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1、腳手架結構的直接分析法設計腳手架結構的直接分析法設計 第四屆高層與超高層建筑論壇 2019.10.31武漢 王立軍華誠博遠工程技術集團有限公司 劉耀鵬香港理工大學土木及環境工程學系 王立軍華誠博遠工程技術集團有限公司 劉耀鵬香港理工大學土木及環境工程學系 NIDA 2019 2 1. 背景介紹 2. 腳手架倒塌原因 3. 直接分析法在腳手架設計中的應用 4. 算例及工程實例 5. 結論 內容內容 1. 背景背景 腳手架結構特點 傳統腳手架設計方法 直接分析法的基本理論 NIDA 2019 4 背景介紹背景介紹 腳手架結構特點 鋼管腳手架廣泛應用于安裝和施工工程中；鋼管腳手架廣泛應用于安裝和施工2、工程中； （易安裝、易拆卸、承載能力高、可重復利用等） 臨時臨時結構，重視程度不高，結構，重視程度不高，事故多事故多； 細長細長結構，易發生結構，易發生彈性失穩彈性失穩； 桿件和連接非線性行為顯著；桿件和連接非線性行為顯著； 多次重用，初始缺陷較大。多次重用，初始缺陷較大。 NIDA 2019 5 背景介紹背景介紹 腳手架的設計 設計內容設計內容 方案選擇方案選擇 腳手架類別、形式、尺寸、使用荷載腳手架類別、形式、尺寸、使用荷載 承載力驗算承載力驗算 框架結構驗算，地基驗算和專用連接件驗算框架結構驗算，地基驗算和專用連接件驗算 安全防護措施設計安全防護措施設計 安裝、移動和拆卸措施，安全使用措3、施安裝、移動和拆卸措施，安全使用措施 NIDA 2019 6 背景介紹背景介紹 腳手架的設計 腳手架的結構計算內容腳手架的結構計算內容 整體穩定性及抗傾覆驗算整體穩定性及抗傾覆驗算 單肢桿及連墻件的穩定性驗算單肢桿及連墻件的穩定性驗算 水平桿的抗彎剛度和撓度計算水平桿的抗彎剛度和撓度計算 連接件的強度計算連接件的強度計算 NIDA 2019 7 背景介紹背景介紹 腳手架的設計 建筑施工腳手架安全技術統一標準（GB51210-2016）：建筑施工腳手架安全技術統一標準（GB51210-2016）： 一階線彈性一階線彈性 設計理論設計理論 NIDA 2019 8 背景介紹背景介紹 腳手架的設計 一4、階線彈性分析與設計存在的問題一階線彈性分析與設計存在的問題 通過經驗系數考慮缺陷的影響通過經驗系數考慮缺陷的影響 簡化節點（鉸接、剛接）簡化節點（鉸接、剛接） 基于構件對結構整體穩定進行評估基于構件對結構整體穩定進行評估 桿件內力及內力分布不準確桿件內力及內力分布不準確 ？ NIDA 2019 9 背景介紹背景介紹 倒塌案例 NIDA 2019 10 PP The P- and P- Effects 背景介紹背景介紹 直接分析法 基于基于非線性理論非線性理論的的系統整體系統整體分析方法分析方法 考慮初始缺陷（考慮初始缺陷（結構整體、構件局部結構整體、構件局部） 考慮結構二階效應（考慮結構二階效5、應（ P-D 、 P-dP-D 、 P-d ） 考慮考慮節點轉動剛度節點轉動剛度 考慮考慮地基沉降地基沉降及其它對結構穩定性有顯著影響的因素及其它對結構穩定性有顯著影響的因素 不用計算長度，僅需不用計算長度，僅需截面承載力截面承載力驗算驗算 NIDA 2019 11 背景介紹背景介紹 直接分析法 整體缺陷整體缺陷 構件缺陷構件缺陷 初始彎曲 初始缺陷影響初始缺陷影響 改變荷載傳遞路徑 & 增大傾覆彎矩 改變荷載傳遞路徑 & 增大傾覆彎矩 NIDA 2019 12 背景介紹背景介紹 直接分析法 構件穩定驗算構件穩定驗算 1 y z ycycz M MP p AMM 00 00 ()() ()()6、 yyyyyy zzzzzz MMPP MMPP 承載力驗算公式：承載力驗算公式： 二階彎矩：二階彎矩： 2. 腳手架倒塌原因腳手架倒塌原因 穩定性問題 支座條件 連接失效 構配件質量 腳手架設計中應注意的問題 NIDA 2019 14 腳手架倒塌原因腳手架倒塌原因 構件或整體失穩 NIDA 2019 15 腳手架倒塌原因腳手架倒塌原因 支座條件 地基不平整地基不平整 支撐條件不一致，沉降不均勻支撐條件不一致，沉降不均勻 支座未對齊，存在偏心支座未對齊，存在偏心 NIDA 2019 16 腳手架倒塌原因腳手架倒塌原因 連接件破壞 連接件設計有誤連接件設計有誤 荷載存在偏心荷載存在偏心 NIDA7、 2019 17 腳手架倒塌原因腳手架倒塌原因 構件及配件質量差 初彎曲過大 & 缺少頂托 U型托失效 初彎曲過大 & 缺少頂托 U型托失效 NIDA 2019 18 腳手架倒塌原因腳手架倒塌原因 設計中應注意的問題 以結構整體為出發點以結構整體為出發點 考察結構的整體變形和內力分布考察結構的整體變形和內力分布 在分析中充分考慮會導致失穩的因素在分析中充分考慮會導致失穩的因素 包括初始缺陷和節點剛度包括初始缺陷和節點剛度 采用可靠的設計方法采用可靠的設計方法 保證各個構配件承載力滿足要求保證各個構配件承載力滿足要求 3. 腳手架的直接分析法腳手架的直接分析法 初始缺陷的模擬 腳手架連接節點的模8、擬 NIDA 2019 20 腳手架倒塌原因腳手架倒塌原因 初始缺陷的模擬 無初始缺陷有初始缺陷無初始缺陷有初始缺陷 只有軸向變形軸向只有軸向變形軸向+彎曲變形彎曲變形 NIDA 2019 21 腳手架倒塌原因腳手架倒塌原因 腳手架連接節點 鉸接？鉸接？ 剛接？剛接？ 常用扣件連接：常用扣件連接：直角扣件、旋轉扣件和對接扣件直角扣件、旋轉扣件和對接扣件 直角扣件的受力行為最為復雜，除了能抵抗滑移、還可承受扭矩直角扣件的受力行為最為復雜，除了能抵抗滑移、還可承受扭矩 半剛性連接半剛性連接 NIDA 2019 22 腳手架倒塌原因腳手架倒塌原因 腳手架連接節點 歐洲腳手架規范歐洲腳手架規范EN129、811-1對 直角扣件給出了雙線性關系的 扭矩 對 直角扣件給出了雙線性關系的 扭矩-轉角曲線，用于節點的 半剛性分析。 轉角曲線，用于節點的 半剛性分析。 EN12811-1規定了直角扣件滑規定了直角扣件滑 移及破壞的極限承載力。移及破壞的極限承載力。 直角扣件受力圖 直角扣件扭矩 直角扣件受力圖 直角扣件扭矩 NIDA 2019 23 腳手架倒塌原因腳手架倒塌原因 腳手架連接節點 桿端彈簧單元桿端彈簧單元 傳統半剛性模擬方法傳統半剛性模擬方法 彎矩轉角曲線彎矩轉角曲線 輸入輸入 NIDA 2019 24 腳手架倒塌原因腳手架倒塌原因 腳手架連接節點 腳手架節點的特殊性：腳手架節點的特殊性：10、 如何反映構件的連貫性？如何反映構件的連貫性？ NIDA 2019 25 腳手架倒塌原因腳手架倒塌原因 腳手架連接節點 新型非線性彈簧單元新型非線性彈簧單元 直角扣件實物圖直角扣件單元模型直角扣件實物圖直角扣件單元模型 NIDA 2019 26 腳手架倒塌原因腳手架倒塌原因 腳手架連接節點 新型非線性彈簧單元新型非線性彈簧單元 彈簧單元包含兩個節點，共彈簧單元包含兩個節點，共6個自由度個自由度: 扭轉自由度扣件受扭行為扭轉自由度扣件受扭行為 軸向自由度扣件受拉破壞軸向自由度扣件受拉破壞 兩個剪切自由度扣件的滑移兩個剪切自由度扣件的滑移 兩個轉動自由度扣件對鋼管的轉動約束兩個轉動自由度扣件對鋼管11、的轉動約束 模型簡單，清晰，直接模型簡單，清晰，直接 4. 算例及工程實例算例及工程實例 兩層扣件式鋼管腳手架 靜力加載試驗 香港某腳手架實例 多層扣件式鋼管腳手架算例 NIDA 2019 28 算例及工程實例算例及工程實例 1. 兩層扣件式鋼管腳手架 鋼的材料規格均為鋼的材料規格均為S275，即設計強度為，即設計強度為275 MPa NIDA 2019 29 算例及工程實例算例及工程實例 1. 兩層扣件式鋼管腳手架 假設此腳手架僅承受豎向均布荷載和側向節點力 柱底為剛接 假設此腳手架僅承受豎向均布荷載和側向節點力 柱底為剛接 對比三種扣件模擬方式：對比三種扣件模擬方式： 1.剛接模型剛接模型12、 忽略腳手架的扣件，桿件之間是剛接且沒有偏心忽略腳手架的扣件，桿件之間是剛接且沒有偏心 2. 彈簧模型彈簧模型 采用彈簧模型對扣件進行模擬，考慮桿件偏心采用彈簧模型對扣件進行模擬，考慮桿件偏心 3. 桿端半剛模型桿端半剛模型 傳統半剛性模擬方式，不考慮偏心傳統半剛性模擬方式，不考慮偏心 NIDA 2019 30 算例及工程實例算例及工程實例 1. 兩層扣件式鋼管腳手架 鋼管鋼管7上的彎矩分布上的彎矩分布 模型一和模型二的彎矩圖符合連續梁彎矩分布。模型一和模型二的彎矩圖符合連續梁彎矩分布。 模型三中，兩端彎矩就呈現出跟兩端固支梁相似。模型三中，兩端彎矩就呈現出跟兩端固支梁相似。 NIDA 20113、9 31 算例及工程實例算例及工程實例 2. 靜力加載試驗 0 80 160 240 320 400 03691215 S SP (kN) (cm) Test kN324.68 = max P 2nd order elastic NLF=0.3% 云林科技大學 彭瑞麟教授（中國臺灣） 提供試驗資料云林科技大學 彭瑞麟教授（中國臺灣） 提供試驗資料 NIDA 2019 32 算例及工程實例算例及工程實例 3. 香港某腳手架實例 高高16m S275 腳手架桿件直徑小于腳手架桿件直徑小于50mm 局部坍塌！局部坍塌！ NIDA 2019 33 算例及工程實例算例及工程實例 香港某腳手架實例 事故原14、因事故原因: 原來設計原來設計 邊界條件 過于理性！ 邊界條件 過于理性！ 極限荷載系數極限荷載系數 1 安全？安全？ NIDA 2019 34 算例及工程實例算例及工程實例 3. 香港某腳手架實例 真實情況真實情況: 腳 手 架 放 置在鋼梁 腳 手 架 放 置在鋼梁+ 斜撐上！斜撐上！ 正面圖側面圖正面圖側面圖 NIDA 2019 35 算例及工程實例算例及工程實例 香港某腳手架實例 正面圖側面圖正面圖側面圖 修改分析模型修改分析模型: 在原設計模型 中加入“鋼梁 在原設計模型 中加入“鋼梁+ 斜撐”代替原 來的理想支座 斜撐”代替原 來的理想支座 NIDA 2019 36 算例及工程實例15、算例及工程實例 香港某腳手架實例 與真實破壞情況吻合與真實破壞情況吻合 NIDA 2019 37 算例及工程實例算例及工程實例 設計中應注意的問題 以結構整體為出發點以結構整體為出發點 考察結構的整體變形和內力分布考察結構的整體變形和內力分布 在分析中充分考慮會導致失穩的因素在分析中充分考慮會導致失穩的因素 包括初始缺陷和節點剛度包括初始缺陷和節點剛度 采用可靠的設計方法采用可靠的設計方法 保證各個構配件承載力滿足要求保證各個構配件承載力滿足要求 5. 結論結論 傳統的設計方法存在的問題 直接分析法的優點 腳手架設計采用直接分析法的意義 NIDA 2019 39 結論結論 傳統的設計方法存在的16、問題： 通過經驗系數評估構件穩定性；通過經驗系數評估構件穩定性； 適用于比較規則的結構體系；適用于比較規則的結構體系； 不能反映結構真實的破壞形式；不能反映結構真實的破壞形式； 多數構件設計過于保守；多數構件設計過于保守； 無法滿足現代設計要求。無法滿足現代設計要求。 NIDA 2019 40 結論結論 不需要有效長度系數，只需要截面強度設計；不需要有效長度系數，只需要截面強度設計； 適用于任意結構形式；適用于任意結構形式； 可保證系統的整體和局部穩定性；可保證系統的整體和局部穩定性； 理論合理，各國規范相繼引入，是未來結構設計的趨勢；理論合理，各國規范相繼引入，是未來結構設計的趨勢； 具有很17、高的可擴展性（如火災、地震、施工、連續性倒塌等分析）。具有很高的可擴展性（如火災、地震、施工、連續性倒塌等分析）。 直接分析法的優點： NIDA 2019 41 結論結論 可充分考慮各種對穩定性產生不利影響的因素；可充分考慮各種對穩定性產生不利影響的因素； 可精確地模擬扣件式鋼管腳手架的扣件的結構行為；可精確地模擬扣件式鋼管腳手架的扣件的結構行為； 可考慮腳手架鋼管之間的轉動和偏心；可考慮腳手架鋼管之間的轉動和偏心； 可較合理的預測腳手架的破壞形式及極限承載力；可較合理的預測腳手架的破壞形式及極限承載力； 模型簡單，計算效率高，結果可靠。模型簡單，計算效率高，結果可靠。 腳手架的直接分析法： NIDA 2019 42 謝謝謝謝