高边坡锚杆支护脚手架设计与受力计算

高边坡锚杆支护脚手架设计与受力计算

赵甲毅

中国电建市政建设集团有限公司天津300384

摘要：脚手架的搭设是高边坡锚杆（锚索）防护施工中首要临时设施，合理的搭设方式直接影响到安全、进度、效益，本文结合工程实际，介绍了有关参数计算设计过程，理论与实际相结合确保工程结构处于安全工作状态。

关键词：高边坡脚手架荷载

1、工程概况

河北丰宁抽水蓄能电站是全球最大的抽水蓄能电站，本工程为通往此电站的场内道路，以深路堑和半填半挖断面为主，全线高边坡处多采用喷锚防护方式。以1号道路桩号K4+200-K4+259段左侧边坡段为例，采用砂浆锚杆形式。该段长59米，高度23米，属高空作业，施工脚手架设计和搭设为本工艺安全施工中的重要一环，占有极高的地位。

2、设计参数

1）脚手架参数

脚手架采用Q235-A级钢管，尺寸为Φ48.3×3.6，搭设方式为贴坡式，扣件式连接，立杆采用单立管，与横杆单扣件连接，大横杆在上，搭接在小横杆上的大横杆根数为2，搭设尺寸：立杆横距1.5m，纵距1.5m，步距1.5m，内排架距坡面0.50m，连墙件采用Φ25mm螺纹钢筋，2步3跨设计。

2）活荷载参数

设1台YXZ50A型潜孔钻，重量0.68t，配备3名施工人员，约240kg，施工荷载均布参数根据《扣规》查表，按：3.000kN/m2计算（包括施工过程中的钻机的冲击荷载），施工层数为1层。

3）风荷载参数

作用在脚手架上的水平风荷载标准值按公式ωk=0.7μsμzω0计算：

风荷载体型系数μs查表为1.20，μz—风压高度变化系数，按现行国家标准《建筑结构荷载规范》规定采用，查得μz为0.84，w0—基本风压值（kN／m2），河北丰宁10年一遇基本风压为0.45kN/m2，计算为0.7×0.45×1.2×0.84=0.318kN/m2。

4）静荷载参数

每米立杆数承受的结构自重标准：0.1161kN/m2；马道板脚手板自重标准：0.350kN/m2，铺设层数：1。（以上参数均可以查表得到）

5）其它参数

坡比按照1：0.14设计，边坡和地基地质岩石类别为Ⅶ类，地基承载力标准值（kN/m2）：15000.00；基础底面扩展面积（m2）：0.9；基础降低系数：0.40。

3、设计计算

1）大横杆计算书

根据规范规定大横杆按照三跨连续梁进行强度和挠度计算。小横杆在下，大横杆在上。按脚手板和活荷载作为均布荷载计算大横杆的最大弯矩和变形。

均布荷载值计算

大横杆的自重标准值：P1=0.038kN/m；

脚手板的荷载标准值：P2=0.350×1.5/3=0.17kN/m；

活荷载标准值：Q=3.000×1.2/3=1.2kN/m；

静荷载的计算值：q1=1.2×0.038+1.2×0.35=0.466kN/m；

活荷载的计算值：q2=1.4×1.2=1.68kN/m；（根据《扣规》，永久荷载分项系数应取1.2，可变荷载分项系数应取1.4。

强度验算

[σ]表示钢材强度极限值，为215N/mm2，，最大弯矩考虑为三跨连续梁均布荷载作用下的弯矩，最大弯矩考虑为静荷载与活荷载的计算值最不利分配的弯矩和。

?荷载值计算

大横杆的自重标准值：P1=0.038×1.500=0.057kN；

脚手板的荷载标准值：P2=0.350×1.5×1.5/（2+1）=0.262kN；

活荷载标准值：Q=3.000×1.5/3=1.5kN；

荷载的计算值：P=1.5×（0.057+0.262）+1.4×1.5=2.58kN；

小横杆均布荷载为：q=2.58/1.5=1.72kN/m。

?强度计算

弯曲强度：σ=M/W=ql2/8&pide;（5.08×103）=95.23Mpa＜[σ]=215Mpa；

?挠度验算

均布荷载最大挠度计算公式：Vmax=5ql4/384EI。

荷载标准值q=0.57+0.262+1.5=2.332KN/m，E、I通过查表可得，代入计算得V=6.13mm＜L/150=10mm，满足要求。

没有抗剪强度计算，因为钢管抗剪强度不起控制作用，纵、横向水平杆的荷载由扣件传递，一只扣件的抗滑承载力设计值只有8.5kN，远小于钢管抗剪强度，因此只需满足扣件的抗滑力条件，钢管抗剪力也一定会满足。

3）扣件抗滑力的计算

按规范，直角、旋转单扣件承载力取值为8.5kN，扣件抗滑承载力系数0.80，则旋转单扣件承载力取值为8.5×0.80=6.80kN。

扣件的抗滑承载力可按照R≤Rc式计算：

Rc--扣件抗滑承载力设计值，取6.40kN；R--横杆传给立杆的竖向作用力，通过下列计算求得；

大横杆的自重标准值：P1=0.038×1.5×4/2=0.114kN；

小横杆的自重标准值：P1=0.038×1.5/2=0.026kN；

脚手板的荷载标准值：P2=0.350×1.5×1.5/2=0.393kN；

活荷载标准值：Q=3.000×1.5×1.5/2=3.37kN；

则荷载的计算值：R=1.2×（0.114+0.026+0.393）+1.4×3.37=5.35kN<6.80kN；单扣件抗滑承载力的设计计算满足要求。

4）立杆稳定性的计算（按搭建高度23m计算）

考虑风荷载时，立杆的轴向压力设计值计算：

计算公式：N=1.2NG+0.9×1.4NQ，NG--活荷载为施工荷载标准值产生的轴向力总和，NQ--静荷载标准值。

NG的计算如下：

立杆：23×0.038kN/m=0.874kN；小横杆：15×（1.5+0.3）×0.038kN/m/2=0.513kN；大横杆：15×1.5×0.038kN/m=0.855kN；扣件：15×0.015kN=0.225kN；45度剪刀撑：8.5×4×2×0.038kN/m/5=0.517kN；脚手板：0.350kN/m2×1.5×1.5/2=0.393kN。

NG=0.874+0.513+0.855+0.225+0.517+0.393=3.377kN。

NQ的计算如下：

NQ按内、外立杆内施工荷载总和的1/2取值，NQ=3.000×1.5×1.5/2=3.37kN；

则N=1.2NG+0.9×1.4NQ=1.2×3.377+0.9×1.4×3.37=8.30kN；

?风荷载设计值产生的立杆段弯矩MW计算：

Mw=0.9×1.4Wklah2/10=0.9×1.4×0.318×1.5×1.52/10=0.135kN.m。

稳定性的计算

考虑风荷载时，立杆的稳定性计算公式：б=N/（φA）+Mw/W≤[f]。

N与Mw按上面计算值，W--立杆截面模量取5.08cm3，A--立杆净截面面积4.89cm2，φ--轴心受压立杆的稳定系数，通过计算长细比查得出。

长细比λ=kμh/i，k=1.155，μ查规范取1.80，i截面回转半径1.58cm，求得λ=197.37，由长细比查表得到：φ=0.186。

钢管立杆抗压强度设计值：[f]=205N/mm2；

б=8300/（0.186×489.0）+135000/5080.0=117.83N/mm2；

立杆稳定性计算б=117.83N/mm2＜[f]=205N/mm2满足要求。

5）最大搭设高度的计算

考虑风荷载时，采用单立管的敞开式、全封闭和半封闭的脚手架可搭设高度按照下式计算：

通过前面的计算已知：φ=0.186；立杆段由风荷载标准值产生的弯矩：Mwk=0.135kN.m；钢管立杆抗压强度设计值：f=205N/mm2；静荷载值：NG2K=3.377；活荷载值：NQ=3.37kN；立杆净截面面积4.89cm2。

按立杆步距1.5m，纵距1.5m查《扣规》附录表A1.0可得：每米立杆承受的结构自重标准值：gk=0.1552kN/m；

代入上式求得Hs=55.6m；

脚手架搭设高度限值按照[H]=Hs/（1+0.001Hs）调整。

[H]=55.6/（1+0.001×55.6）=52.6m；

经计算得到，脚手架搭设高度限值[H]=52.6m。此处边坡最高为23m，可以满足施工高度。

6）连墙件的计算

连墙件布置为2步3跨，最小锚索下倾角10。，坡面角度82。。根据力学平衡原理，作用在连墙件上的轴向力N1小于等于单根连墙件的设计值Nak时，脚手架不会发生向外倾翻。

即N1=N1w+N0≤Nak。

①Nlw--风荷载产生的连墙件轴向力设计值。

计算公式：Nlw=1.4×Wk×Aw。Wk--风荷载标准值0.318kN/m2；Aw--每个连墙件的覆盖面积内脚手架外侧的迎风面积，Aw=4.5×3=13.5m2。

计算得Nlw=1.4×0.318×13.5×cos8。=5.95kN。

②计算单根连墙件的设计值Nak：

本处地质岩层为Ⅶ类岩，按锚固表面与岩体的粘结强度计算，公式。

其中la--锚固段长度1.5m；D--锚固段直径0.025m；frb--岩层与锚固体粘结强度特征值，可查《建筑边坡工程技术规范》，本处取135。ε1--工作条件系数，取0.75。则Nak=1.5×0.75×3.14×0.025×135=15.89kN。

③Now--外荷载作用下连墙件所产生的轴向力的计算。

三连跨高23m作业范围内连墙件数量：23×1.5×3/（4.5×3）=8根。

施工荷载设计1台YXZ50A潜孔钻，最大给进力25KN，则施工荷载沿连墙件轴向力为：N施=25&pide;8×cos（10。-8。）=3.123kN。

钻机自重0.68t=6.8kN，则在单根连墙件轴向分力为：G=6.8×cos82。/8=0.12kN。

④作用在连墙件上的轴向力：N1=N1w+N0=5.95+3.123-0.12=8.953kN＜15.89kN。

经计算可知，风荷载考虑10年一遇，钻孔角度考虑最小下倾角10o，连墙件设置2步3跨，插筋锚固段长度为1.5m时满足要求。

4、结束语

综上，经过对脚手架，大横杆、小横杆、立杆的抗压、抗弯、稳定性和搭设高度、连墙件的计算分析，该脚手架处于稳定状态，满足安全施工要求。

不同的地质参数对脚手架计算影响较大，设计时要确保地质参数的准确性，才能使计算数值与实际相符，等到正确的计算结果。

参考文献：

[1]《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130-2011中国建筑工业出版社2011

[2]《建筑结构荷载规范》GB50009-2012中国建筑工业出版社2012

[3]《建筑施工安全检查标准》GB50017-2017中国计划出版社2017