某大型工程的腳手架可靠性研究

張 偉 王小廠 張新華 顏慶智

(1.勝利石油管理局供水公司，山東東營 257097;2.中國石油大學(xué)(華東)儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東青島 266580)

0 引言

自20世紀(jì)60年代以來，扣件式鋼管腳手架由于經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、搭設(shè)和拆裝便捷等優(yōu)點(diǎn)，成為我國使用量最多、被廣泛應(yīng)用的一種腳手架，占腳手架使用總量的70%。落地式扣件腳手架是保證工程施工高處作業(yè)順利實(shí)施的重要保障，為避免工程事故的發(fā)生，很有必要對落地式扣件腳手架進(jìn)行可靠度分析。

1 工程概況

某鋼筋混凝土框架核心筒結(jié)構(gòu)，腳手架及連墻桿用φ48×3.5，均采用扣件連接。連墻件均布分布，采用兩步兩跨。腳手架架設(shè)結(jié)構(gòu)為:立桿縱距l(xiāng)a=1.50 m，立桿橫距l(xiāng)b=1.05 m，步距h=1.80 m，腳手架距外墻 0.5 m，腳手架高度為 16.2 m。

2 模型建立與分析

模型建立:選取兩跨作為三維計(jì)算單元。節(jié)點(diǎn)的特殊性決定了計(jì)算模型最重要的是正確選擇扣件式鋼管腳手架節(jié)點(diǎn)模式。通過資料［1］，橫桿與立桿是理想的鉸接或者剛接。大小橫桿與立桿之間是一種半剛性連接，不同于兩種理想假設(shè)，在荷載作用下會發(fā)生一定變形且會傳遞一些彎矩。通過加線性抗轉(zhuǎn)彈簧的方法來考慮節(jié)點(diǎn)半剛性。

3 可靠度分析

3.1 蒙特卡羅法

Monte-Carlo法計(jì)算結(jié)構(gòu)體系可靠度:1)影響可靠度的隨機(jī)變量，按其分布類型產(chǎn)生一組隨機(jī)數(shù)，計(jì)算比較體系的作用效應(yīng)與抗力值，計(jì)算各主要失效模式對應(yīng)的功能函數(shù)值Z。當(dāng)且僅當(dāng)功能函數(shù)值Z＜0時，表示原結(jié)構(gòu)失效，計(jì)算即可中止。2)重復(fù)第1)步的計(jì)算。3)計(jì)算結(jié)構(gòu)體系的失效概率Pf=m/n(n為總樣本數(shù);m為結(jié)構(gòu)失效的樣本數(shù))。文獻(xiàn)［2］建議模擬次數(shù)n必須滿足n≥100/Pf，根據(jù)美國 LRFD(Load and Resistance Factor Design)規(guī)范對 β 的建議值:臨時結(jié)構(gòu) β=2.5，Pf=Φ(－β)，則有 Pf=0.006 2，n設(shè)定為17 000次。

3.2 可靠度分析參數(shù)

一般將扣件式鋼管腳手架作為串聯(lián)系統(tǒng)處理，如果其中某構(gòu)件失效不能工作，將會提高其他構(gòu)件的失效概率。通過對試驗(yàn)和腳手架坍塌事故分析，扣件式鋼管腳手架的主要失效模式分為整體失穩(wěn)破壞和連墻件破壞。腳手架內(nèi)側(cè)距離外墻為0.5 m，連墻桿在連接扣件發(fā)生扣件滑移破壞之前，不可能發(fā)生失穩(wěn)破壞。僅關(guān)心連墻件連接扣件滑移破壞，以及腳手架整體橫向失穩(wěn)破壞?；倦S機(jī)變量的分布統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 基本隨機(jī)變量的分布統(tǒng)計(jì)

兩種失效模式功能函數(shù)分別為:

其中，R為連墻件的線位移剛性約束產(chǎn)生的支反力;N0=5 kN;Rc為直角扣件抗滑移承載力。

縱橫向水平桿與立桿之間用直角扣件連接的節(jié)點(diǎn)作為一種半剛性連接，參考文獻(xiàn)［3］［4］，直角扣件抗滑移承載能力Rc均值為8 kN，變異系數(shù)為0.15，服從對數(shù)正態(tài)分布。

3.3 計(jì)算結(jié)果

結(jié)構(gòu)體系的失效概率為0.000 118，根據(jù)Pf=Φ(－β)，查表得到β=3.6。按照規(guī)范規(guī)定的結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)在脆性破壞三級的情況下的可靠度指標(biāo) β 為 3.6［5］，3.6 ＞3.2，說明此腳手架按照三級脆性破壞考慮，此結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)在理論上來講是安全的。

4 結(jié)語

采用Monte Carlo法對工程實(shí)例腳手架進(jìn)行可靠度分析表明，滿足規(guī)范要求。腳手架坍塌事故屢有發(fā)生，主要原因是管理不善，扣件式鋼管腳手架一般被視為一種臨時結(jié)構(gòu)，沒有被大家足夠重視，其實(shí)際的體系可靠度受施工過程中人為錯誤影響較大。

［1］吳世偉.結(jié)構(gòu)可靠度分析［M］.北京:人民交通出版社，1990.

［2］Hak-Fong Ma，A.H-S.Ang.Reliability analysis of redundant ductile structural systems［J］.University of Illinois at Urbana-Champaign，1981(8):41-42.

［3］敖鴻斐.雙排扣件式鋼管腳手架整體極限承載力研究［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2000.

［4］JGJ 130-2001，建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范［S］.

［5］GB 50068-2001，建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)［S］.