浅谈扣件式钢管脚手架的设计计算

胡汉青

（中化泉州石化有限公司，福建 泉州 362103）

1 设计计算

脚手架设计计算的实质是验证计算，即对设计模型进行现实分析以验证其是否满足要求的过程，具体内容如下：

1）模型设计：结合实际需要，据规范、经验，对搭设数值估设；

2）受力分析：进行受力分析，计算各构件的强度、挠度、抗滑移性等；

3）比较判断：计算结果与材料性能参数、规范要求比较，检验是否满足。

2 受力分析

在进行脚手架受力分析之前，应清楚脚手架各构件的连接关系。

JGJ 130—2011《扣件式钢管脚手架安全技术规范》（以下简称《规范》）中关于脚手架各部件的搭设连接规定：纵向水平杆应作为横向水平杆的支座，用直角扣件固定在立杆上；横向水平杆两端均应采用直角扣件固定在纵向水平杆上；脚手板应设置在3 根横向水平杆上；立杆底部宜设置底座或垫板[1]。综上，基本连接关系：施工荷载→脚手板→横向水平杆→纵向水平杆→扣件→立杆→底座→垫板→地面，这是对其设计验算的基础。

3 验证计算

由架体受力知，竖直方向需对横向水平杆、纵向水平杆、扣件、立杆、地基进行分析计算。另外，考虑水平方向受风荷载、连墙件连接力影响和搭设高度限定，故需进行8 方面计算。为规范表述，对部分字符进行统一说明，见表1。

表1 公式字符对照表

3.1 横向水平杆计算

横向水平杆承受施工荷载、脚手板重量、横向水平杆自重，在其作用下弯曲变形。按简支梁进行抗弯强度和挠度计算。横向水平杆荷载分析简图如图1 所示。

图1 横向水平杆荷载分析简图

1）横向水平杆自重标准值：P1=g0。

2）脚手板荷载标准值：P2=gbla/n。

3）活荷载标准值：Q1=ghla/n。

4）最大弯矩MqMax：

式中，为荷载计算值，按《规范》第5.1.2，q=1.2P1+1.2P2+1.4Q1。

5）抗弯强度σ：M为最大弯矩，即MqMax，按《规范》公式5.2.1：

6）最大挠度VqMax：

按《规范》第5.1.3 条，q=P1+P2+Q1。

3.2 纵向水平杆计算

在自身重力和通过横向水平杆传递到纵向水平杆上荷载作用下，杆弯曲变形，需计算抗弯强度和挠度。纵向水平杆分析简图如图2 所示。

图2 纵向水平杆荷载分析简图

1）横向水平杆自重值：P3=g0lb。

2）脚手板荷载值：P4=gblalb/n。

3）活荷载值：Q2=ghlalb/n。

4）均布荷载（自重标准值）：q1=g0。

5）荷载计算值：P=（系数×P3+系数×P4+系数×Q2）÷2。因横向水平杆两端固定在两根纵向水平杆上，故需要除以2。

6）抗弯强度σ：σ=M/W≤f，M为最大弯矩。

式中，Mmax为荷载计算值集中荷载下的弯矩；Mpmax为纵向水平杆自重均匀荷载下的弯矩。按《规范》第5.1.2 条，均布荷载q2=1.2g0，则P=（1.2P3+1.2P4+1.4Q2）÷2。

7）挠度V：

式中，V为最大挠度；VMax为纵向水平杆自重产生的挠度；VpMax为横向水平杆传递的集中荷载产生的挠度。按《规范》第5.1.3条，均布荷载q3=g0，P=（P3+P4+Q2）÷2。

3.3 扣件抗滑计算

计算纵向水平杆与立杆处扣件抗滑力，是否满足R≤Rc。

1）横杆自重值：P7=g0la+lalb/n/2。因横杆两端固定在立杆上，故除以2。

2）脚手板荷载值：P8=gblalb/2。

3）施工荷载值：Q3=ghlalb/2。

4）荷载计算值：R=1.2P7+1.2P8+1.4Q3≤Rc。

3.4 荷载计算

脚手架荷载包括恒荷载、活荷载、风荷载，计算如下：

1）立杆自重值：NG1=gkH。NG1包括立杆、纵横向水平杆、扣件的重量。

2）脚手板自重值：NG2=gbla（lb+b）NS/2。

3）栏杆、挡脚板自重值：NG3=gllaNS。

4）安全网等自重值：NG4=gwlaH。

5）恒荷载计算值：NG=NG1+NG2+NG3+NG4。

6）活荷载：NQK=ghlalbN′/2。

7）立杆轴向压力设计值，依据《规范》公式5.4.4：

式中，N1为考虑风荷载影响时的立杆轴向压力设计值；N2为忽略风荷载影响时的立杆轴向压力设计值；ΣNGK为永久荷载对立杆产生的轴向力标准值总和；ΣNQK为可变荷载对立杆产生的轴向力标准值总和。

8）风荷载标准值WK，依据《规范》公式4.2.5：

式中，μS为脚手架风荷载体型系数，按《规范》表4.2.6 取值；μZ为风压高度变化系数，W0为基本风压值，按GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》表8.2.1、表D.4（取重现期=10）[2]。

9）风荷载产生弯矩：立杆径向还受风荷载影响，需计算立杆的弯矩值MW，按《规范》第5.2.9 条，知MW=0.9×1.4×MWK=（0.9×1.4×MK×la×h2）÷10，MWK为风荷载产生的弯矩标准值。

3.5 立杆稳定性计算

对脚手架立杆受力最大（立杆底部）荷载值和弯矩，在是否考虑风荷载影响的两种情况下进行验算。

1）立杆底部轴向荷载计算值。按《规范》式5.2.7-1 和式5.2.7-2：

式中，N3为考虑风荷载影响时的立杆底部轴向压力设计值；N4为忽略风荷载影响时的立杆底部轴向压力设计值。

2）立杆计算长度l0。k取值1.155，μ 按《规范》表5.2.8 取值，按《规范》第5.2.8 条：

3）长细比λ，按《规范》第5.2.6 条：

4）立杆段风荷产生弯矩MW，按《规范》式5.2.9：

5）立杆稳定性，按《规范》式5.2.6-1 和式5.2.6-2 进行验算：

3.6 高度计算

据设定的参数，计算脚手架允许搭设高度[H]，与实际高度比较，检验能否满足。按《规范》式5.2.11-1 和式5.2.11-2：

1）忽略风荷载：

式中，NG2k为构配件自重产生的轴向力标准；NQK为施工荷载对立杆产生的轴向力标准值总和。

2）考虑风荷载：

式中，MWk为风荷载产生的弯矩标准值，由《规范》式5.2.9 得MWk=Wklah2/10。

3.7 连墙件计算

需进行强度、稳定性、扣件抗滑移承载力计算，如下：

1）风荷载产生的连墙件轴向力设计值：Nlw=1.4WkAW。其中，AW为单个连墙件所覆盖的脚手架外侧面迎风面积，若设置为“n步m跨”，则AW=nhmla。

2）轴向力设计值：Nl=Nlw+N0。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。

4）稳定性。其中，连墙件毛截面积：A=πD2/4。

3.8 地基承载计算

计算立杆底部压强，与地基强度进行比较，如下：

1）上部结构传递至立杆基础顶面的轴向力Nk，按前述N计取。

2）基础底面面积：A=LW/3，此处L、W为垫板的长、宽。

3）地基承载力设计值：fg=kcfgk。kc为脚手架地基承载力调整系数，回填土要乘以系数0.4[3]；fgk为地基承载力标准值，一般取200。

4）立杆地基承载力。其中，pk为立杆底部压强。

4 结语

脚手架的设计计算，虽然原理较易理解，但计算过程复杂，加之涉及因素众多，且很多参数需要根据实际情况来判断、取值，所以，在日常工作中，其计算的可操作性不强，也不能保证工作效率。通常，可以通过专业软件进行计算、验证。当然，对于建筑从业人员而言，能够清楚并熟练运用脚手架的设计计算，对于工作的开展会有很大帮助。