【摘要】以西昌某水電站邊坡治理施工腳手架工程為背景，對(duì)腳手架水平桿、立桿和連墻件等進(jìn)行了強(qiáng)度、撓度及穩(wěn)定性計(jì)算，同時(shí)利用有限元軟件midasgen分析腳手架體系各荷載工況作用下的內(nèi)力及變形。結(jié)果表明:腳手架應(yīng)力和變形的各項(xiàng)控制指標(biāo)均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，計(jì)算結(jié)果偏于安全。
【關(guān)鍵詞】水電站高邊坡；扣件式腳手架；內(nèi)力計(jì)算；有限元分析
水電站大壩工程通常位于深切峽谷地區(qū)，岸坡開挖形成大量高陡邊坡，為給高空作業(yè)提供施工平臺(tái)，大型扣件式腳手架被頻繁使用。腳手架工程作為高邊坡開挖支護(hù)施工中常用且重要的臨時(shí)設(shè)施，其安全問題一直是腳手架設(shè)計(jì)和施工的重難點(diǎn)［1－3］。本文通過參考相關(guān)規(guī)范和利用有限元軟件兩種方式對(duì)腳手架體系進(jìn)行荷載計(jì)算和靜力分析，得到各主要工況下腳手架體系各構(gòu)件及連墻件的內(nèi)力及變形。這兩種靜力分析方法概念明確、操作簡(jiǎn)單，對(duì)于掌握各種荷載作用下腳手架組成構(gòu)件和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變、連墻件的應(yīng)力應(yīng)變以及腳手架體系安全性具有重要意義，且同時(shí)采用兩種方法也便于進(jìn)行對(duì)比分析，充分保證計(jì)算結(jié)果的可靠性。
1腳手架參數(shù)
結(jié)合工程實(shí)踐和施工規(guī)范，腳手架設(shè)計(jì)采用雙排扣件式鋼管腳手架，立桿縱距La=1.5m，立桿橫距Lb=1.5m，橫桿間距s=1.5m，作業(yè)層0.5m，橫桿步距h=1.8m。鋼管采用Q235－A級(jí)鋼，尺寸為48×3.5，其材質(zhì)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《碳素結(jié)構(gòu)鋼》GB/T700－2006的規(guī)定，如表1所示。腳手架地面設(shè)置縱、橫向掃地桿，掃地桿離地面0.3m，并布置必要的斜撐、剪刀撐進(jìn)行加固。連墻件采用25mm螺紋鋼筋，按照2步3跨進(jìn)行布置，鋼筋入巖角度a為水平下傾45°，入巖深度La=0.8m，節(jié)點(diǎn)域到錨固點(diǎn)之間的距離Lb=0.25m，外套一根短架并灌注M25水泥砂漿進(jìn)行錨固，短架管與小橫桿采用扣件連接，斜向下搭接一根短架管，與小橫桿立桿均采用扣件連接，連墻件設(shè)置如圖1所示。腳手板為5cm厚度的木腳手板，其自重標(biāo)準(zhǔn)值為0.35kN/m2。施工荷載按照腳手架縱向30m、高層15m的范圍內(nèi)搭設(shè)4層木腳手板，同時(shí)作業(yè)2層，每層布置4臺(tái)鉆機(jī)，最多可布置8臺(tái)鉆機(jī)進(jìn)行考慮。采用YXZ70A鉆機(jī)，其自重為0.85t，每臺(tái)鉆機(jī)配備3名工作人員，施工人員的自重標(biāo)準(zhǔn)值按每人75kg計(jì)算，鉆機(jī)平面布置荷載作用范圍取二個(gè)立桿縱距和一個(gè)立桿橫距范圍內(nèi)。西昌地區(qū)基本風(fēng)壓采用0.20kN/m2，環(huán)境為B類地面粗糙度，風(fēng)壓高度變化系數(shù)取1.14。將腳手架視為桁架，風(fēng)荷載體型系數(shù)為桁架擋風(fēng)凈投影面積與桁架輪廓面積之比，腳手架掛2000目密目網(wǎng)時(shí)，擋風(fēng)系數(shù)可取默認(rèn)值0.8。風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為Wk=0.7×0.8×1.14×0.2=0.13kN/m2。
2腳手架設(shè)計(jì)計(jì)算
2.1水平桿及立桿
限于篇幅，僅給出邊坡腳手架水平桿及立桿計(jì)算結(jié)果，如表2所示。
2.2連墻件
邊坡支護(hù)施工過程中，由于錨桿鉆孔產(chǎn)生的鉆機(jī)設(shè)備和人員自重及鉆機(jī)反作用力都會(huì)對(duì)連墻件產(chǎn)生影響，因此，考慮在風(fēng)荷載、鉆機(jī)及施工人員自重以及鉆機(jī)反力的共同作用下，對(duì)連墻件進(jìn)行計(jì)算分析，連墻件受力如圖2所示�！稁r土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》CECS22－2005規(guī)定:錨桿的傾角應(yīng)避開與水平向成－10°～10°;《土層錨桿設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》CECS22－90規(guī)定:傾斜錨桿的傾角不應(yīng)小于12°且不得大于45°，以15°～35°為宜。因此，可假設(shè)鉆孔角度β為25°。
3腳手架模擬計(jì)算
腳手架鋼結(jié)構(gòu)架體部分的自重由程序自動(dòng)計(jì)算，但是考慮到扣件、鋼絞線、鋼絲繩卡等的重量，通過對(duì)一個(gè)步距及跨度范圍內(nèi)的腳手架單元進(jìn)行重量計(jì)算，可對(duì)腳手架整體結(jié)構(gòu)取1.15倍的自重放大系數(shù)。其余恒荷載及活荷載參照規(guī)范理論計(jì)算結(jié)果取值。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于扣件節(jié)點(diǎn)半剛性連接的研究雖然已經(jīng)取得部分成果［4－7］，但總的來說還不夠完善，尚未形成完整成熟的理論體系，按照有限元方法對(duì)腳手架進(jìn)行的分析在一定數(shù)量上仍然是按照假定腳手架節(jié)點(diǎn)連接屬性為剛性連接而進(jìn)行的［8］。本文已經(jīng)采用規(guī)范法對(duì)腳手架體系進(jìn)行了計(jì)算，且計(jì)算結(jié)果偏于安全，為了簡(jiǎn)化計(jì)算同時(shí)方便快速建模，腳手架節(jié)點(diǎn)采用midasgen默認(rèn)的剛性連接屬性，計(jì)算結(jié)果如圖3－圖6所示。從圖中可以看出，水平桿件在永久和可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下產(chǎn)生的最大撓度值為1.85mm，而水平桿的跨度為1.5m，滿足要求。腳手架縱向水平桿跨中最大正彎矩為0.38kN·m，縱向水平桿與立桿節(jié)點(diǎn)處最大負(fù)彎矩為0.61kN·m，腳手架鋼管最大應(yīng)力為115.77MPa，滿足強(qiáng)度要求。模擬計(jì)算結(jié)果較規(guī)范計(jì)算結(jié)果偏小，造成差異的原因主要有以下幾方面:模型中節(jié)點(diǎn)設(shè)置為剛性連接，腳手架水平桿件按照多跨連續(xù)梁整體計(jì)算，而規(guī)范分別按照鉸接簡(jiǎn)支梁和三跨連續(xù)梁計(jì)算，因此，模擬結(jié)果較計(jì)算結(jié)果偏小;模型中腳手板直接建模，板單元與橫向和縱向水平桿共同作用，自重由兩者共同分擔(dān)，降低橫向水平桿件荷載;模型中所采用的荷載工況并非最不利工況，可能導(dǎo)致分析結(jié)果偏小。連墻件的計(jì)算結(jié)果如圖7、圖8所示，單個(gè)連墻件支座反力計(jì)算結(jié)果見表3。結(jié)果表明:沿連墻件軸向最大拉力為13.03kN，滿足錨固力要求。
4結(jié)語
本文通過安全技術(shù)規(guī)范和數(shù)值模擬對(duì)高邊坡腳手架水平桿件、立桿、扣件及連墻件進(jìn)行計(jì)算，對(duì)桿件在最不利荷載組合下的內(nèi)力、撓度變形及應(yīng)力進(jìn)行分析和驗(yàn)算，對(duì)連墻件在施工荷載、機(jī)械自重和風(fēng)荷載作用下的內(nèi)力進(jìn)行錨固力驗(yàn)算，主要得出以下結(jié)論:(1)從規(guī)范計(jì)算結(jié)果和MidasGen分析結(jié)果來看，桿件內(nèi)力基本較小，變形和應(yīng)力均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，結(jié)果偏于安全，強(qiáng)度有較大儲(chǔ)備，可認(rèn)為腳手架安全性能滿足要求。(2)規(guī)范計(jì)算法所得連墻件軸向力為13.2kN，模擬分析法所得結(jié)果為13.03kN，計(jì)算值基本一致，說明連墻件內(nèi)力大小受腳手架架體強(qiáng)度及剛度影響較小，影響連墻件內(nèi)力的主要因素為風(fēng)荷載、鉆機(jī)及施工人員自重和鉆機(jī)反力，在上述荷載共同作用下其軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值均能滿足錨固力要求。
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