某大型工程的脚手架可靠性研究

张 伟 王小厂 张新华 颜庆智

(1.胜利石油管理局供水公司，山东东营 257097;2.中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院，山东青岛 266580)

0 引言

自20世纪60年代以来，扣件式钢管脚手架由于经济实惠、搭设和拆装便捷等优点，成为我国使用量最多、被广泛应用的一种脚手架，占脚手架使用总量的70%。落地式扣件脚手架是保证工程施工高处作业顺利实施的重要保障，为避免工程事故的发生，很有必要对落地式扣件脚手架进行可靠度分析。

1 工程概况

某钢筋混凝土框架核心筒结构，脚手架及连墙杆用φ48×3.5，均采用扣件连接。连墙件均布分布，采用两步两跨。脚手架架设结构为:立杆纵距la=1.50 m，立杆横距lb=1.05 m，步距h=1.80 m，脚手架距外墙 0.5 m，脚手架高度为 16.2 m。

2 模型建立与分析

模型建立:选取两跨作为三维计算单元。节点的特殊性决定了计算模型最重要的是正确选择扣件式钢管脚手架节点模式。通过资料［1］，横杆与立杆是理想的铰接或者刚接。大小横杆与立杆之间是一种半刚性连接，不同于两种理想假设，在荷载作用下会发生一定变形且会传递一些弯矩。通过加线性抗转弹簧的方法来考虑节点半刚性。

3 可靠度分析

3.1 蒙特卡罗法

Monte-Carlo法计算结构体系可靠度:1)影响可靠度的随机变量，按其分布类型产生一组随机数，计算比较体系的作用效应与抗力值，计算各主要失效模式对应的功能函数值Z。当且仅当功能函数值Z＜0时，表示原结构失效，计算即可中止。2)重复第1)步的计算。3)计算结构体系的失效概率Pf=m/n(n为总样本数;m为结构失效的样本数)。文献［2］建议模拟次数n必须满足n≥100/Pf，根据美国 LRFD(Load and Resistance Factor Design)规范对 β 的建议值:临时结构 β=2.5，Pf=Φ(－β)，则有 Pf=0.006 2，n设定为17 000次。

3.2 可靠度分析参数

一般将扣件式钢管脚手架作为串联系统处理，如果其中某构件失效不能工作，将会提高其他构件的失效概率。通过对试验和脚手架坍塌事故分析，扣件式钢管脚手架的主要失效模式分为整体失稳破坏和连墙件破坏。脚手架内侧距离外墙为0.5 m，连墙杆在连接扣件发生扣件滑移破坏之前，不可能发生失稳破坏。仅关心连墙件连接扣件滑移破坏，以及脚手架整体横向失稳破坏。基本随机变量的分布统计见表1。

表1 基本随机变量的分布统计

两种失效模式功能函数分别为:

其中，R为连墙件的线位移刚性约束产生的支反力;N0=5 kN;Rc为直角扣件抗滑移承载力。

纵横向水平杆与立杆之间用直角扣件连接的节点作为一种半刚性连接，参考文献［3］［4］，直角扣件抗滑移承载能力Rc均值为8 kN，变异系数为0.15，服从对数正态分布。

3.3 计算结果

结构体系的失效概率为0.000 118，根据Pf=Φ(－β)，查表得到β=3.6。按照规范规定的结构构件承载能力极限状态在脆性破坏三级的情况下的可靠度指标 β 为 3.6［5］，3.6 ＞3.2，说明此脚手架按照三级脆性破坏考虑，此结构体系设计在理论上来讲是安全的。

4 结语

采用Monte Carlo法对工程实例脚手架进行可靠度分析表明，满足规范要求。脚手架坍塌事故屡有发生，主要原因是管理不善，扣件式钢管脚手架一般被视为一种临时结构，没有被大家足够重视，其实际的体系可靠度受施工过程中人为错误影响较大。

［1］吴世伟.结构可靠度分析［M］.北京:人民交通出版社，1990.

［2］Hak-Fong Ma，A.H-S.Ang.Reliability analysis of redundant ductile structural systems［J］.University of Illinois at Urbana-Champaign，1981(8):41-42.

［3］敖鸿斐.双排扣件式钢管脚手架整体极限承载力研究［D］.上海:同济大学，2000.

［4］JGJ 130-2001，建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范［S］.

［5］GB 50068-2001，建筑结构可靠度设计统一标准［S］.