1、脚手架结构的直接分析法设计脚手架结构的直接分析法设计 第四届高层与超高层建筑论坛 2019.10.31武汉 王立军华诚博远工程技术集团有限公司 刘耀鹏香港理工大学土木及环境工程学系 王立军华诚博远工程技术集团有限公司 刘耀鹏香港理工大学土木及环境工程学系 NIDA 2019 2 1. 背景介绍 2. 脚手架倒塌原因 3. 直接分析法在脚手架设计中的应用 4. 算例及工程实例 5. 结论 内容内容 1. 背景背景 脚手架结构特点 传统脚手架设计方法 直接分析法的基本理论 NIDA 2019 4 背景介绍背景介绍 脚手架结构特点 钢管脚手架广泛应用于安装和施工工程中；钢管脚手架广泛应用于安装和施工
2、工程中； （易安装、易拆卸、承载能力高、可重复利用等） 临时临时结构，重视程度不高，结构，重视程度不高，事故多事故多； 细长细长结构，易发生结构，易发生弹性失稳弹性失稳； 杆件和连接非线性行为显著；杆件和连接非线性行为显著； 多次重用，初始缺陷较大。多次重用，初始缺陷较大。 NIDA 2019 5 背景介绍背景介绍 脚手架的设计 设计内容设计内容 方案选择方案选择 脚手架类别、形式、尺寸、使用荷载脚手架类别、形式、尺寸、使用荷载 承载力验算承载力验算 框架结构验算，地基验算和专用连接件验算框架结构验算，地基验算和专用连接件验算 安全防护措施设计安全防护措施设计 安装、移动和拆卸措施，安全使用措
3、施安装、移动和拆卸措施，安全使用措施 NIDA 2019 6 背景介绍背景介绍 脚手架的设计 脚手架的结构计算内容脚手架的结构计算内容 整体稳定性及抗倾覆验算整体稳定性及抗倾覆验算 单肢杆及连墙件的稳定性验算单肢杆及连墙件的稳定性验算 水平杆的抗弯刚度和挠度计算水平杆的抗弯刚度和挠度计算 连接件的强度计算连接件的强度计算 NIDA 2019 7 背景介绍背景介绍 脚手架的设计 建筑施工脚手架安全技术统一标准（GB51210-2016）：建筑施工脚手架安全技术统一标准（GB51210-2016）： 一阶线弹性一阶线弹性 设计理论设计理论 NIDA 2019 8 背景介绍背景介绍 脚手架的设计 一
4、阶线弹性分析与设计存在的问题一阶线弹性分析与设计存在的问题 通过经验系数考虑缺陷的影响通过经验系数考虑缺陷的影响 简化节点（铰接、刚接）简化节点（铰接、刚接） 基于构件对结构整体稳定进行评估基于构件对结构整体稳定进行评估 杆件内力及内力分布不准确杆件内力及内力分布不准确 ？ NIDA 2019 9 背景介绍背景介绍 倒塌案例 NIDA 2019 10 PP The P- and P- Effects 背景介绍背景介绍 直接分析法 基于基于非线性理论非线性理论的的系统整体系统整体分析方法分析方法 考虑初始缺陷（考虑初始缺陷（结构整体、构件局部结构整体、构件局部） 考虑结构二阶效应（考虑结构二阶效
5、应（ P-D 、 P-dP-D 、 P-d ） 考虑考虑节点转动刚度节点转动刚度 考虑考虑地基沉降地基沉降及其它对结构稳定性有显著影响的因素及其它对结构稳定性有显著影响的因素 不用计算长度，仅需不用计算长度，仅需截面承载力截面承载力验算验算 NIDA 2019 11 背景介绍背景介绍 直接分析法 整体缺陷整体缺陷 构件缺陷构件缺陷 初始弯曲 初始缺陷影响初始缺陷影响 改变荷载传递路径 & 增大倾覆弯矩 改变荷载传递路径 & 增大倾覆弯矩 NIDA 2019 12 背景介绍背景介绍 直接分析法 构件稳定验算构件稳定验算 1 y z ycycz M MP p AMM 00 00 ()() ()()
6、 yyyyyy zzzzzz MMPP MMPP 承载力验算公式：承载力验算公式： 二阶弯矩：二阶弯矩： 2. 脚手架倒塌原因脚手架倒塌原因 稳定性问题 支座条件 连接失效 构配件质量 脚手架设计中应注意的问题 NIDA 2019 14 脚手架倒塌原因脚手架倒塌原因 构件或整体失稳 NIDA 2019 15 脚手架倒塌原因脚手架倒塌原因 支座条件 地基不平整地基不平整 支撑条件不一致，沉降不均匀支撑条件不一致，沉降不均匀 支座未对齐，存在偏心支座未对齐，存在偏心 NIDA 2019 16 脚手架倒塌原因脚手架倒塌原因 连接件破坏 连接件设计有误连接件设计有误 荷载存在偏心荷载存在偏心 NIDA
7、 2019 17 脚手架倒塌原因脚手架倒塌原因 构件及配件质量差 初弯曲过大 & 缺少顶托 U型托失效 初弯曲过大 & 缺少顶托 U型托失效 NIDA 2019 18 脚手架倒塌原因脚手架倒塌原因 设计中应注意的问题 以结构整体为出发点以结构整体为出发点 考察结构的整体变形和内力分布考察结构的整体变形和内力分布 在分析中充分考虑会导致失稳的因素在分析中充分考虑会导致失稳的因素 包括初始缺陷和节点刚度包括初始缺陷和节点刚度 采用可靠的设计方法采用可靠的设计方法 保证各个构配件承载力满足要求保证各个构配件承载力满足要求 3. 脚手架的直接分析法脚手架的直接分析法 初始缺陷的模拟 脚手架连接节点的模
8、拟 NIDA 2019 20 脚手架倒塌原因脚手架倒塌原因 初始缺陷的模拟 无初始缺陷有初始缺陷无初始缺陷有初始缺陷 只有轴向变形轴向只有轴向变形轴向+弯曲变形弯曲变形 NIDA 2019 21 脚手架倒塌原因脚手架倒塌原因 脚手架连接节点 铰接？铰接？ 刚接？刚接？ 常用扣件连接：常用扣件连接：直角扣件、旋转扣件和对接扣件直角扣件、旋转扣件和对接扣件 直角扣件的受力行为最为复杂，除了能抵抗滑移、还可承受扭矩直角扣件的受力行为最为复杂，除了能抵抗滑移、还可承受扭矩 半刚性连接半刚性连接 NIDA 2019 22 脚手架倒塌原因脚手架倒塌原因 脚手架连接节点 欧洲脚手架规范欧洲脚手架规范EN12
9、811-1对 直角扣件给出了双线性关系的 扭矩 对 直角扣件给出了双线性关系的 扭矩-转角曲线，用于节点的 半刚性分析。 转角曲线，用于节点的 半刚性分析。 EN12811-1规定了直角扣件滑规定了直角扣件滑 移及破坏的极限承载力。移及破坏的极限承载力。 直角扣件受力图 直角扣件扭矩 直角扣件受力图 直角扣件扭矩 NIDA 2019 23 脚手架倒塌原因脚手架倒塌原因 脚手架连接节点 杆端弹簧单元杆端弹簧单元 传统半刚性模拟方法传统半刚性模拟方法 弯矩转角曲线弯矩转角曲线 输入输入 NIDA 2019 24 脚手架倒塌原因脚手架倒塌原因 脚手架连接节点 脚手架节点的特殊性：脚手架节点的特殊性：
10、 如何反映构件的连贯性？如何反映构件的连贯性？ NIDA 2019 25 脚手架倒塌原因脚手架倒塌原因 脚手架连接节点 新型非线性弹簧单元新型非线性弹簧单元 直角扣件实物图直角扣件单元模型直角扣件实物图直角扣件单元模型 NIDA 2019 26 脚手架倒塌原因脚手架倒塌原因 脚手架连接节点 新型非线性弹簧单元新型非线性弹簧单元 弹簧单元包含两个节点，共弹簧单元包含两个节点，共6个自由度个自由度: 扭转自由度扣件受扭行为扭转自由度扣件受扭行为 轴向自由度扣件受拉破坏轴向自由度扣件受拉破坏 两个剪切自由度扣件的滑移两个剪切自由度扣件的滑移 两个转动自由度扣件对钢管的转动约束两个转动自由度扣件对钢管
11、的转动约束 模型简单，清晰，直接模型简单，清晰，直接 4. 算例及工程实例算例及工程实例 两层扣件式钢管脚手架 静力加载试验 香港某脚手架实例 多层扣件式钢管脚手架算例 NIDA 2019 28 算例及工程实例算例及工程实例 1. 两层扣件式钢管脚手架 钢的材料规格均为钢的材料规格均为S275，即设计强度为，即设计强度为275 MPa NIDA 2019 29 算例及工程实例算例及工程实例 1. 两层扣件式钢管脚手架 假设此脚手架仅承受竖向均布荷载和侧向节点力 柱底为刚接 假设此脚手架仅承受竖向均布荷载和侧向节点力 柱底为刚接 对比三种扣件模拟方式：对比三种扣件模拟方式： 1.刚接模型刚接模型
12、 忽略脚手架的扣件，杆件之间是刚接且没有偏心忽略脚手架的扣件，杆件之间是刚接且没有偏心 2. 弹簧模型弹簧模型 采用弹簧模型对扣件进行模拟，考虑杆件偏心采用弹簧模型对扣件进行模拟，考虑杆件偏心 3. 杆端半刚模型杆端半刚模型 传统半刚性模拟方式，不考虑偏心传统半刚性模拟方式，不考虑偏心 NIDA 2019 30 算例及工程实例算例及工程实例 1. 两层扣件式钢管脚手架 钢管钢管7上的弯矩分布上的弯矩分布 模型一和模型二的弯矩图符合连续梁弯矩分布。模型一和模型二的弯矩图符合连续梁弯矩分布。 模型三中，两端弯矩就呈现出跟两端固支梁相似。模型三中，两端弯矩就呈现出跟两端固支梁相似。 NIDA 201
13、9 31 算例及工程实例算例及工程实例 2. 静力加载试验 0 80 160 240 320 400 03691215 S SP (kN) (cm) Test kN324.68 = max P 2nd order elastic NLF=0.3% 云林科技大学 彭瑞麟教授（中国台湾） 提供试验资料云林科技大学 彭瑞麟教授（中国台湾） 提供试验资料 NIDA 2019 32 算例及工程实例算例及工程实例 3. 香港某脚手架实例 高高16m S275 脚手架杆件直径小于脚手架杆件直径小于50mm 局部坍塌！局部坍塌！ NIDA 2019 33 算例及工程实例算例及工程实例 香港某脚手架实例 事故原
14、因事故原因: 原来设计原来设计 边界条件 过于理性！ 边界条件 过于理性！ 极限荷载系数极限荷载系数 1 安全？安全？ NIDA 2019 34 算例及工程实例算例及工程实例 3. 香港某脚手架实例 真实情况真实情况: 脚 手 架 放 置在钢梁 脚 手 架 放 置在钢梁+ 斜撑上！斜撑上！ 正面图侧面图正面图侧面图 NIDA 2019 35 算例及工程实例算例及工程实例 香港某脚手架实例 正面图侧面图正面图侧面图 修改分析模型修改分析模型: 在原设计模型 中加入“钢梁 在原设计模型 中加入“钢梁+ 斜撑”代替原 来的理想支座 斜撑”代替原 来的理想支座 NIDA 2019 36 算例及工程实例
15、算例及工程实例 香港某脚手架实例 与真实破坏情况吻合与真实破坏情况吻合 NIDA 2019 37 算例及工程实例算例及工程实例 设计中应注意的问题 以结构整体为出发点以结构整体为出发点 考察结构的整体变形和内力分布考察结构的整体变形和内力分布 在分析中充分考虑会导致失稳的因素在分析中充分考虑会导致失稳的因素 包括初始缺陷和节点刚度包括初始缺陷和节点刚度 采用可靠的设计方法采用可靠的设计方法 保证各个构配件承载力满足要求保证各个构配件承载力满足要求 5. 结论结论 传统的设计方法存在的问题 直接分析法的优点 脚手架设计采用直接分析法的意义 NIDA 2019 39 结论结论 传统的设计方法存在的
16、问题： 通过经验系数评估构件稳定性；通过经验系数评估构件稳定性； 适用于比较规则的结构体系；适用于比较规则的结构体系； 不能反映结构真实的破坏形式；不能反映结构真实的破坏形式； 多数构件设计过于保守；多数构件设计过于保守； 无法满足现代设计要求。无法满足现代设计要求。 NIDA 2019 40 结论结论 不需要有效长度系数，只需要截面强度设计；不需要有效长度系数，只需要截面强度设计； 适用于任意结构形式；适用于任意结构形式； 可保证系统的整体和局部稳定性；可保证系统的整体和局部稳定性； 理论合理，各国规范相继引入，是未来结构设计的趋势；理论合理，各国规范相继引入，是未来结构设计的趋势； 具有很
17、高的可扩展性（如火灾、地震、施工、连续性倒塌等分析）。具有很高的可扩展性（如火灾、地震、施工、连续性倒塌等分析）。 直接分析法的优点： NIDA 2019 41 结论结论 可充分考虑各种对稳定性产生不利影响的因素；可充分考虑各种对稳定性产生不利影响的因素； 可精确地模拟扣件式钢管脚手架的扣件的结构行为；可精确地模拟扣件式钢管脚手架的扣件的结构行为； 可考虑脚手架钢管之间的转动和偏心；可考虑脚手架钢管之间的转动和偏心； 可较合理的预测脚手架的破坏形式及极限承载力；可较合理的预测脚手架的破坏形式及极限承载力； 模型简单，计算效率高，结果可靠。模型简单，计算效率高，结果可靠。 脚手架的直接分析法： NIDA 2019 42 谢谢谢谢
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