钢管脚手架的应用及计算

       【摘 要】该文论述了脚手架在现场施工的应用情况，详细叙述了脚手架的支撑体系的计算，并且比较了施工中常见的两种钢管脚            手架的情况。

        【关键词】扣件式钢管脚手架  门式钢管脚手架  地基承载力

   前言

   在桥梁施工中,虽然脚手架在工程中有着重要的地位，而且按照施工设计要求也应当列入单位工程施工组织设计内，但现在却还经常发现许多单位的施工组织设计内并无详细叙述；即使有，往往也很简单并不符合实际施工的要求。为确保施工安全，对脚手架的验算很有必要。

   在现在桥梁施工中， 应用比较多的有两种脚手架，一是扣件式钢管脚手架 ，另一种为门式钢管脚手架。本文主要介绍这二种脚手架的设计计算方法。

   扣件式钢管脚手架

   扣件式钢管脚手架是以横向横杆、纵向横杆、立杆、脚手板和剪刀撑、扫地杆、底座、拉撑件以及连接它们的扣件组成的一种钢管脚手架。

   1、扣件式钢管脚手架设计计算

   桥梁施工采用的扣件式钢管脚手架一般主要作为模板支架，承受混凝土结构物的施工荷载。扣件式钢管脚手架的承载能力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。一般进行的计算为：纵向、横向水平杆等受弯构件的强度和连接扣件的抗滑承载力计算；立杆的稳定性计算；立杆地基承载力计算。

  （1）荷载计算

   在桥梁施工中，作用在扣件式钢管脚手架上的荷载一般有施工结构物荷载、操作人员体重、施工设备重力和扣件式钢管脚手架自重力。各种荷载的作用部位和分布可按实际情况采用。扣件式钢管脚手架荷载的传递顺序为：脚手板→横向横杆→纵向横杆→立杆→底座→地基。

  （2）纵向、横向水平杆的抗弯强度计算

   纵向、横向水平杆的抗弯强度计算公式如下：

δ=    ≤[f]

M——弯矩设计值

横向、纵向水平杆的内力一般按照三跨连续梁计算弯矩（如果特殊情况可按多跨连续梁弯矩计算）：

W——截面模量。

[f]——钢材的抗弯强度设计值。

   （3）纵向、横向水平杆的扰度计算：   

   纵向、横向水平杆扰度按下式计算：

υ=  ≤[υ]

υ——扰度

E——钢材的弹性模量

I——纵向、横向水平杆的截面惯性矩

q——纵向、横向水平杆上的等效均布荷载

l——纵向、横向水平杆的跨度

[υ]——容许扰度，应按下表采用。

   （4）连接扣件的抗滑承载力计算

   纵向、横向水平杆与立杆连接时，其扣件的抗滑承载力应符合下式规定：

R≤[R]

R——纵向、横向水平杆传给立杆的竖向作用力（q*l）

[R]——扣件抗滑承载力设计值。

   （5）立杆的稳定性计算

   立杆的稳定性计算：

≤[f]

N——模板支架计算立杆的轴向力设计值

N=1.2∑NGK+1.4

∑NQK

∑NGK——模板及支架自重、新浇混凝土自重与钢筋自重产生的轴向力的总和。

∑NQK——施工人员及施工设备荷载标准值、振捣混凝土时产生的荷载标准值产生的轴向力总和。

ф——轴心受压构件的稳定系数，应根据长细比λ取值，

当λ>250时，ф=7320/λ2

A——立杆的截面面积。

[f]——钢材的抗弯强度设计值。

   （6）立杆地基承载力计算

   根据试验结果，荷载板底面的应力与其沉量的关系曲线如下图所示。从图中可看出，在荷载作用下地基土的变形。如果荷载应力超过P0，地基承载变形将发生突变，丧失地基承载力。所以立杆基础底面的平均压力一定要满足下式要求：

p≤[fg]

p——立杆基础底面的平均压力，

[fg]——地基承载力设计值, 

    门式钢管脚手架

   以门架、交叉支撑、连接棒、挂扣式脚手板或水平架、锁臂等组成基本结构，再设置水平加固杆、剪刀撑、扫地杆、封口杆、托座与底座的一种标准化钢管脚手架。

   1、门式钢管脚手架设计计算

   桥梁施工采用的门式钢管脚手架一样一般作为模板支架，承受混凝土结构物施工荷载（见上图）。脚手架的承载能力也采用了现行结构统一的设计表达形式。即同样采用按概率极限状态设计法。

   与扣件钢管脚手架不同，门式钢管脚手架的主要破坏形式是在抗弯刚度弱的门架平面外多波鼓曲失稳破坏。由于门式钢管脚手架的基本单元，门架是一个框架结构，在施工荷载作用下，施工层的门架杆件在门架平面内受局部弯矩作用。因此门式钢管脚手架主要是靠门架立杆轴心受压将竖向荷载传给基础的，风荷载作用时，将在门架平面方向产生弯矩，这也要靠门架的立杆轴心力组成力偶矩来抵抗。总之，门式钢管脚手架主要受轴压力。既计算主要评定门式钢管脚手架的稳定性，其公式如下：

N≤[Nd]

N——作用于一榀门架的轴向力设计值

[Nd]——一榀门架的稳定承载力设计值。

   2、门式钢管脚手架地基承载力计算与扣件式钢管脚手架计算相同。

p≤[fg]

p——立杆基础底面的平均压力，

[fg]——地基承载力设计值, 

    通过以上对脚手架的稳定性和地基承载力的验算，取得了脚手架支撑体系安全施工的理论依据。

    门式脚手架与扣件式脚手架比较 

    1、施工工艺比较 ：

 门式脚手架：1）装拆方便，施工工效高；约为扣件式脚手架的2～3倍。２）工人劳动相对强度较低。

    扣件式脚手架：1）装拆比较方便，施工工效较低。 

    2、搭设高度比较：

   门式脚手架：搭设高度一般≤45米。

   扣件式脚手架： 搭设高度一般≤５０米。

   3、经济效益比较：

   门式脚手架：1）用钢量较省。2）脚手架部件规格品种多，一次性投资大。３）脚手架管理困难，保养不易。

    扣件式脚手架：1）用钢量较多。2）脚手架一次性投资小。

   4、文明施工比较

   门式脚手架：脚手架组装标准化，排列整齐，美观。 

   扣件式脚手架：脚手架组装尚可。

   安全施工应当特别注意的问题

   在脚手架搭使用期间中严禁拆除交叉支撑、加固杆件、扫地杆等。作业层的施工荷载一定要符合设计要求，不得超载。

   搭设钢管脚手架的场地必须平整坚实，并严格作好排水工作。

   结束语

   郊环线A30沪嘉高速公路立交工程，主要使用扣件式钢管脚手架。本人经过对纵向、横向水平杆等受弯构件的强度和连接扣件的抗滑承载力计算；杆的稳定性计算；杆地基承载力计算，以及脚手架整体的稳定性、安全调整系数、脚手架最小搭设高度这几项的反复验算，发现施工单位搭设的脚手架不合理且钢管用钢量过多。这是由于施工单位没有通过计算而是采用了经验搭设的结果。最终施工单位采纳了本人的计算结论，优化了脚手架搭设，用钢量节约了3%左右。实践证明，通过计算后搭设的脚手架更科学化、规范化，即保证了脚手架的安全与稳定，又节省了施工成本，取得了良好效果。

引   言

   ＳＭＷ工法是在水泥土深层搅拌桩墙体中插入H型钢所形成的一种加劲复合围护结构。这种施工工艺用水泥土作为固化剂与地基土进行系统的强制性搅拌，并插入型钢，固化后形成桩柱列式的地下连续墙体，充分利用了水泥土深层搅拌桩抗渗性好及型钢刚度大的特点，通过二者的复合作用，形成基坑挡土防水侧向支护结构。

   该工法作为基坑的临时支护，能有效控制周边地面构筑物及地下管线的沉降，尤其适合在软土地基和建筑群密集的市区内实施。具有抗渗性好、刚度大、构造简单、施工简便、工期短、无环境污染等优点，而且由于型钢可回收重复使用，成本较低。

   耀华泵站应用SMW工法效果良好，取得了较好的工程效益和经济效益。

   一、 工程概况: 

   上海污水治理二期浦东地区收集系统LSW/2.2标工程耀华泵站主体结构平面尺寸为8.2×3.7，基坑开挖深度为-9.51米，采用顺筑法施工。施工区域地质和环境条件较差，周边部分建筑物结构老化程度相当严重；地下管线较为复杂，井位离民房仅3～5米，与地下管线的平面距离仅4～6米；土层中含有较厚的第②3b层灰色砂质粉土夹淤泥质粉质粘土层，该层易产生流砂现象。    综合考虑以上因素，采用SMW工法作为基坑支护结构：垂直井壁方向为双排Φ700深层搅拌桩，间隔1000ｍｍ插入700×300H型钢采用型号为HM×10×16。为加强井壁的整体作用,搅拌桩顶设500ｍｍ×750ｍｍ圈梁一道，基坑内设三道支撑，标高分别为－1.00 m、－4.00m及－7.00m。

   二、 支护结构参数

   1、深层搅拌桩墙体深度的验算

   考虑井点管降水深度为H＋H1+h＋IL+0.2

   其中H1－井点管埋设面至基坑底，取9.51＋3.2＝12.71m；

   h－降低后地下水位至槽底的最小距离，取1m；

   I－降水坡度，取1/3；

   L－降水水平距离，取8.2m

   计算得H＝16.m

   则搅拌桩的最少深度应为 16.m。    

   当基坑底以下为透水性较大的砂性土层时,水泥搅拌桩必须深入到不透水层,防止管涌发生。经验算，搅拌桩深度取值为18M。

   2、型钢插入深度的确定

   Ｈ钢插入搅拌桩深度由基坑抗隆起稳定及挡墙内力变形来确定,同时以型钢拔出为主要条件。经验算，型钢长度取15ｍ。

   三、 施工工艺

   本工程SMW工法深层搅拌桩采用“三搅二喷”， H型钢采用机械振动插入，H型钢采用液压千斤顶顶拔、履带吊拔除，工艺流程下所示：

   钻机就位→配制浆液→预搅切土下沉→送浆→搅拌提升→重复搅拌下沉→重复送浆→重复搅拌提升→桩架移位→清洗→H型钢涂减摩剂→下插H型钢

   四、 控制质量的关键技术

   SMW工法施工的关键点包括搅拌桩制作、Ｈ型钢的打拔、压顶圈梁的制作及围檩支撑。 

   1、搅拌桩的制作   

   （1）同常规搅拌桩比较,要特别注重桩的间距和垂直度。施工中垂直度应小于1%,以保证型钢插打起拔顺利,保证墙体的防渗性能。

 （2）桩机架行走线铺设导木，以供机架安装、移位，按所放桩位使机架正确就位，桩机就位后检查机架垂直度，确保机架垂直度控制在0.3%以下，桩机上下误差不得超过50mm，成桩垂直度误差小于1%。达到对桩体垂直度的控制。施工过程中随机对机座四周标高进行复测,确保机械处于水平状态施工,同时用经纬仪经常对搅拌轴进行垂直度复测,通过对机械的控制达到对桩体垂直度控制。

   （3）浆液配比除满足抗渗和强度要求外,尚应满足型钢插入顺利等要求。本工程注浆配比:水泥掺量、膨润土、缓凝剂、水灰比分别为13%、0.22%、0.8%、0.5。   

    计算得1m3土体注入水泥234Kg左右，水灰比控制在0.5。施工中随时抽查水泥浆液比重，每工作台班不少于4次。

   （4）水泥搅拌桩在施工过程中必须加强搅拌，增加水泥与土体的均匀性。控制三搅二喷工序，第一次搅拌提升和第二次搅拌提升时进行喷浆，第三次搅拌为复拌，以提高桩身的均匀度，第一次喷浆量控制在60%，第二次喷浆控制在40%。

   （5）在搅拌下沉及提升过程中，控制下沉速度不大于2.0m/min左右，提升速度50cm/min左右。控制重复搅拌提升速度在0.8～1.0ｍ/ｍｉｎ以内,以保证加固范围内每一深度均得到充分搅拌。；严格控制桩顶漏喷现象发生，确保桩顶强度；压浆阶段时不允许发生断浆和输浆管道堵塞现象。若发生断桩,则在向下钻进50cm后再喷浆提升。

   （6）相邻桩的施工间隔时间不能超过24小时。根据经验，施工过程中一旦出现冷缝，则必须在外侧补搅素桩，确保不出现大量渗水现象。

   2、H型钢的打拔

   （1）施工前必须检查型钢表面平整光滑,直线度必须控制在1.0%以内，型钢插入搅拌桩前必须在表面均匀涂刷减摩剂，与围檩间用牛皮纸隔离，以利拔桩。

   （2）型钢起吊移动插入定位框架内，检测型钢垂直度，插入型钢应控制在搅拌桩施工完毕12小时（水泥土初凝前）内进行，同时监控H型钢的长度和插入搅拌桩的深度。插入前应校正位置,设立导向装置,以保证垂直度小于1%,插入过程中,必须吊直型钢,尽量靠桩锤自重压沉。若压沉无法到位,再开启振动下沉至标高。    

   （3）型钢回收,采用2台液压千斤顶组成的起拔器夹持型钢顶升,使其松动,然后采用振动锤利用振动方式或采用卷扬机强力起拔,将Ｈ型钢拔出。采用边拔型钢边进行注浆充填空隙的方法进行施工。拔除型钢时严格控制，应边拔边进行注浆充填空隙的方法实施。

   3、钢筋砼压顶圈梁的制作及围檩支撑：    

   （1）圈梁底部凿除水泥土后，将露出的H型钢表面用油毛毡进行包扎，在进行钢筋砼压顶圈梁的制作。   

   （2）SMW工法施工中的搅拌桩及压顶圈梁强度必须达到70%以上方可进行基坑开挖，在开挖至标高-1.000时增设第一道围檩及支撑，按设计要求边开挖边支撑。

   （3）围檩与搅拌桩间隙要充分填实。

   五、 沉降监测分析

   本工程在施工过程中，对周边建筑物及地下管线进行了监测。

   根据工程沉降监测数据分析：

   1、施工期间单次沉降量最大值为＋2.5mm，累计沉降量为＋9.5mm，均小于单次±3mm，累计±10mm的沉降报警值。

   2、从单次沉降量变化来看，SMW工法施工的21天中，由于第4天桩机施工靠近监测点位处，因此发生了沉降量突变，分别达到了-2.4mm（单次沉降）、-2.5mm（累计沉降），第5日桩机移位后，该点沉降＋1mm；总体在SMW工法施工时，对构筑物的影响不大。基坑开挖及结构施工期间除3天因暴雨发生沉降突变外，总体沉降较为稳定。 

   六、 技术经济分析

   1、技术方面：

   从现有常用的基坑支护结构形式来看：

   树根桩具有良好的抗侧向土压力作用，桩身间止水往往要由外围附加的压密注浆进行隔水；深层搅拌桩由于基本不具备抗侧向土压力作用，只能单纯作为隔水帷幕使用；钻孔灌注桩由于场地条件、施工工艺要求较高，投入也较大。这三种方法对于本工程不具优势。

   SMW工法具有抗侧向土压力强、抗渗性好的特点，应用于本工程技术可靠，是比较理想的基坑支护结构。   

   2、经济方面：

    树根桩和深层搅拌桩还要进行压密注浆和增加侧向抗力处理，其综合成本不低于SMW工法。本工程支护结构应用SMW工法经济上还是较为合算的。   

   结束语

   SMW工法作为一种较新的施工工艺，它是在现有深层搅拌桩的成熟工艺为基础，加以改进，充分利用了搅拌桩的高止水性，增加了型钢的刚度与强度，弥补了搅拌桩抗侧向土压力的不足之处。根据实际施工情况和监测数据来看，SMW工法作为基坑支护结构有较高的可行性，能有效的控制地面、周边构筑物和地下管线的沉降。从技术经济方面看，它即能满足止水和抗侧向压力，又在成本核算和间接投入上具有一定的优势。   

   因此在上海这样的软土地基上，特别是在构筑物密集的市区和构筑物结构类型较差的老城区，是较为理想的基坑支护结构。

   双圆盾构、管幕法、超大盾构、异形盾构……各式“兵器”都对着同一个目标——开发地下空间，随着8车道的中环线北虹路地道、双层的上中路隧道等一项项重大工程的展开，上海的基础设施建设正从空中、地面走向了地下。 

    著名隧道专家王振信认为，地下空间的开发利用正越来越受到重视，从高架走到地下将是必然的发展趋势。除了轨道交通，国际上许多大城市正在积极发展地下道路，如新加坡就有一条南北向的6车道地下道路，能与东西向的3条高速公路相连，日本东京的新宿地区最近再造了一条地下高速公路。在上海市区内再造高架道路的可能性已不大，而要新辟、拓宽地面道路又受到土地面积的，未来应更多地借助地下空间。市区内可考虑建设地下车行道路，以弥补地面道路的不足。目前，有关部门正在考虑在外滩建造一条地下道路，以分流外滩的过境车辆，这将是上海在拓展地下空间使用领域的一次尝试。

    尽管近年来上海的交通建设投资不断增加，2003年更是达到了221亿元的历史新高，轨道交通的日均客运量突破了100万人次，但道路交通供需矛盾依然突出。最新的2004年城市综合交通发展报告显示，中心城区各种等级道路白天12小时平均车速为23.3公里。

    由于交通需求快速增长,交通流量过于集中,中心区内占道路总长约20%的快速路和主干道,集中了近70%的交通量。交通量的过于集中导致了道路拥挤，车速慢。根据交通管理部门统计，在早晚高峰时段，浦西中心区大约42％的干道处于有机状态，在被调查的21条道路中,接近74%的路段行程车速在20公里/小时以下,处于时开时停状态;有29%的道路的行程车速低于15公里/小时,最低的路段仅9公里/小时,还不如自行车快。由于地面交通拥挤,公共汽电车的行程车速有所下降,部分乘客转向了轨道交通或其他交通方式,导致去年本市公交客运量下降了3.5%。显然，城市交通问题的解决将更依赖包括轨道交通在内的地下交通。

    但是，大规模地开发地下空间，必须注重方式方法，以尽可能减少施工对现有交通的影响。王振信认为，应提倡、探索使用新技术、新措施，以减少施工对交通的影响，尤其应该减少占用道路面积大的大开挖施工。他说：“大开挖也许省钱，但大开挖要封交，而且一般至少要一年，对周围的环境也有影响。真要开挖，也可采用‘盖挖顺做法’：通过可使用盖挖顺作法先把上面的路面做好，路面上维持一定的交通，再施工路面以下的部分，也可以使用管幕法、盾构法等非开挖技术。目前在深圳的深南大道工程中已使用了‘盖挖顺做法’，但上海目前还没有大规模使用。

    对于新工艺是否会增加投资，王振信认为这只是一个方面，他举例说，现在市中心工地上规定不能用混凝土搅拌站，只能用商品混凝土，费用是提高了，但环境保护比以前更好了。我们在开发地下空间的同时，更应保护好现有的生存环境。