球罐内部满堂扣件式脚手架搭设施工技术

陆 杰

(扬子石化-巴斯夫有限责任公司，江苏南京 210048)

1 工程概况

按照《压力容器定期检验规则》法规的规定，某石化公司对罐区6个2 500 m3丙烯球罐腐蚀情况进行了容检。球罐内搭设脚手架是一项危险度极其高的工作，在封闭性空间施工中，还要考虑杆件在球体内的受力点分布，杆件的受力分析以及合理的上下通道空间设置。在保障安全的前提下，加快容检的进度，对本次的球罐内部脚手架搭设方案不断进行优化，经过简化后的脚手架既能保证足够的承载力，又能节省脚手管件，加快搭设进度，节约项目费用。

2 球罐设计试验参数和容检技术要求

球罐的设计试验参数和容检技术要求如表1所示。

表1 球罐的设计试验参数和容检技术要求

3 球罐内部搭设脚手架施工特点及难点

球罐因结构的对称性和形状特点，质量可近似地集中于球壳中心，故球罐可视为单自由度体系。在其内部搭设脚手架也要考虑到对称性问题。因为球罐在脉动情况下按剪切型振动，即结构在水平力作用下，整个体系会产生平移，球罐本身不发生偏转，所以要求球罐内脚手架的受力必须均匀分布，使得球罐在水平力作用下的位移可转化到支柱在该力作用下的位移。

球罐内部的施工不仅受到空间约束，还要考虑到检测部位的位置要求、对球罐内壁的保护、温度的影响，以及防火和人员窒息、中毒等等因素。在搭设过程中需要防止因脚手架受力点不均衡，稳定性被破坏，受力杆失稳产生扭力，内满堂架如拧麻花状倒伏，引起的满堂架整体失稳，造成严重的坍塌事故。所以必须要求球罐底部及侧壁的受力点、支撑点对称分布，确保结构的受力均匀。

4 施工方案的确定

4.1 内部脚手架搭设方案设计及计算

按照球罐容检技术要求，脚手架搭设部位及层数如图1所示。为了简化对脚手架结构的计算，先进行脚手架结构体系的构建及类型划分。球罐内部脚手架分两个类型，满堂脚手架和双排架，如图2所示。主满堂架起着主心骨的作用，就像混凝土结构中的主筋，是主要的受力构件。所以对主满堂架的受力计算是决定整个结构稳定性的关键。周围的双排架起着辅筋的作用，加强结构的稳定性。

图1 球罐内部脚手架搭设部位及层数要求

图2 球罐内脚手架类型划分

4.1.1 水平杆受弯构件的强度和连接扣件抗滑承载力计算局部的满堂脚手架平面示意图如图3所示。

图3 满堂脚手架平面示意图（局部）

1)横杆的计算。

横向杆钢管截面力学参数为:

截面模量W=5.26 cm3;

截面惯性矩I=12.71 cm4;

横向杆按三跨连续梁进行强度和挠度计算，横向杆在纵向杆的上面。

按照横向杆上面的脚手板和活荷载作为均布荷载计算横向长杆的最大弯矩和变形。

考虑活荷载在横向杆上的最不利布置(验算弯曲正应力和挠度)计算。

a.作用横向水平杆线荷载。

作用横向水平杆线荷载标准值:

作用横向水平杆线荷载设计值:

横向杆计算荷载图如图4所示。

图4 横向杆计算荷载图

b.抗弯强度计算。

最大弯矩为:Mmax=0.117ql=0.117 × 1.82 × 1.202=0.307 kN·m。

σ =Mmax/W=0.307 ×106/5 260.00=58.37 N/mm2。

横向杆的计算强度小于205.0 N/mm2，满足要求。

c.挠度计算。

最大挠度:V=0.990qkl4b/(100EI)=0.990 ×1.32 ×1 2004/(100 ×2.06 ×105×127 100.0)=1.035 mm。

横向杆的最大挠度小于1 200.0/150与10 mm，满足要求。

2)纵向杆的计算。

纵向杆钢管截面力学参数为:截面模量W=5.26 cm3;截面惯性矩I=12.71 cm4;纵向杆按三跨连续梁进行强度和挠度计算，横向杆在纵向杆的上面。用横向杆支座的最大反力计算值，考虑活荷载在纵向杆的不利布置，计算纵向杆的最大弯矩和变形。

a.由横向杆传给纵向杆的集中力。

由横向杆传给纵向杆的集中力设计值:

F=1.200qlb=1.200 ×1.82 ×1.20=2.627 kN。

由横向杆传给纵向杆的集中力标准值:

Fk=1.200qklb=1.200 ×1.32 ×1.20=1.901 kN。

纵向杆计算荷载见图5。

图5 纵向杆计算荷载图

b.抗弯强度计算。

最大弯矩考虑荷载的计算值最不利分配的弯矩:

Mmax=0.267Fla=0.267 ×2.627 ×1.20=0.842 kN·m。

σ =Mmax/W=0.842 ×106/5 260.00=160.08 N/mm2。

纵向杆的计算强度小于205.0 N/mm2，满足要求。

c.挠度计算。

最大挠度 V=1.883Fkl3a/(100EI)=1.883×1.901×1 000×1 2003/(100 ×2.06 ×105×127 100.0)=2.362 mm。

纵向杆的最大挠度小于1 200.0/150与10 mm，满足要求。

3)扣件抗滑力计算。

按照《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》，双扣件抗滑承载力设计值取16.00 kN，按照扣件抗滑承载力系数1.00。

该工程实际的旋转双扣件承载力取值为16.00 kN。

纵向或横向水平杆与立杆连接时，扣件的抗滑承载力按照下式计算:

其中，Rc为扣件抗滑承载力设计值，取16.00 kN;R为纵向或横向水平杆传给立杆的竖向作用力设计值。

纵向或横向水平杆传给立杆的竖向作用力设计值:

双扣件抗滑承载力的设计计算R＜16.00，满足要求。

4.1.2 立杆稳定性计算

1)先计算立杆允许长细比［λ′］。

回转半径i=1.59 cm。

2)因在球罐内施工，所以不考虑风荷载。

不组合风荷载时，按以下公式计算立杆稳定性:

4.1.3 连墙件强度、稳定性和连接强度计算

将满堂架Ⅰ看成是一个刚体，连接杆起到连墙件的作用，使周围的双排架连接在刚体上，所以要计算双排架“连墙件”的强度及稳定性。

1)强度计算。

Nl=Nlw+N0，其中，Nl为连墙件轴向力设计值;Nlw为风荷载产生的连墙件轴向力设计值，球罐内无风载;N0为连墙件约束脚手架平面外变形所产生的轴向力，双排架取3 kN。

2)稳定性计算。

由长细比 l/i=300/15.9=18.868 查表得到 φ =0.953，其中，l为内排架距离刚体的长度。

4.1.4 立杆地基承载力计算

立杆基础地面的平均压力应满足下式的要求:

其中，Pk为立杆基础地面处的平均压力标准值，kPa;Nk为上部结构传至立杆基础顶面的轴向力标准值，kN;A为基础底面面积，m2。

Nk可取计算立杆段的轴向力设计值7.203 6 kN，由于钢管以1.2 m ×1.2 m 布置，所以基础地面面积为 1.2 ×1.2=1.44 m2。

经查，球罐钢材的抗拉强度为f=610 MPa，即地基承载力特征值fg=610 MPa，Pk＜fg，脚手架地基承载力满足要求。

按照《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》要求，还要在相应的部位设置扫地杆、剪刀撑、水平十字撑和抛撑，进行结构加固。

4.2 脚手架搭设基本要求

1)脚手架材料的基本要求。

脚手架材料包括钢管、扣件、脚手板、挡脚板、安全网等。脚手架钢管采用φ48.3×3.6钢管，钢管外径、壁厚、端面、弯曲变形等的偏差应符合安全技术规范。扣件质量和性能应符合现行国家标准GB 15831钢管脚手架扣件的规定，有生产许可证、法定检测单位的测试报告和产品质量合格证。脚手板采用冲压钢质材料制作，材质符合现行国家标准GB/T 700碳素结构钢中Q235级钢的规定。挡脚板采用镀锌板或木挡脚板，挡脚板表面应涂刷警示标识漆。安全网为平支网，密目网要求宽度不得小于3 m，长度不得大于6 m，网眼不得大于10 cm，必须使用维纶、锦纶、尼龙等材料。

2)对施工人员的要求。

脚手架搭设和拆除人员必须有符合人保部门颁发的架子工国家职业资格证书和安监部门的架子工特种作业操作证。项目负责人编制施工方案和安全风险评估。现场的安全人员具体落实安全作业交底，预防安全隐患，协调安全事宜，检查安全状况，监督安全落实，纠正安全问题的关键性人员。

4.3 安全作业交底和技术交底

1)安全作业交底。

安全作业交底必须结合专业特点和现场实际条件进行。针对材料、设备、人员的安全检查，制定并落实针对施工过程的工作危害分析表。

脚手架作业人员持证上岗，经企业安全培训，佩戴合格PPE用品。施工前，球罐需通风置换，取样监测。现场应做好安全教育，防止坠落、中毒窒息、倒塌、落物等事故的发生。

2)技术交底。

脚手架搭设前，工程技术负责人应按标准及施工组织设计的要求向架子工及使用人员作技术交底。

a.脚手架搭设施工工艺。定位放线→安放垫板、底座→竖立杆同时安设扫地杆→根据设计要求的高度搭设纵向水平管→横向水平管→设置抛撑拉设连墙件→拉设剪刀撑和斜杆→铺设脚手板→安装栏杆和踢脚板→搭设上下爬梯→挂设安全警示牌。

b.组合结构的搭设。先搭设底层满堂脚手架，之后沿内壁一圈搭设双排脚手架，中间满堂脚手架与双排架同时搭设。满堂立脚手架以及双排脚手架的剪刀撑、斜杆以及双排脚手架的抛杆整体结合，立杆下的对接扣件应交错布置，利用中间满堂脚手架来支撑双排架的稳定，使双排脚手架无法晃动，所有双排脚手架的通道全部同独立脚手架的平台连接，满堂架与双排脚手架组成一个组合结构的满堂脚手架，从各立杆处增加斜撑，以加强满堂架的平稳性。

c.各杆件搭设的技术要求。立杆:除顶层可以搭接外，其余各接头必须采用对接扣件连接，对接扣件应交叉布置，相邻立杆接头不可设在同步同跨内，错开距离不小于500 mm，立杆的搭接长度不小于1 m，不少于两个扣件固定。水平杆(大横杆):纵向水平杆应设置在立杆内侧，其长度不宜小于3跨，可以搭接或对接，搭接时，搭接长度不小于1 m，等间距设置3个旋转扣件固定，对接时，接头不可设置在同步同跨内。用橡胶皮包裹每一层的横向水平杆端头，其必须紧紧顶住球罐内壁，并与脚手架立杆锁牢，这是防止球罐内部脚手架整体失稳的关键技术要点。小横杆:每一节点必须设置一根横向水平杆，并采用直角扣件扣紧在纵向水平杆上部，端头处伸出长度不小于10 cm，该杆轴线偏离主节点的距离不应大于15 cm。双排架中靠墙一侧的外伸长度不应大于50 cm。剪刀撑:每道剪刀撑跨立杆的宽度在5根～7根为宜，且不小于6 m，斜杆与地面的倾角在45°～60°之间，脚手架外侧面必须在两端各设一道剪刀撑，中间各道剪刀撑之间的净距不大于15 m，剪刀撑斜杆宜采用搭接，且长度不小于1 m，不少于2个旋转扣件固定，剪刀撑必须随立杆和水平杆同步搭接，其下端必须支承在垫板上。横向斜撑:在同一节里，由底到顶层呈之字形连续设置。剪刀撑、斜撑等整体拉结杆和连墙件应随搭设的架子一起及时设置，剪刀撑斜杆处应用旋转扣件与脚手架的立杆或大横杆扣紧，旋转扣件中心线距主节点的距离不应大于15 cm。用3个扣件等距布置在钢管端头小于10 cm处，剪刀撑下端要落地。“连墙件”:球罐内的“连墙件”采用钢管、扣件组成的刚性连接杆与内满堂脚手架刚性拉结，扣件不宜少于2个，每个连墙件覆盖面积应小于40 m2，且竖向间距在3个步距以内，水平步距应在3个纵距以内。球罐脚手架搭设前用土工布满铺罐底保证不受管件撞击罐底。钢管底端用橡胶皮包扎，防止罐壁受损。接触罐底用小木块垫牢固。

d.脚手架的拆除。工程技术人员应编制脚手架拆除施工方案，并且向架子工进行安全技术交底后方可进行。后搭的先拆、先搭的后拆，由上而下按层按步的拆除。拆除顺序应是先拆护身栏、脚手板和横向水平杆，再依次拆剪刀撑的上部扣件和接杆。拆除的脚手架及部件应及时按规格堆放整齐，严禁乱堆乱扔，做到工完料尽场地清。

5 结语

在球罐内部搭设脚手架需要经过结构体系的构建和计算，两者缺一不可。从精心的准备和实际的搭设效果来看，结合详尽的现场技术交底，不仅保质保量的完成了本次球罐容检内部脚手架的搭设，还提前了工期，证明这个施工技术是成功的，也是安全的，具有积极的推广价值和借鉴意义。

［1］ JGJ 130-2011，建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范［S］.

［2］ 杜荣军.建筑施工脚手架实用手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，2008.

［3］ GB 50009-2001，建筑结构荷载规范［S］.

［4］ GB 50300-2001，建筑结构施工质量验收统一标准［S］.

［5］ GB/T 50326-2002，建筑工程项目管理规范［S］.

［6］ JGJ 59-99，建筑施工安全检查标准［S］.

［7］ JGJ 80-91，建筑施工高处作业安全技术规范［S］.

［8］ GB 50017-2003，钢结构设计规范［S］.

［9］ GB 50018-2002，冷弯薄壁型钢结构技术规范［S］.

［10］ GB 50007-2002，建筑地基基础设计规范［S］.

［11］ GB 50009-2001，建筑结构荷载规范(2006年版)［S］.

［12］ SH 3047-93，石油化工企业职业安全卫生设计规范［S］.