钢管脚手架设计施工的几个补充要点

王 向 东

(山西安宇建设监理有限公司,山西 太原 030006)

·施工技术·

钢管脚手架设计施工的几个补充要点

王 向 东

(山西安宇建设监理有限公司,山西 太原 030006)

结合钢管脚手架的施工设计实践经验，充分理解了规范中钢管脚手架的设计计算重点，补充说明了规范中的不足之处，并对改良钢管脚手架的设计施工过程进行了论述，以达到安全科学施工的目的。

脚手架,设计,施工,要点

脚手架的主要作用有两个：安全防护与施工支撑措施。合格的脚手架可以有效防范高处坠落、物体打击、支架坍塌等事故。根据统计，因为脚手架违规施工而产生的事故占建筑行业安全事故的28%。

1 钢扣式脚手架概述

钢扣式脚手架主要分两种：外脚手架和模板支架。其中脚手钢管是主要受力构件，其主要承受轴向力和弯矩。钢管脚手架以内外立杆为竖向受力构件。

JGJ 130-2011建筑施工扣件式脚手架安全技术规范(以下简称《扣件架规范》)中，定义步距为h，跨距用lK表示，计算长度用l0表示，立杆最上部最下端的扣件结点以外的部分称为外伸长度(通称自由端)，用a表示。

2 钢扣式外脚手架与模板支架的区别

鉴于安全形势，国家建设部门于2009年出台了建质[2009]87号危险性较大的分部分项工程安全管理办法，紧接着于2011年发布修改《扣件架规范》改为JGJ 130-2011版。

普通外脚手架是用来支持工人高处作业的平台；满堂脚手架一般为井字格构式(几何型)，主要用来支撑上部结构重量，特别是支架整体结构高度不小于8 m，结构体形系数比H/B>2.0时(B为支架截面短向尺寸)，必须验算满堂脚手架的整体稳定性，计算并设计斜撑、抛撑、剪刀撑或连墙件来增加稳定性。

钢管式外脚手架的稳定性主要依靠连墙件和附加支撑系统完成，自身属于非几何不可变杆系结构。其立杆的计算长度l0′按式(1)计算：

l0′=κ1·κ2·μ′·h

(1)

其中，

μ′=m1·m2·μ1

(2)

其中,κ1为考虑安全保证要求(即按“单一系数法”复核时，稳定计算要达到安全系数K≥2的要求，参考英国标准)的立杆计算长度附加系数;κ2为考虑搭设高度影响的立杆计算长度系数；μ′为“非几何不可变杆系结构”支架立杆的计算长度系数，可查《建筑施工脚手架实用手册》P461表15-112；μ1为将“非几何不可变杆系结构”支架视为“有侧移的框架柱”，按其线刚度比值K1，K2确定的计算长度系数，可查GB 17-88钢结构设计规范的附表4.2得到；m1,m2为考虑扣件式钢管脚手架的稳定约束条件中连墙杆和纵向水平杆作用的调整系数，见《建筑施工脚手架实用手册》P456～P460的内容。

满堂脚手架本身按照结构要求增加了联系杆和斜撑后，属于几何不可变杆系结构。在对满堂脚手架整体稳定性计算时，计算长度l0按式(3)计算：

l0=κ1·κ2·l01=κ1·κ2·(h+2a)

(3)

且:

a≤0.5(μ′-1)h

(4)

其中,l01为不调整前立杆计算长度;κ1,κ2的取值可从《扣件式钢管模板高支架的设计和使用安全》中表1，表2查得。

可见，对稳定性不同要求的这两种脚手架，因结构组合形式决定不同的杆件计算长度l0，从而决定长细比λ0作为模板支架的满堂脚手架应该运用式(3)，式(4)进行计算设计。

3 脚手架荷载的错误组合

我国《扣件架规范》4.3规定，脚手架的荷载组合为：永久荷载+施工均布活载。事实上施工荷载决不是均布的，外脚手架荷载组合施工荷载往往不是均布的而且很容易集中。

因此，对外脚手架来说施工动载=人体重量+工具或设备重量+暂堆物料重量+冲击荷载是比较合理的荷载组合。如果不可避免地在外脚手架上附着了施工机具设备，施工冲击荷载和暂堆物料自重应该根据不同的附着设备及其自重进行系数调整，可依据GB 50009-2001建筑结构荷载规范得到P1,P2值，进行重点计算设计。

外脚手架柔性布置图及堆载实验破坏示意图见图1,图2。

对满堂支架来说其计算荷载必须考虑以上两种荷载。荷载组合应为永久荷载+施工动载，其中永久荷载=架子自重+模板自重+上部结构自重，施工动载=人员重量+工具或设备重量+暂堆物料重量+冲击荷载。但满堂脚手架的整体安全性和整体稳定性必须取相对高值。满堂架刚性示意图见图3,简化受力示意图见图4,整体失稳示意图见图5。

风荷载的大小随建筑物高度变化很大，超过24 m高的外脚手架必须要核算。不同的封闭形式风载变化很大，《扣件架规范》表4.2.4中的体型系数φ应该按不同围蔽材料的风阻系数进行换算方更合理。

《扣件架规范》计算式4.2.3规定基本风压ω0按GB 50009-2001建筑结构荷载规范采用，但9.0.5条规定6级以上风力停止作业，所以取基本风压时应该按最低6级风力折算，确保安全系数。

风荷载是不均匀的，一般来说其顶部自由端的系数μs大于中间区段。新《扣件架规范》中只规定水平均布风荷载，是非常局限的。

4 管材质量对脚手架的影响

现行脚手架用的钢管有两种：直径为D51或D48，新《扣件架规范》中选标准壁厚δ=3.6 mm。但市场上出现多种壁厚实际尺寸只有3.2 mm～2.8 mm。实际施工生产中，按照标准的壁厚计算，会给安全使用埋下隐患。本节以壁厚3.5 mm与3.0 mm的钢管做对比说明。

首先是杆件断面惯性矩I值的变化。选择钢管D=51时，δ1=3.5，δ2=3.0两种情况比对。假设钢管只受轴向压力，代入环形截面的惯性矩公式：I=π(D4-d4)/64。

得到:

I1=π(514-434)/64=3.02π×106/64。

I2=π(514-444)/64=2.67π×106/64。

ΔI=I1-I2=0.35π×106/64。

结论：惯性矩因壁厚变薄减少了：

ΔI/I1×100%=11.6%。

在结构失稳破坏的临界状态，欧拉临界荷载公式为：

PE=π2EI/(4h2)。

其中，弹性模量E是定值(如果实际采购的杆件材质有变化时，E值也要随之调整)，当I值的改变量为-11.6%时，临界荷载也相应减少了11.6%。

其次是杆件断面回转半径i的变化。仍选上述钢管的参数，脚手架步距假设按1.8 m。从管材参数表查得：

钢管壁厚t从3.5 mm变薄到3.0 mm时，截面积A由5.44变

为4.71，回转半径i值由1.75变为1.77。

代入公式：λ=l0/I后，λ1=103.9，λ2=101.7。

依λ1，λ2值查附表C，得出φ1=0.558，φ2=0.573。

假定不考虑风载，轴向力N定值时，进行简单的验算。那么根据《扣件架规范》公式5.3.1-1，得到应力：

f1=N/(φ1A1)=0.33 N。

f2=N/(φ2A2)=0.27 N。

得到：Δf=0.06 N。

可以看到，当钢管壁厚变薄到3.0 mm时，应力降低了Δf/f1×100%=18%。

从以上验算得出，管壁变化0.4 mm～0.5 mm，其承受的应力和稳定性变化率在12%以上；材质不达国标时，弹性模量E变化很大，设计计算钢管脚手架时应该以实际采购的钢管材质、壁厚为计算依据，不能生搬硬套新旧《扣件架规范》中的数值。

5 满堂脚手架自由端长的重要意义

对承受结构载荷的满堂脚手架来说，其自由端a对脚手架的影响更大。《扣件架规范》5.6.2规定模板支架的l0计算运用公式5.6.2-3，l0=h+2a。事实上，该式仅用于模板支架两个自由端的长度计算，满堂架的中间立杆计算因为没有明确规定，所以仍然套用《扣件架规范》5.3.3式，l0=κ·μ·h。

假设条件为满堂架h=1.8，立杆横距1.55，二步三跨连墙，那么:

l0=1.55×1.60×1.8=3.33 m。

代入5.6.2-3得：a=κ·h·(μ-1)/2=0.76 m。

在满堂架实际施工中，往往套用《扣件架规范》，得出a值很大。事实上架顶自由端值a超长是目前满堂脚手架安全事故频繁的主要原因。JGJ 130-2011版规定扫地杆高度不大于200 mm，对上部自由端仍然没有规定。考虑满堂架上端建筑结构的不规则情况，建议在实际施工中自由长度不能超过300 mm，可以作为有效的安全做法推广。

从图5的破坏过程可以看出，整体来说满堂架也是一个杆件，满堂脚手架的整体稳定性同样密切依靠连墙结构和斜向支撑，特别是相对短向截面。

综上所述，现行的JGJ 130-2011建筑施工扣件式脚手架安全技术规范仍有不少内容细节不能满足施工要求，希望本文能对大家的脚手架施工安全技术起到一定的指导作用。

[1] JGJ 130-2011，建筑施工扣件式脚手架安全技术规范[S].

[2] 杜荣军.扣件式钢管模板高支架的设计和使用安全[J].施工技术，2002(3)：75-77.

[3] BS 5975-82，脚手架实施规范[S].

[4] 建筑施工脚手架实用手册[Z].

[5] (97)建标工字第20号，编制建筑施工脚手架安全技术标准的统一规定[S].

[6] GB 50009-2001，建筑结构荷载规范[S].

Some supplementary key points in steel pipe scaffold design construction

WANG Xiang-dong

(ShanxiAnyuConstructionSupervisionLimitedCompany,Taiyuan030006,China)

Combining with the construction and design practice experience of steel pipe scaffold, this paper fully understood the design and calculation key points of steel pipe scaffold in specification, explained the deficiency in specification, and discussed the improvement steel pipe scaffold design in construction process, achieved the purposes of safety and science construction.

scaffold, design, construction, key point

2014-07-12

王向东(1970- ),男,工程师

1009-6825(2014)27-0107-02

TU731.2

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