摘要：该段边坡脚手架的设计搭设高度已经达到90m，其边坡的倾角接近90°，脚手架的搭设难度较大；并且按照《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》 规定，超过50m的脚手架应当进行专门的计算。本文使用有限元分析软件MIDAS /civil 进行结构模型的建立及分析，对脚手架的整架模型进行了合理的简化及修正，使其更加符合工程实际中脚手架的普遍搭设习惯，同时对脚手架扣件进行了单独的简化处理，更好地模拟了脚手架整架在节点处的半刚性性能，使得计算结果更好的反映出工程实际中脚手架的真实状态，得到了脚手架各个部件在不同荷载组合作用下的内力最大值，进而验证了整架的安全性能。
关键词：扣件式钢管脚手架；半刚性连接；有限元分析；
引言：为建筑施工而搭设的上料、堆料与施工作业用的临时结构架为脚手架。其中，由内外两排立杆和水平杆等构成的脚手架称之为双排脚手架（双排架）。本文的研究对象———某西部城市采煤沉陷区生态修复与农业重建项目试验段施工工程中边坡脚手架的设计施工。目前，国内对于扣件式钢管脚手架的计算多数仍以规范法计算为主，为了简化计算模型，按照有限元方法对脚手架进行的分析在一定数量上仍是按照假定脚手架节点连接属性为刚性连接而进行的，而以扣件节点半刚性连接理论作为基础的研究工作尚未形成完整的理论体系，但是，对于扣件螺栓拧紧力矩与节点旋转刚度值的计算已经取得了一定的成果。本文主要使用有限元分析软件MIDAS /civil 作为建模基础，利用该软件中对任意构件的某个节点上3个方向旋转自由度刚度值的自定义功能进行扣件节点半刚性性能的模拟，并以此为基础建立扣件的简化模型。
1、工程概况及计算模型简介
本文使用土木工程专业有限元分析软件MIDAS /civil对边坡超高层脚手架进行了模型的建立及有限元计算，在合理简化工程实际模型的基础上最大程度的模拟了脚手架的实际搭设状态以及真实的受力情况，模型建立的过程中考虑了三维坐标系竖向平面内节点连接的半刚性特质，还原了脚手架大、小横杆同立杆的实际位置关系等，计算出了较为可靠的整架内力结果，验证了整架的安全性。
1）提出了一种扣件式钢管脚手架有限元建模计算中扣件的简化模型，有效地体现了工程实际中扣件在整体坐标系竖向平面内的半刚性特点，同时合理的还原了脚手架模型各个构件的实际位置，计算出了较为可靠的结果。
2）通过有限元计算得到了不同荷载工况下脚手架各个构件的最大内力，并通过与规范给定的最大允许值进行比较，验证了本案的安全性。
2、设计荷载工况
在实际的脚手架结构中，除脚手架主架以外的其他附属构件所产生的荷载主要包括由安全网、马道板、护栏以及施工步荷载等部分所产生的竖向荷载，这里将该部分竖向荷载以及风荷载一道统一简化为作用于大、小横杆上的均布荷载，风荷载作用面为沿整体坐标轴Y轴正方向、作用于脚手架的最外面一排结构构件上。由于不同高程处的风荷载设计值有所不同，因此需对该项荷载进行分段施加。
3、三排脚手架
3.1 排架搭设边界条件
（1）排架搭设部位：边坡支护施工部位为料场段边坡和清富大桥段边坡。
（2）排架搭设规格：排架搭设长2560m，高20～92m，约190300m2，排架采取分段搭设，每段长度约300m，面积约1800m2（搭设方法如图1所示）。
图1 排架搭设示立面意图
（3）材料：脚手架采用φ48.3×3.6钢管，每米自重38.4N；直角扣件每个自重13.2N；旋转扣件每个自重14.6N；对接扣件每个自重18.4N。
3.2 排架工作条件特点
（1）扣件连接节点属于半刚性，且节点刚性大小与扣件质量、安装质量有关，节点性能存在较大变异。
（2）脚手架结构、构件存在初始缺陷，如杆件的初弯曲、锈蚀，搭设尺寸误差、受荷偏心等。
（3）以边坡岩面和马道面作为支撑点，对脚手架的约束性较小，易变形。
（4）用扣件连接的钢管脚手架，其纵向或横向水平杆的轴线与立杆轴线在主节点上并不汇交在一点。当纵向或横向水平杆传荷载至立杆时，存在偏心距。在一般情况下，此偏心产生的附加弯曲应力不大。为了简化计算，予以忽略。
3.3 钢材设计强度取值说明
（1）对Q235－A级钢的抗拉、抗压、抗弯强度设计值f取为：205N/mm2。
（2）扣件抗滑承载力设计值，是根据现行国家标准《钢管脚手架扣件》规定的标准值除以抗力分项系数1.25所得。
（3）容许挠度是根据现行国家标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB J18）及《钢结构设计规范》（GB J17）的规定确定的。
（4）由于压（拉）杆是按单根杆件进行验算，取μ=1.27，该值按步距、纵距为2m+0.2m时，斜杆的长度在[λ]=250条件下计算确定。
3.4 荷载计算
（1）承重排架均布额定荷载
根据本次搭设排架的最大步距1.8m，最大纵距2m，最高92m（60层）等参数，并结合承重排架搭设规范，可查得此类排架施工均布活荷载标准值3kN/m2，施工均布恒荷载标准值3.73kN/m2（其中脚手板均布荷载为0.35kN/m2，栏杆及挡板均布载为0.14kN/m2，φ48.3×3.6钢管脚手架每平米立杆承受的钢管自重标准值为3.24kN/m2），即承重结构每平米能承受均布荷载为：N总1=6.73kN/m2
（2）承重排架实际均布荷载
①排架及脚手板荷载
按《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》中要求，并结合支护施工岩面的脚手架搭设要求，φ48.3×3.6钢管每米自重38.4N；直角扣件每个自重13.2N；旋转扣件每个自重14.6N；对接扣件每个自重18.4N。本次受力计算暂按三排双层承重排架计算，其余排架类似，则排架面积约20.25m2，则排架及脚手板的荷载约为3kN/m2。
②钻机重量
在排架上布置3台钻机，每台钻机重量约134.0kg约1.34kN。
G（机）= 1.34kN×3台=4.02kN
为安全起见，钻机荷重分布在两跨脚手板范围内，计算区间30m范围内设立一台钻机。
钻机均布荷载=1.34kN/（1.2×2×30）m 2=0.019kN/m2
③施工人员重量
在排架上布置3台钻机，需施工人员12人，平均每人重约0.8kN，则施工人员自重为：
G（人）=12人×0.8kN=9.6kN
计算区间内一台机器，施工人员四人。
施工人员产生的均布荷载=9.6kN/3/（1.2×2×30）m 2=0.044kN/m2
④钻机反向力
根据钻机说明书，每台钻机的水平反向力G（反推力）=12kN
则在排架内，最多可有3台钻机产生反向推力，即推力为36kN。
钻机产生的总荷载为36kN
计算区间内
钻机推力均布荷载=36kN/（1.2×2×30）m 2=0.5kN/m2
⑤总均布荷载为
N总=①+②+③+④=9kN+4.02kN+9.6kN+36kN=139.62kN
平均每平米N总2=139.62kN/（1.2×2×30）m 2=1.94kN/ m2
⑥额定承受荷载与实际承受荷载对比，额定承受荷载大于实际承受荷载力。
N总1=6.73kN/m2＞N总2=1.94/kN/m2
30mi范围程序计算模型：
各组合下，下部杆件最大反力22.03kN。
底部杆件最大应力-63.33 N/mm2小于许容值。
全体系局部集中应力最大值181.96 N/mm2小于许容值，搭设施工时，严格按照规范要求安装配件，避免应力集中对局部构造的影响。
风荷载考虑的组合状态下，脚手架构造的水平反力最大值为8.88kN，即水平连接插筋拉结力应大于8.88kN。
排架荷载计算结果：排架搭设能满足施工要求。
4、基本设计规定
4.1 脚手架的承载能力应按概率极限状态设计法的要求，采用分项系数设计表
达式进行设计。
4.2 单、双排脚手架立杆稳定性计算部位的确定应符合下列规定：
1 当脚手架采用相同的步距、立杆纵距、立杆横距和连墙件间距时，应计算底层立杆段；
2 当脚手架的步距、立杆纵距、立杆横距和连墙件间距有变化时，除计算底层立杆段外，还必须对出现最大步距或最大立杆纵距、立杆横距、连墙件间距等部位的立杆段进行验算。
4.3 单、双排脚手架允许搭设高度[H]应按下列公式计算，并应取较小值。
5、结论
本文通过有限元计算得到了不同荷载工况下脚手架各个构件的最大内力，并通过与规范给定的最大允许值进行比较，验证了本案的安全性。
参考文献：
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[3]新型插盘式脚手架的试验和数值模型研究[J].姜旭，张其林，顾明剑，王洪军.土木工程学报.2008（07）
[4]扣件式钢管支模架稳定承载能力研究[J].袁雪霞，金伟良，鲁征，刘鑫，陈天民.土木工程学报.2006（05）
论文作者:迟一民1,吴华2
论文发表刊物:《基层建设》2018年第18期
论文发表时间:2018/7/18
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