对模板侧面的压力;⑦倾倒砼时产生的水平荷载;⑧风荷载。
各计算项目荷载组合按表2采用。
支架设计时,在工作状态,选择由自重荷载为主控制的永久荷载效应控制的组合;在非工作状态,选择由风荷载为主控制的可变荷载效应控制的组合,而此时在进行抗倾覆验算时,自重荷载为有利荷载。
同样应以最不利组合确定设计值。
在JGJ130规范中,针对模板支架设计计算的荷载效应组合亦是以简化的可变荷载效应组合,同样是欠妥当的。
表2模板支架计算荷载效应组合
计算项目
荷载效应组合
计算承载能力
验算刚度
平板及薄壳
模板
①+②+③+④
①+②+③
支架
①+②+③+④+⑧
梁和拱模板
底板
①+②+③+⑤
①+②+③
支架
①+②+③+⑤+⑧
梁、拱、柱(边长≤300㎜)
墙(厚≤100㎜)的侧面模板
⑤+⑥
⑥
梁、拱、柱(边长>300㎜)
墙(厚>100㎜)的侧面模板
⑥+⑦
⑥
2、风荷载的设计计算
2.1基本风压、风荷载标准值
《建筑结构荷载规范》GB50009把50年一遇、离地十米高度处的十分钟平均风速作为计算基本风压的风速,以此基本风压计算风荷载标准值;这是基于一般工业与民用建筑设计使用年限为50年的考虑;同时基本风压取值不得小于0.3KN/㎡亦是基于建筑物50年使用期限的要求。
对于高层建筑及高耸结构其基本风压应适当提高,是基于这类结构受大于50年基期风压破坏影响较一般建筑物的严重性以及受风压荷载敏感性的要求。
风荷载标准值计算公式如下:
《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130-2011规定的风荷载标准值计算公式如下:
上海地区:
0.7w0=0.7×0.55=0.385KN/㎡;
南通地区:
0.7w0=0.7×0.45=0.315KN/㎡。
脚手架作为使用年限仅为2~5的临时性结构,风荷载标准值按《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068-2001及《建筑结构荷载规范》GB50009-2001,应按下式计算:
以5年期的基本风压计算实例:
南通市及上海市的5年期基本风压值分别为:
南通市:
上海市:
显然,规范基本风压取值较保守,但又没有充分的理由。
2.2风速、风压、风力等级与风压取值分析
风力等级的判断指标为距地面10m高处的10min平均风速,风力等级共分0级~12级共13个风力等级。
瞬时风速(最大风速)可近似为10min平均风速的1.45倍。
风力等级与风速间的关系为:
0级——0~0.2m/s
1级——0.3~1.5m/s
2级——1.3~3.3m/s
3级——3.4~5.4m/s
4级——5.5~7.9m/s
5级——8.0~10.7m/s
6级——10.7~13.8m/s
7级——13.9~17.1m/s
8级——17.2~20.7m/s
9级——20.8~24.4m/s
10级——24.5~28.4m/s
11级——28.5~32.6m/s
12级——32.7~38.9m/s
风速与风压的换算跟空气密度(空气密度跟空气温度、气压、水汽压等因素有关)有关,可按下式近似计算:
表3不同重现期条件下的风压、风速、风力等级近似对照表
地区
风压
风速
风力
瞬时风速
瞬时风力
风压
风速
风力
瞬时风速
瞬时
风力
风压
风速
风力
瞬时风速
瞬时
风力
南通
0.24
19.8
8级
28.7
11级
0.315
22.7
9级
32.9
12级
0.45
27.1
10级
39.2
12级以上
上海
0.34
23.6
9级
34.1
12级
0.385
25.1
10级
36.3
12级
0.55
30.0
11级
43.4
12级以上
天津
0.21
18.5
8级
26.8
10级
0.35
23.9
9级
34.6
12级
0.50
28.6
11级
41.4
12级以上
青岛
0.375
24.7
10级
35.9
12级
0.42
26.2
10级
38.0
12级
0.60
31.3
11级
45.4
12级以上
南京
0.19
17.6
8级
25.5
10级
0.28
21.4
9级
31.0
11级
0.40
25.5
10级
37.0
12级
深圳
0.315
22.7
9级
32.9
12级
0.525
29.3
11级
42.4
12级以上
0.75
35.0
12级
50.7
12级以上
徐州
0.205
18.3
8级
26.5
10级
0.245
20.0
8级
29.0
11级
0.35
23.9
9级
34.6
12级
由表3可知:
①以
计算风荷载标准值,参与荷载组合,进行脚手架结构承载力设计,考虑是风力一般达8级以上,沿海地区风力9级以上,最大风力11级以上,沿海地区最大风力12级以上。
可见此时的风力等级相当于台风。
②以
计算风荷载标准值,参与荷载组合,进行脚手架结构承载力设计,考虑是风力达8级以上,最大风力10级以上,沿海地区最大风力11级以上。
可见此时的风力等级相当于强热带风暴或台风。
③在
条件下计算出的风力等级、风速,均比
条件下一般大一个等级以上;前者较后者风压值大12%以上。
④同时参照《建筑施工高处作业安全技术规范》JGJ80及施工惯例、常识,在表3中任一种基期风压作用下,均不可能存在任何形式的脚手架上的施工作业。
存在大于表3中风压作用时,脚手架须处非工作状态。
⑤以
计算风荷载标准值,参与荷载组合,进行脚手架结构承载力设计,较以
计算风荷载标准值,参与荷载组合,进行脚手架结构承载力设计,从技术经济的角度考虑更为合理。
按50年一遇的基本风压“0.7”作为计算脚手架风荷载标准值的依据,概念上较模糊,缺乏理论意义。
⑥对于使用期较短的模板支架,风荷载的计算主要是为空载情况下模板支架的抗倾覆验算及模板支架的侧向刚度控制设计。
在计算基期风压作用下,会对模板支架立杆产生弯矩作用,但是由于脚手架排架多排立杆不同程度地承担风压作用,风压直接对立杆的弯矩作用产生稳定性影响较小,而是因风荷载作用,导致模板支架整体偏心,从而导致部分立杆受压荷载直线增加,而产生稳定性破坏的可能。
2.3脚手架风荷载体型系数计算实例
风荷载体型系数按JGJ130-2011规范4.2.4规定计算,见表4。
表4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
1.0
1.3
敞开
2.3.1密目安全网全封闭、半封闭脚手架的风荷载体型系数μs
密目安全网采用不低于800目/100㎝2的密目安全网,则:
背靠建筑物是全封闭墙时:
背靠建筑物为敞开、框架和开洞时:
2.3.2敞开式脚手架的风荷载体型系数μstw
按《建筑结构荷载规范》((GB50009-2001)表7.3.1第32项及第36(b)计算。
单排脚手架体型系数:
双排或多排脚手架体型系数:
例:
南通地区步距1.8m、纵距1.5m、横距1.05m的敞开式脚手架的体型系数
例:
南通地区步距1.5m、纵距0.6m、横距0.6m的敞开式10排脚手架的体型系数
2.4脚手架风荷载标准值计算实例
2.4.1全封闭、半封闭脚手架
南通市区,背靠建筑物为框架结构的全封闭、半封闭脚手架
离地10m:
离地20m:
离地30m:
离地50m:
离地80m:
2.4.2敞开式脚手架风荷载标准值计算实例
对于南通市区背靠建筑物为框架结构的敞开式单排脚手架,步距1.8m、纵距1.5m、横距1.05m的脚手架的风荷载标准值:
离地10m:
离地20m:
离地30m:
离地50m:
离地80m:
对于南通市区背靠建筑物为框架结构的敞开式双排脚手架,步距1.8m、纵距1.5m、横距1.05m的脚手架的风荷载标准值:
离地10m:
离地20m:
离地30m:
离地50m:
离地80m:
对于双排敞开式脚手架,风荷载标准值作用于脚手架整体,对应于垂直于风向的脚手架立面面积(迎风面积Aw)。
脚手架外立杆与外侧大横管不仅受到风压作用,同时内立管及内侧大横管亦受到风压作用。
2.4.3模板支架风荷载标准值计算实例
对于南通市区步距1.5m、纵距0.6m、横距0.6m的敞开式10排脚手架的风荷载标准值:
离地10m:
离地20m:
离地30m:
离地50m:
离地80m:
对于模板支架,风荷载标准值作用于模板支架整体,对应于垂直于风向的模板支架立面面积(迎风面积Aw)。
模板支架外立杆与外侧大横管不仅受到风压作用,同时内侧所有立管及内侧所有大横管亦受到风压作用。
从受力分析上看,明显,竖向剪刀撑可有效传替水平风荷载,而水平剪刀撑可使竖向剪刀撑承受的风荷载均衡;当然无论水平剪刀撑还是竖向剪刀撑均将大大提高模板支架的整体刚度。
3、连墙杆的设计与计算
3.1一般条件下的连墙杆的受力设计计算
按JGJ130-2011规范,连墙杆的轴向力按下式进行计算:
根据JGJ130规范:
连墙杆约束脚手架侧向变形所产生的轴向力N0中包括两项内容:
①承受脚手架侧向变形所产生的轴向力,JGJ130规范取值为脚手架最大极限稳定承载力的2%;(架宽1.05m、连墙杆竖向间距2h时,连墙杆轴向力为2.21KN)
②考虑承受施工荷载偏心作用产生的水平力。
显然规范本身存在逻辑性错误,根据钢结构稳定理论,钢结构屈曲前产生的2%的连墙杆轴向力,本身考虑到立杆的初始缺陷与变形,施工荷载偏心作用可视作脚手架立杆的初始变位;同时如果钢结构即将达到屈曲极限,连墙杆产生2%的支撑轴向力,此时再给予脚手架立杆较小的偏心荷载作用,脚手架本身已屈曲,连墙杆支撑轴向力可增加与否已无意义。
再有,施工荷载的偏心作用,在脚手架纵向平面内,脚手架的纵向刚度较大,偏心荷载影响几乎为零;在脚手架横向平面内,偏心荷载对立外立杆的作用相对称,偏心荷载对连墙杆轴向力的增加有限,可忽略不计。
同时在基期风压作用下,从保证施工质量的角度及保证安全的强制性要求,脚手架应处于非使用状态下,一般无施工荷载,N0为仅由约脚手架自重所产生的轴向力。
因而JGJ130规范计算连墙杆的轴力过于保守,将导致布置过多的或更为复杂构造形式的连墙杆件的布置,按下列两个公式中最不利组合计算确定连墙杆的轴向力应该较为合理:
①工作状态下(由永久性荷载控制):
②非工作状态下(由可变荷载控制):
3.2特殊条件下的连墙杆的受力设计计算
当天气预报将出现大于脚手架设计计算基期的风荷载时,应按下式计算确定连墙杆所受的水平力,并对脚手架进行临时性加固。
在结构施工阶段,脚手架随楼层升高而升高并在结构施工前搭设或爬架在楼层结构施工前爬升,脚手架一层多高的高度处于悬臂状态,其计算简图如下图所示。
A点、C点连连墙杆的支撑轴力分别为2ql、5ql/2,连墙受压;B点连墙杆支撑轴力为-3ql/2,连墙杆受拉。
显然,如果脚手架悬臂段不采取与楼层临时性支撑拉结措施,连墙杆所受的风荷载支撑轴力大大超过于规范计算规定,这在脚手架应用过程中应予以高度重视。
3.3连墙杆的构造设计
在脚手架中,连墙杆起到支座作用,有效缩短了支架立杆的计算长度,消减了偏心荷载的影响,它相当于一个弹性支座,须具有足够的刚度。
如果它的弹簧刚度很弱,则起的作用不大,不能把脚手架立杆承载力提高很多。
因而规范中所涉及的脚手架试验中,连墙杆的设置为刚性连接。
因而规范中应强制所有连墙杆须是刚性连接。
4、模板支架设计与计算
4.1模板支架立杆稳定性计算
4.1.1不组合风荷载时立杆稳定性计算
不组合风荷载时,控制荷载应为自重荷载,而施工人员及振捣混凝土等产生的可变荷载应是非控制荷载。
因而模板支架轴向力应按下式进行计算:
规范JGJ130中公式5.6.2-1,将施工荷载认定为不组合风荷载工况时的控制荷载,违反《结构荷载规范》GB50009的相关规定,其合理性有待商榷。
对于一般性钢筋混凝土结构梁板支撑,其差别也许不大,但对于高架制模或对厚大结构支模设计计算,其差别明显。
4.1.2组合风荷载时立杆稳定性计算
出现计算基期负荷载时,模板支架一般处于非工作状态下,即施工荷载为零。
此时,由于风荷载可能对梁板底面产生负压作用,同时又有侧向风压作用,从而导致模板支架整体具有较大的偏心,部分模板支架立杆所受到的压力大大增加,从而导致失稳破坏。
而规范JGJ130规定的进行组合风荷载时立杆稳定性计算,其意义不大。
下列一组公式为规范JGJ130中规定的组合风荷载条件下的立杆稳定性计算公式:
上述公式中本身存在的最不合理之处是:
对于常规性模板支架,为敞开式,计算出的水平风荷载标准值对应于多排立杆组成的模板支架整体,而非仅仅对应为一根立杆。
4.1.3模板支架立杆计算长度的确定
JGJ130规范中规定模板支架的计算长度为:
规范本来应明确:
这种取值是建立在模板支架整体性稳定性满足要求基础上的脚手架立杆单肢稳定性验算,即模板支架应通过布置纵横向剪刀撑、水平剪刀撑等,从而使模板支架成为几何不可变杆系结构,满足模板支架的整体稳定性要求。
同时规范中a的取值规定欠妥,应改为:
取模板支架立杆伸出顶层纵横水平杆中心线至模板支撑点的长度与模板支撑纵横扫地杆中心线至支撑基座的长度两项数值中的大值。
4.1.4模板支架的整体稳定性设计计算
在脚手架立杆稳定性计算中,规范通过采用考虑综合因素的立杆计算长度,从而使本来为脚手架单肢稳定性验算过程,可近似当作脚手架整体稳定性设计计算。
而对于模板支架计算,规范仅涉及到立杆单肢稳定性计算,而未涉及到模板支架的整体性设计验算。
这本身是规范的一大缺陷。
这也许对一般模板支架设计计算的影响不大,但对高宽比较小的模板支架影响极大。
笔者在工作中,一般将高窄模板支架设计搭设成格构柱形式,采用《钢结构设计规范》GB50017近似按格构柱进行设计验算,钢管扣件模板支架高宽比定为0.2~0.3以上;但此时成立的条件是不考虑水平力对模板支架的影响,如风荷载、混凝土下料产生的水平力等,通过风拉绳措施解决。
4.2水平力对模板支架的影响与模板支架侧向刚度的控制
风荷载及施工过程形成的对模板支架的水平力,可通过竖向剪刀撑传替至基座平面,亦可通过风拉措施传替。
水平剪刀撑不仅可大大提高支架立杆节点刚度,同时可使水平力均匀传向竖向剪刀撑。
由于风荷载与施工水平荷载作用方向的不确定性,足够的纵横向剪刀撑及必要的水平剪刀撑,是保证模板支架侧向刚度的充分必要条件。
缺少剪刀撑或剪刀撑不足的模板支架,可视作为可侧移框架,水平力形成对立杆的弯矩,通过钢管扣件节点最后传替至基座对应的水平力;由于钢管扣件节点的刚度较小及偏心作用,水平力可使模板支撑局部成为机构,而丧失承载能力。
JGJ130规范中对模板支架剪刀撑的布置要求很粗且不严谨。
5、地基基座承载力
规范中规定,地基承载力设计值根据回填土及地基土类别进行折减。
规范规定必不科学,因为即使地基土上覆盖砼层,受环境影响,亦可使砼下的地基土丧失承载力。
因而脚手架地基承载力设计值取值应区别对待,当地基土有充分的预防环境影响措施时,可根据地基承载力特征值确定地基承载力设计值,而不予以折减。
6、结语
将钢管扣件脚手架或模板支架这一临时性、使用工况较为明确的构筑物,当成永久性构筑物看待,以单一简化的可变荷载效应组合进行荷载效应组合,使设计计算不科学;以一个搭设不严谨的非几何不可变杆系结构为研究对象,以概率理论确定钢管扣件脚手架、模板支架的设计原则,再以“单一系数法”进行复核,使得钢管扣件脚手架搭设构造显得杂乱无章。
JGJ130规范本身以较模糊的理论、有限的实验数据与施工经验,参考国外规范相杂合而成,与现行结构设计与计算理论间存在原则性矛盾之处。
因而应重新制定钢管扣件脚手架规范,以替代现行JGJ130规范。
[主要参考文献]:
1GB50009-2001建筑结构荷载规范;
2JGJ130-2011建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范;
3陈绍蕃著钢结构设计原理(第三版)科学出版社。
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