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扣件式多排落地脚手架特性探究

发布时间:2019-05-17
  摘 要
  
  近年来,我国的建筑行业处于持续高速的发展当中,而其设计的复杂程度更是日新月异,整个建筑行业的产业变革和快速发展给我国带来了重大的机遇与挑战,也吸引了世界各国的设计师和建筑事务所来到中国谋求发展,共同参与我国的城市建设,也使得我国产生了一大批外形新颖独特、夸张奔放的建筑。由于建筑结构外形的特点,使得脚手架的施工难度大幅增加,普通的双排落地脚手架很难满足工程结构的要求,而搭设超高、多排、随建筑结构走势布置的扣件式落地脚手架便是一项有效解决上述难题的技术,因此对于多排落地脚手架在现场施工中的安全性研究具有重要的意义。
  
  本文主要从脚手架的理论分析、有限元分析、以及工程案例 3 个部分对扣件式多排落地脚手架进行研究分析,主要内容如下:

扣件式多排落地脚手架特性探究
  
  1、本文通过对多排落地脚手架近年来的施工中发生的事故进行研究,分析研究得出导致事故发生的重要原因有以下几点:如扣件式多排落地脚手架的设计计算、脚手架的搭设方法、材料的质量管控、施工现场的技术管控等原因。
  
  2、对扣件式多排落地脚手架的理论进行研究,发现扣件节点的半刚性假设更能够反映真实的受力情况。对比不同规范中的计算方法,其支架单元的刚度矩阵可以通过数值分析的方式计算推导出。
  
  3、通过有限元软件 MIDAS/Gen 对扣件式多排落地脚手架的不同扫地杆的高度、不同步距、不同风荷载的情况下,通过各种工况的研究分析可以得出对位移和承载力的影响。
  
  4、对工程实例进行扣件式多排落地脚手架的搭设,前期的准备,和架体的计算对比及通过专家论证,确保施工安全,同时也为类似扣件式多排落地脚手架工程的设计提供了参考依据。
  
  关键词:  扣件式多排落地脚手架;半刚性节点;MADIS/GEN 有限元分析;位移;承载力。
  
  Abstract
  
  In last several years, our country in the rapid development of construction industry, and the complexity of its design is changing, China's construction industry rapid development also attracted the world's top designers and architects came to China's development, in the urban construction of our country, also makes our country to produce a large number of new and unique shape, hyperbole is bold and unrestrained of architecture. Because of the characteristic of the structure shape, make the scaffold construction difficulty is increased,the ordinary double row scaffolding is hard to meet the requirements of engineering structures, landing and erection of ultra-high, multiple rows, along with the fasteners of structure movements to decorate floor scaffold is an effective technology to solve these problems, so the more row landing scaffold in construction of the site safety is of great importance.
  
  This paper mainly studies and analyzes the multi-row landing scaffold with fastener type from three parts: theoretical analysis, finite element analysis and engineering case. The main contents are as follows:
  
  1. Study on the construction accident of multi-row scaffold on the ground in recent years,and analyze the important reasons that lead to the accident, such as the design calculation of the multi-row scaffold with couplers, the construction method of scaffold, the quality control of materials, and the technical control of the construction site.
  
  2. Research on the theory of multi-row landing scaffold with fastener type, and find that the semi-rigid hypothesis of fastener joint can reflect the actual force situation. By comparing the calculation methods in different specifications, the stiffness matrix of the support element was deduced by numerical analysis.
  
  3. Study and analyze the influence of various working conditions on the displacement and bearing capacity of the different height, non-synchronous distance and different wind loads of the multi-row landing scaffold with the finite element software MIDAS/Gen.
  
  4. The construction safety and expert argumentation can be ensured by the comparison between the earlier preparation and the calculation of the scaffold and the expert argumentation, which provides a reference basis for the design of the multi-row landing scaffold similar to the coupler.
  
  Key Words:   bowl buckle formwork support frame, Semi-rigid joint, influencing factors,safe and reliable。
  
  第一章 绪论
 
  
  1.1 引言。

  
  近年来,我国的建筑行业处于持续高速的发展当中,可以说是非常迅速,突飞猛。而其设计的创新程度和复杂程度更是与日俱进,中国的建筑行业高速发展也同样吸引了世界顶级的设计师和建筑事务所来到中国发展,共同参与我国的城市建设,也使得我国产生了一大批外形新颖独特、夸张奔放的建筑,特别是其中的异形幕墙建筑好多已经成为了城市的地标性建筑,如北京的凤凰国际传媒中心莫比乌斯环状外幕墙建筑(图 1-1)、锡林浩特市植物园温室超高异形幕墙建筑(图 1-2)、沈阳方圆大厦(图1-3)、苏州中心广场项目“未来之翼”幕墙建筑(图 1-4)等[1]。
  
  
  
  由于建筑结构外形的特点,使得脚手架的施工难度大幅增加,普通的双排落地脚手架很难满足工程结构的要求,必须研究新的外用脚手架施工技术来解决建筑结构带来的施工难题。搭设超高、多排、随建筑结构走势布置的扣件式落地脚手架施工技术便可有效的解决上述难题,且经济合理,安全可靠,同时也将传统的外用脚手架(简称外架)施工技术发挥到极致。
  
  国内当前的规范标准中可知《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ130-2011)中对当前国内的扣件式钢管脚手架的竖向承载能力和风荷载的计算公式进行了全面的总结,基本可以满足当前国内现场施工中的要求。在当前实行的标准规范中对于脚手架现场施工这一方面中所常用到的搭设参数以及所选用表格具有现实的指导意义,并且在当前的规范中也提出了脚手架的各项构造措施,大体上可以满足我国绝大部分建筑工程中脚手架的方案设计计算的基本要求。但是,对于那些高大外形奇异的建筑结构,由于其结构建筑的复杂多变性,也使得外脚手架的搭设工况也变得非常复杂,按照现行国家标准规范所提供的参数选用的表格很难很好的满足现场施工的要求。如深圳地标水晶体育馆(图 1-5、1-6)由于其建筑结构外部形状复杂,导致结构装饰外用脚手架的搭设方案也相应复杂,其多项搭设参数超出现行规范允许范围或者采用现行通用的计算机软件无法完成计算,给现场施工中想要准确的评估搭设方案的安全性、经济性带来了巨大的困难。
  
  
  目前,脚手架相关基础理论的研究在我国已经日趋完善,计算机的相关技术也得到了充分发展,在当今现场施工脚手架计算中运用计算机,无疑是当今发展的主要趋势,这为我们能够有效利用计算机技术去简单快捷的解决工程上的复杂计算问题提供了可能。本文在当前已经了解脚手架研究理论的基础上,利用 Midas Gen 在有限元计算软件中建立扣件式多排落地脚手架三维整体计算模型,对多种复杂的工况进行有限元分析计算,得出有益的结论,从而可以有效的完成方案设计。
  
  利用现有的计算机技术和基础理论研究成果相结合,解决工程中的出现的复杂问题,尤其是当出现结构外形复杂的建筑时,更加需要以严谨的科学态度对具体问题进行具体的研究,才有可能得到相对符合工程现场实际情况的结果,任何形式的形而上学都有可能产生错误。本文将就扣件式多排落地外脚手架在异形结构中的立杆承载力分析、脚手架不同步距的弯曲分析、风荷载对脚手架不同高度的分析、国内外关于脚手架的计算理论的计算分析进行有益的尝试,相关的做法和结论的期望能够作为类似项目的参考依据。
  
  【由于本篇文章为硕士论文,如需全文请点击底部下载全文链接】
  
  1.2 脚手架的分类
  1.3 研究现状
  1.3.1 国内的研究现状
  1.3.2 国外的研究现状
  1.4 扣件式多排落地外脚手架安全事故及原因分析
  1.4.1 安全事故
  1.4.2 原因分析
  1.5 本文研究的内容与方法
  1.6 本章小结
  
  第二章 扣件式多排落地外脚手架的理论基础
  
  2.1 多排落地外脚手架的基本组成与特点
  2.1.1 基本组成
  2.1.2 特点
  2.2 扣件式多排落地外脚手架的计算理论
  2.2.1 铰接计算理论
  2.2.2 有侧移钢架计算理论
  2.2.3 半刚性计算理论
  2.3 国内规范中的计算方法
  2.3.1 自重荷载
  2.3.2 立杆承载力
  2.3.3 连墙件承载力
  2.3.4 架基础承载力或地下室顶板结构承载力
  2.4 国外规范中的计算方法
  2.4.1 钢管支架的设计原理
  2.4.2 扣件和管件力学性能要求
  2.4.3 荷载
  2.4.4 支架计算
  2.4.5 脚手架的计算
  2.4.6 英国规范小结
  2.5 支架的半刚性方法
  2.6 半刚性支架结构单元刚度的推导
  2.7 本章小结
  
  第三章 扣件式多排落地外脚手架安全性有限元分析
  
  3.1 有限元软件 MIDAS/Gen 的分析方法
  3.1.1 有限元软件 MIDAS/Gen 的简介
  3.1.2 MIDAS/Gen 软件的分析过程
  3.1.3 扣件式多排落地脚手架的基本假定
  3.2 扫地杆设置对架体的安全性分析
  3.2.1 架体模型建立
  3.2.2 架体模型的分析与对比
  3.2.3 有限元结果分析与小结
  3.3 不同步距对架体的影响
  3.3.1 架体模型建立
  3.3.2 架体模型的分析与对比
  3.3.3 有限元结果分析与小结
  3.4 不同横向风荷载对架体的影响
  3.4.1 架体模型建立
  3.4.2 横向风荷载下架体模型的分析与对比
  3.4.3 有限元结果分析与小结
  3.5 不同竖向风荷载对架体的影响
  3.5.1 架体模型建立
  3.5.2 竖向风荷载下架体模型的分析与对比
  3.5.3 有限元结果分析与小结
  3.6 不同高度对架体的影响
  3.6.1 架体模型建立
  3.6.2 竖向高度下架体模型的分析与对比
  3.6.3 有限元结果分析与小结
  3.7 本章小结
  
  第四章 扣件式多排落地外脚手架工程实例
  
  4.1 工程概况
  4.2 扣件式多排落地外脚手架的施工方案
  4.2.1 施工准备
  4.2.2 施工材料的选用和施工措施
  4.2.3 扣件式多排落地脚手架的搭设流程
  4.2.4 安全生产措施及操作要求
  4.3 扣件式多排落地外脚手架的设计计算
  4.3.1 大横杆的计算
  4.3.2 小横杆的计算
  4.3.3 立杆的稳定性计算
  4.3.4 最大搭设高度的计算
  4.3.5 连墙件的计算
  4.3.6 立杆地基承载力计算
  4.4 本章小结

第五章 结论

  本文主要从理论出发,结合工程案例,运用有限元软件 MADIS/GEN 从不同扫地杆的高度、不同步距和不同风荷载三个方面研究扣件式多排落地脚手架的安全性的影响情况,得出一下结论:

  1、扫地杆高度的设置对整个架体的位移和架体下基础所承受的反力,起着非常重要的作用。在架体其他情况不变的情况下,扫地杆高度为 0.2m,架体的位移最小为 8.31mm,而扫地杆高度为 0.2m 时,相同条件下,基础所承受的反力也是最小的为 156.36KN。而随着扫地杆离地高度的增加,架体的位移和基础反力也随之增加,考虑到现场实际工程的安全性,扫地杆离地高度在 0.2m 左右最为恰当。

  2、扣件式多排落地脚手架产生的总体位移随着步距的增加而逐渐增加,这和我们的经验常识随着步距的增加,总体位移应该增加,结论是相同的。

  3、随着水平风荷载从 0.3KN/m2到 0.8KN/m2,其架体产生的位移也越来越大,其中水平风荷载从 0.3KN/m2到 0.8KN/m2时,其增速分别为 28%、、30%、20%、18%、14%由数据分析可能其架体产生位移的增速先变大然后缓慢变小,可知架体的破坏是柔性破坏,架体产生危险时,现场施工人员可以给出预判,从而减少损失,这也对施工专业人员的素质和专业能力提出了很高的要求。同时虽然增速变慢,但相对于初始阶段位移的增加还是很大的,如当水平风荷载为 0.8KN/m2时,其架体产生的位移为 11.32?10-3mm,水平风荷载为 0.3KN/m2时,其架体产生的位移为 4.25? 10-3mm,0.8KN/m2相对于0.3KN/m2,其产生的位移增加了 166%,还是很可怕的。所以在实际施工现场中,特别是超高脚手架或者风荷载很大的地区,针对风荷载进行专门的设计和布置至关重要。

  4、竖向风荷载从 0.3KN/m2到 0.8KN/m2,其架体产生的位移也越来越大,其中竖向风荷载从 0.3KN/m2到 0.8KN/m2时,其增速分别为 33%、25%、20%、17%、14%;由数据分析可能其架体产生位移的增速随着风荷载的变大而缓慢变小,可知架体在竖向风荷载的破坏和在横向风荷载的破坏是一样的,都是柔性破坏,所以和横向风荷载一样,在竖向风荷载作用下,架体产生危险时,现场施工人员可以给出预判,从而减少损失,这也对施工专业人员的素质和专业能力提出了很高的要求。同时虽然增速变慢,但相对于初始阶段位移的增加还是很大的,如当竖向风荷载为 0.8KN/m2时,其架体产生的位移为 4.85? 10-1mm,竖向风荷载为 0.3KN/m2时,由图可知,其架体产生的位移为1.82?10-1mm,0.8KN/m2相对于 0.3KN/m2,其产生的位移增加了 166%,还是很可怕的。所以在实际施工现场中,特别是超高脚手架或者风荷载很大的地区,应该针对风荷载进行专门的设计和布置至关重要。在相同风荷载的情况下,竖向风荷载相对于横向风荷载来说对架体的影响更大。如在相同的风荷载 0.3KN/m2,横向风荷载为 0.3KN/m2时,架体的位移为 4.25?10-3mm,竖向风荷载为 0.3KN/m2时,其架体产生的位移为 1.82?10-1mm,比相同情况下的横向风荷载所产生的位移要大得多。

  5、竖向风荷载一定时,其架体产生的位移随着架体高度的增高也变得越来越大。其中架体高度取 4 步时(约 7.2m),其架体在竖向风荷载下产生的位移为 0.77?10-1mm,其架体高度为 24 步时,其架体在竖向风荷载下产生的位移为 2.42?10-1mm.其增加了214%。其增加的量很大,所以在日常现场施工中要充分考虑风荷载的影响,特别的超高脚手架。可知,而随着架体的增高,增速趋于缓慢,也就需要技术和经验丰富的现场工作人员从事现场操作,从而发生工程事故时,能把损失降到最低。

  参考文献

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