高边坡脚手架结构计算理论与方法概述
2024-06-30
来源:步旅网
第43卷第7期 2017年7月 水力发电 高边坡脚手架结构计算理论与方法概述 李正兵 ,杨玉川。,黄 平 (1.成都理工大学环境与土木工程学院,四川 成都610059; 2.中国水利水电第七工程局有限公司,四川 成都610081; 3.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,四川 成都610072) 摘 要:关于高边坡脚手架的结构计算却至今没有统一的计算方法,为此,结合当今研究的现状,对脚手架系统从 单杆件计算到整体结构计算的理论进行详细的阐述及对比分析,并对脚手架的计算理论进行力学方面的探讨,对不 同理论提供较为明确的计算简图和系统完整的分析和论证。通过对脚手架格构式体系、刚架结构、排架结构三种整 体结构模式进行结构力学方面的对比分析以及相关力学的探讨,最终得出应尽量采用格构式体系进行脚手架设计和 理论计算,并且提出采用电算方法是脚手架结构设计与计算的发展前景。 关键词:扣件式钢管脚手架;结构模型;计算理论;力学分析 Summary of High Slope Scaffolding Structure Calculation Theory and Method LI Zhengbing 一,YANG Yuchuan ,HUANG Ping (1.College of Environment and Civil Engineering,Chengdu University of Technology,Chengdu 6 1 0059,Sichuan,China; 2.Sinohydro Bureau 7 Co.,Ltd.,Chengdu 610081,Sichuan,China; 3.PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited,Chengdu 610072,Sichuan,China) Abstract:There is no uniied calculfation method about high slope scaffold structure.Combining with current researches,the calculation theories of scaffolding system from single bar to whole structure ate compared and analyzed in detail,the calculation theories are also discussed from the aspect of mechanics,and clear calculation diagrams of different theories and corresponding system analysis and demonstration are finally provided.Three kinds of integral scaffold structures of lattice system,steel structure and bent structure are analyzed and compared from structural mechanics,and it is concluded that the lattice system should be used to carry out the design and theoretical calculation of scaffolding.The suggestion on the use of computer—based scaffolding structure design and calculation is also proposed. Key Words:steel tubular scaffold with couplers;SttUCtural model;computational theory;mechanical analysis 中图分类号:TU022 文献标识码 文章编号 05。59,9342(2017)07-oo67_o4 0 引 言 随着水电工程的进一步开发,工程所处的地理 桁架腹杆。按结构力学来分析,其最为重要的问题 是如何看待该结构的节点(即水平杆、立杆的连接 点),即利用节点的变形协调条件来计算结构内力。 目前,由于国内还没有正式的高边坡脚手架的 相关设计规划,所以,高边坡脚手架的设计和计算 主要还是依据建筑方面的脚手架有关规范来执行的, 在此基础上,针对边坡施工的特殊荷载要求,参考 条件和地质环境也愈加复杂。这些工程的边坡存在 高陡甚至倒悬岩体等情况,处理高差大,施工难度 大,导致安全风险十分突出…。而脚手架工程作为 高边坡开挖支护施工中常用的且十分重要的临时设 施,其结构计算就显得尤为重要。高边坡脚手架是 由水平杆、立杆十字交叉构成的网格式结构,它的 收稿日期:2017—02—28 主要特点是立杆间距不大,使得水平杆的作用相对 减小 ,同时水平杆的间距也较小,这样立杆如同 作者简介:李正兵(1974一),男,四川成都人,教授级高工 主要从事水利水电工程技术及管理工作. /J捉电 U1, /月 其他相关规范来进行高边坡脚手架的设计及计 算 。脚手架的结构体系与建筑结构之间具有某些 相似性,但同样具有许多不同之处,如脚手架是临 时性结构,要求搭建与拆除简便;杆件及构件应尽 的细长比A与端部约束条件有关。对于脚手架 什 的计算,端部约束几乎难以完全符合上述4种模式, 其中最难解决的是上支撑点沿纵向自由滑移的条什。 在一般情况下与建筑物的拉接点都有阻碍其自由滑 量定型化与标准化,其组成的整体却要求适用多样 化的使用条件;对于高边坡脚手架,脚手架体系与 周围岩体的连接和边界条件是不同的,且高边坡脚 手架在施工过程中所作用的荷载形式也更加复杂多 变 。综上,高边坡脚手架构造往往不能完全满足 结构规则的要求,如何纳入结构力学成为其难点, 此外,脚手架的结构计算还应有较好的准确性,不 应靠加大安全系数来解决安全问题 。 。 本文通过对现行的脚手架系统的结构计算理论 的总结与概述,从单杆件到脚手架整体结构计算理 论进行分析,最后经过对脚手架计算理论的力学分 析讨论,得出脚手架结构设计与计算应采用的合理 建议,为以后脚手架结构的设计与计算提供参考。 1脚手架系统的结构理论 1.1 脚手架杆件的结构计算 因脚手架的主要承力构件是立杆,其结构计算 主要理论依据是“压杆稳定理论”。而压杆承载力的 计算是杆件强度计算中的一个特殊问题,它不是单 纯依赖应力与应变成正比的弹性问题,而必须靠欧 拉公式来确定的极限荷载问题 。 脚手架中的水平杆和立杆一般均是细长杆件, 而细长杆件在轴向力作用下,其承载能力远远低于 材料的屈服强度。通过试验研究欧拉公式发现,细 长杆件受压时,由于杆件中部产生“凸出”,此变形 的结果使轴向力在杆件中产生弯矩。随着凸出变形 的加大,弯矩进一步加大最终导致完全丧失承载能 力。对两端铰接的中心受压,为了求出压杆的临界 荷载,应该考虑压杆处于临界状态下,即临界荷载 是维持压杆微弯平衡的最小轴心压力。z。: z称为 压杆的计算杆长,其中, 为压杆杆端约束影响系 数, 是压杆的实际杆长。4种典型约束的压杆的临 界荷载和计算长度z 的确定见表l,此处介绍的约 束方式都是理想的和典型的情况。在实际工程中, 杆的实际约束条件通常较为复杂,如何确定计算长 度,可以参见设计规范中的具体规定。多数情况下 可 以根据实际约束情况,将其合理地简化为表l所 述的各种情况,或者判别杆端约束影响系数处于哪 两种情况之间。 从表l可以得出,中心受压杆虽然可按两支撑 点之间的长度计算,但仍要看两支撑点对端部约束 的条件才能确定其计算长度,因此极限荷载计算中 移的因素,因而试验一般所得的极限承载力偏大。 表1 杆端约束条件对临界荷载的影响 1.2脚手架整体结构的计算 对于脚手架整体结构的计算,应首先注意它与 建筑结构体系的差别,以便正确运用已有的结构理 论。传统的建筑结构(钢、木、钢筋混凝土结构等) 构件的断面形状、尺寸以及节点构造都是依照力学 计算设计而成;而脚手架结构主要构件的断面形状、 尺寸、构造及力学特性都是已经定型的。因而在做 结构基本假设时,应尽量与之保持一致。 脚手架的承载力在很大程度上取决于立杆,因 而要服从“压杆稳定”的规律,相应的结构计算必须 考虑杆端的约束条件。因此对脚手架整体结构的计 算首要考虑的是“节点”问题;其次是结构与周边的 约束条件(如连墙杆的支撑条件,立杆与地面的约束 条件等)。其中“节点”问题主要可分为两种观点: 一种视杆件连接点为“铰”;另一种视之为“刚结” 与整体结构计算相联系的还有一个“几何不变性”的 问题,也就是所假设条件的计算基础是整个结构应 是几何不变的 。因而整体结构的计算是一个综合 性的问题,每一种理论应当具有综合性考虑的结果, 保持以上诸因素的一致和完整性。当然检验理论正 确与否的唯一标准是实践,因而所采用的计算理论 应当与已有的实践经验以及试验结果相一致。 对于一个完整的结构计算理论应提出结构计算 的模型和结构简图并给出相应的计算方法,使用 可依据所提出的简图及计算方法进行运算方可达剑 要求。如采用计算机进行计算也应提供相应的结构 计算基本条件以及初始参数与最终结果之问的关系 式。提供的计算实例应当能说明主要参数对所得结 果的影响,或与基础理论的一致性,并能指导现场 施工及脚手架的方案设计。 1.3脚手架整体结构模式 总结已有的建筑结构计算理论知,整体结构 要有以下3种计算模式。 1.3.1 格构式体系 格构式体系基本假设条件是杆件之 连接的 弟4 香弟,期 芋It-只,哥:面 碳脚于 玷 IT畀埋 匕匀,=]法僦 点为“铰”。以典型应用的双排外脚手架为例,其结 构计算简图如图1所示。 一 图1 格构式结构计算示意 广泛应用的钢管脚手架与之对照分析,其适用 性能如下:①对于扣件式钢管脚手架来说,其中旋 转型扣件与此假设完全一致;其侧面计算简图(横 向)由于小横杆一般是扣接在水平杆上,因而也是完 全一致的,从大面计算简图来看,垂直连接扣件具 有一定的抗弯性能,但是依据刚结构的使用经验(按 铰接计算的桥梁架其实际铰接节点抗弯度很大),这 样假设的结果也是偏于安全的。对于碗扣型钢管架, 由于上碗扣的固定程度不足,因而也是适合该种假 设条件的。②各杆件连接点全部为“铰”,杆系的几 何不变条件强烈依赖于斜杆和支撑的存在。杆件的 计算长度等于各节点之间的距离。③其横向几何不 变条件使其强烈依赖于“拉墙杆”的存在,如不存在 “拉墙杆”则无法保证脚手架的侧向稳定,并且立杆 的出平面计算长度是由拉墙杆之间的距离所决定。 综上,这种计算模式与脚手架的实践经验及试验结 果是一致的。此外,该模式的概念清楚、受力明确、 计算方法简便,为一种理想的计算模式。 1。3.2 刚架结构 刚架计算的假定条件为视杆件的连接点为“刚 结”,但对脚手架来说,与建筑结构的传统刚架略有不 同,也就是其最下端视为铰接,计算简图如图2所示。 r 1} 1 f 1 r 1 l 1『 < ——— —— ——_( —— —— ) ( 图2刚架计算示意 刚架脚手架在实际使用中对比如下:①十字型 扣件与刚架大面的结构计算简图基本相符,当然扣 件的拧紧程度将会对刚结具有一定影响,对于横向 计算简图,由于小横杆一般是与大横杆相扣接因而 不能与立杆形成刚结。②在刚结假设的基础上,必 然忽略斜撑及十字撑的存在,这与脚手架的实践经 验是背道而驰的。脚手架的应用经验表明没有十字 撑及斜杆,脚手架是要失稳的。③由于刚架多次超 静定,其稳定与拉墙杆的关系不大,拉(连)墙杆对 其承载力也不会带来影响。这与已有的试验结果相 违背。④刚架计算除了计算冗繁,整体结构计算参 数对承载能力的影响不够明确;同时立杆两端采用 “固结”,其计算长度系数处于0.5~1.0之间,其所 得承载能力较按铰接计算偏大而趋于不安全 。 。 1.3.3 排架结构 排架结构起源于单层工业厂房,其结构特点是 多排立柱上部以铰接横梁相连,传统的排架结构柱 下端是固结的,对于脚手架来说,由于下端与地面 不能产生“固结”的条件,因而其结构计算简图应相 应地改为“铰结”,其结构计算简图如图3所示。 举 图3排架结构计算示意 排架结构计算简图具有两大特点:一是大面计 算图上必须有外杆存在,否则整个结构将成为可变 体系;其次是“拉墙杆”必须存在以保证横向结构的 稳定,同时拉墙杆设置的位置对立杆的计算长度具 有决定性的影响。虽然排架计算简图与铰接结构有 所不同,但是按照排架来考虑其中心受压杆的挠度 曲线与铰接计算的挠度曲线相同,因而其承载力的 结果会相同。排架计算简图显然属于超静定结构体 系,其超静定次数需根据具体情况确定。 2脚手架计算理论的力学分析讨论 以上以结构计算简图为基础讨论了3种基本结 构体系,目前脚手架结构计算的结构分析方法都以 上述结构简图为基础,并适当附加一些条件而建立 的,其中相当一部分并未提供明确的计算简图和系 统完整的分析和论证,因而对其实际应用造成困难 : 为此,在前面论述的基础上针对各'种计算理论进行 一Vo1.43 7囫 ZK刀反电 2017年7月 脚手架计算理论力学分析的讨论。 点处产生的应力值应小于该节点的设计强度,但是 2.1 无侧移刚架法 脚手架的无侧移刚架计算 方法视节点为“刚 旋转扣件究竟能够承载多大弯矩并不能量化,其计 算转角值也难以确定。②无侧移刚架法中脚手架为 多次超静定结构,并不存在几何不变性问题,但实 际上是不可行的,现今的脚手架仍要强调斜杆的布 置,说明这种方法与现实还是有很大距离的。 接”,附加条件为“无侧移”。在节点为刚接的条件 下,脚手架的水平杆与立杆构成建筑结构中的框架。 无侧移刚架法,顾名思义是在刚架假设条件下增加 了“无侧移”的附加条件。根据无侧移的条件可能有 2.2半刚性节点的假设 该假设认为脚手架“节点由于采用扣件连接而具 有‘半刚性 “ 。在荷载作用下,扣件节点具有一定 两种情况:一是该刚架侧向每一个节点都存在铰链 支座;二是虽然不存在侧向链杆,但是由于所承受 的荷载全部是对称的,不发生侧向位移(见图4)。 的抗转动刚度,且抗转动刚度与扣件的质量和拧紧 + + + I + )( \//, { \ 、/ /\ △ ( )( 1 \/ 』I < \/ / \ / \ △ \<, 、 71 一 J 图4无侧移刚架计算示意 按照这种理论绘制结构计算简图时,应当注意 扣件的设置(钢管脚手架实际操作时并非横立杆每个 交叉点都有扣件);其次对横向结构简图,在大多数 情况下,侧向支杆是按楼层设置,因而不与横杆的 位置一致。 由于无侧移刚架无侧向水平位移,因而其变形 条件是刚结点发生转角。当相邻节点发生反向转角 变形时(见图5),立杆的挠度变形可适应压杆正弦 曲线的边界条件(节点处的挠度值为零),此时作为 中心受压杆的立杆计算长度应当等于立杆上下节点 之间的距离,其结果与铰接点的结果相向。 , '--7 ’’‘,_I--. ●,一’.‘● \ l |/ 一’’‘一,_ \、/ ’●_一-’ 1 t 、 一’● ,一’、 、 .~ , ~一≯ 、 , .. ~ 、 ,. { 、 、)I/、 \//\ t j|1 图5结点交错转角时挠度曲线 “刚接”的结构计算有两大难点:①刚节点处的 弯矩承载能力难以确定。由于在各节点处杆端都有 弯矩,对于结构强度计算,所计算出的弯矩值在节 程度密切相关”。按照这种假设杆件在节点处相互可 产生一定的转角,但是对于如何确定所产生的相对 转角,以及相应的计算简图都没有解决,因此这种 计算理论也不太完备。该理论虽然没有直接纳入规 范,但是对规范影响依然很大。在脚手架设计规范 中,引入了计算长度附加系数 ,并将原材料力学的 中心受压杆计算长度系数变成考虑脚手架整体稳定 的单杆计算长度系数(fn= z)。这种改变的力学概 念是由于节点半刚性的作用而改变力杆计算长度, 而 值与脚手架排数、水平杆长度和连墙件布置有 关,使严格的力学概念变成人为的系数,且当超出 规范表中相关数据后, 值无法计算。 2.3有限元计算法 以排架为基本假设的“有限元计算法”基本缺陷是 没有建立完整系统的模型,没有表明在荷载作用下, 承载力与结构的几何参数以及荷载参数之间的数学天 系式。电算方法已成为当今结构计算的主流,笔者认 为,应当特别明确力学分析到电算之间的过渡关系 3 结论 本文通过阐述脚手架系统从杆件到整体结构的 计算理论,对脚手架整体结构模式(格构式体系、刚 架结构、排架结构)进行了详细的对比分析,得到: 格构式体系基本假设条是杆件之间连接的节点为 “铰”,而假设的结果是偏安全的,并且其计算模式 与脚手架的实践经验及试验结果是一致的,l夭J此, 采用该模式概念清楚、受力明确、计算方法简便, 是一种理想的计算模式;而刚架结构的刚节假设忽 略了斜撑及十字撑,这与脚手架的实践经验是背道 而驰的,在这种情形下脚手架是要失稳的,另外刚 架计算冗繁,并且所得承载能力较按铰接计算偏大 而趋于不安全;排架结构的排架计算简图与铰接结 构有所不同,虽然按照排架来考虑其中心受压杆的 挠度曲线与铰接计算的挠度曲线相同,其承载力的 结果与铰接计算相同,但排架计算简图显然属于超静 定结构体系,其计算相对比较复杂。 (下转第88页) 水力发电 201 7年7月 (表格红色部分以及曲线的红色部分标明该机组摆 度、振动特征完全满足水力不平衡故障的分析判定 规则条件)。由计算机自主判定为水力不平衡故障, 后经机组实际检查发现,该机组存在转轮桨叶角度 参考文献: [】]刘娟,潘罗平,桂中华,等.国内水电机组状态监测和故障诊断 技术现状[J].大电机技术,2010(2):45—49. 不一致问题,证明计算机的自主判断正确。 [2]王宏.水电机组在线状态监测与诊断现状与发展[J].华东电力, 2010(8):1 177-1180. 4 总 结 对于轴流转桨式机组,水力不平衡是一种较为 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