高边坡脚手架平台稳定性验算及安全监测方法

舒媛 马继峰 高强

脚手架是建筑施工常见的临时设施，是为临时放置施工工具、建筑材料，配合施工作业人员高处作业而搭设的架体，广泛应用于房建市政、水利水电、道路桥梁等工程领域。脚手架在搭设、使用及拆除过程面临较大的安全风险，尤其是高边坡治理工程用的脚手架，一旦出现问题，极可能出现群死群伤的重大安全生产事故。文章主要介绍高边坡治理工程脚手架的稳定性验算及安全监测技术，并以具体工程为案例进行讲解，供类似工程参考。

高边坡; 脚手架; 稳定性验算;  安全监测

TU731.2B

[定稿日期]2021-08-11

[作者简介]舒媛（1987～），女，本科，工程师，从事水利水电施工技术与管理工作;马继锋（1987～），男，本科，工程师，从事水利水电施工技术与管理工作;高强（1985～），男，本科，高级工程师，从事水利水电施工技术与管理工作。

高陡边坡脚手架工程[1]，因为其特有的边坡地形不规则、使用时间长、使用期间次生灾害发生可能性大、作业人员多等特点，高陡邊坡脚手架工程面临的安全风险更高。保证脚手架搭设、使用、拆除期间的施工安全尤为重要和紧迫，意义重大。

脚手架与一般结构相比，其工作条件具有以下特点：①所受荷载变异性较大;②扣件连接节点属于半刚性;③脚手架结构、构件存在初始缺陷，如杆件的初弯曲、锈蚀，搭设尺寸误差、受荷偏心等均较大;④与墙的连接点，对脚手架的约束性变异较大。

1 脚手架稳定性验算研究

1.1 研究思路及对象

单层或多层脚手架的稳定性计算可以按一根单柱考虑，立杆与横梁连接处计算时可假定为铰接[2-3]。

脚手架稳定性验算通过对搭设材料性能、荷载组成、搭设参数等关键信息分析，建立脚手架计算模型，选取受力最不稳定断面处架体进行受力分析，验算其结构稳定性、杆件的轴力和弯矩值、扣件抗滑等是否符合安全使用要求。

1.2 研究方法

脚手架属于杆系结构，对于杆系结构的弹性理论研究较为成熟，利用有限元分析脚手架安全稳定的方法得到大量应用，并取得良好效果[4]。当前钢管脚手架主要稳定性验算方法有《结构力学求解器》、ANSYS软件、Midas Civil软件。

2 安全监测方法研究

2.1 监测对象

脚手架使用中，监测项目有：①杆件的设置和连接，连墙件、支撑等的构造;②扣件螺栓是否松动;③立杆的沉降与垂直度的偏差;④安全防护措施是否到位;⑤是否超载。

2.2 监测方法

脚手架安全监测方法以无损监测为主[5]，扣件螺栓松动依靠人工扭力扳手检查，安全防护措施通过人工检查，常见的监测方法有：

（1）采用全站仪、经纬仪、水准仪、卷尺等测量仪器对架体沉降及垂直度进行监测，该方法简单，投入设备少、设备来源广泛，但不能监测架体受力情况，且不能实现24 h不间断实施监控和自动报警，人为因素影响大。

（2）利用应力传感器及位移传感器对结构的关键构件进行力及位移的量测，这种测量基于物联网技术和传感技术的结合，直观、简单、监测结果精确、可远程监控，一旦有异常变化发生，系统就会自动报警，实现早发现问题、早应对、早预防。

（3）利用声发射传感器阵列采集脚手架发生声发射事件时的声发射信号，并转换电信号输出给信号采集系统，实现利用较少传感器对整个脚手架进行无损伤监测及预警，有效解决脚手架损伤监测定位不准的问题。

3 应用实例

3.1 工程概况

古瓦水电站位于四川省甘孜藏族自治州乡城县境内，电站首部枢纽进水口边坡因自然灾害发生大规模崩塌滑坡破坏，为保证边坡稳定，设计要求对该边坡进行预应力锚索支护，脚手架搭设高度约110 m，搭设宽度96 m。

3.2 荷载取值

3.2.1 计算荷载

施工荷载主要有脚手架、扣件、方木板、防护网、锚索、钢筋、钻机、钻杆、钻具自重等各类恒荷载，钻孔、人员活动等各类活载，以及风载（0.2 kN/m2），各类荷载计算前需进行荷载等效，并结合施工实际，采取适宜的荷载组合。

3.2.2 计算模型

采用Midas Civil建立空间有限元模型，模型均为梁单元，模型中纵向取14跨进行计算，共14 762个节点，29 406个单元，竖杆底部支撑约束x、y、z三个方向，侧向支撑仅约束x方向（x向为山体指向外侧的方向，y向为平行于山体的水平方向，z向为竖直方向）。

3.2.3 计算结果分析

3.2.3.1 结构稳定分析

侧向约束按两步两跨设置连墙件，结构整体稳定系数3.76，小于4，满足要求。

3.2.3.2 杆件内力计算

（1）杆件轴力。杆件在恒载+活载作用下，杆件的轴力如图1所示。

（2）杆件弯矩。结构在恒载+活载基本组合作用下，最大弯矩为0.56 kN·m。

（3）立杆稳定验算。在恒载+活载作用下，步距1.4 m时，其安全系数最小为1.18，立杆长细比为141，小于210，满足规范要求。

（4）水平杆强度验算。为改善水平杆的受力，采用八字撑加强短杆，按均布荷载施加，计算最大应力为151.3 MPa，小于215 MPa，满足规范要求。

3.2.3.3 结构位移

（1）结构的整体位移。在恒载+活载作用下，结构位移最大1.55 cm，发生在顶部。

（2）结构的局部位移。在恒载+活载作用下：边跨最大位移为0.84 mm，中跨最大位移为0.328 mm，均小于10 mm，且最大挠跨比为1/1 120，小于1/150，满足规范要求。

3.2.3.4 支点反力

在恒载+活载标准值作用下，支架支反力最大21.2 kN（竖直向上），需要的地基承载力为235.6 kPa，施工时保证地基最低承载力大于250 kPa。

3.3 安全监测

脚手架施工安全监测根据监测对象分为边坡安全监测和架体安全监测，根据监测方法分传统人工监测和自动化监测（表1）。

本工程边坡安全监测采用全站仪和水准仪等光学仪器人工监测，主要对边坡开口线沿线进行水平位移和垂直位移监测，架体安全监测采用自动、实时、24 h不间断监测系统，通过无线组网，随时监测并传输脚手架架体的轴力、倾斜度、位移、温度等数据。

架体安全监测在脚手架搭设最高立杆的上、中、下三个区域布设监测点，采用应力计与双轴智能倾角传感器监测。自动监测系统安装、调试完毕后，进入电脑软件界面，可查询并打印各个监测点任何时段的应力应变情况（图2）。

本工程脚手架搭拆及使用全程，各项监测数据正常，满足安全使用要求。

3.4 结论

（1）脚手架的稳定性承载能力与架体高度有关，与宽高比无关。

（2）连墙件的设置对高排脚手架的安全稳定至关重要，剪刀撑对架体抗倾覆作用不大，但对提高架体整体稳定承载能力作用很大[6]。

（3）采用测量仪器、应力及位移传感器或声发射传感器等监测方法，能够较好实现脚手架安全的准确监测。

4 结束语

脚手架工程属于高危工程，脚手架搭拆专项方案正式实施前务必进行安全稳定性验算，验算通过后，方可组织施工。在脚手架搭设、使用及拆除全程，须进行安全监测，选用先进的应力-应变自动监测系统，一方面，能够提升监测数据的准确性，实现24 h自动连续监测、超限报警，另一方面，可以减少人力投入，减轻监测作业强度，降低施工成本，值得类似脚手架工程借鉴参考。

参考文献

[1] 韩伟伟，丘华生，陈立煌.高陡边坡支护扣件式脚手架的安全与施工技术[J].住宅与房地产，2018，26（31）：77-80.

[2] 施秉华.脚手架的倾覆与稳定计算[J].施工技术，1999，30（8）：532-535.

[3] 杜荣军.脚手架结构的稳定承载能力[J].施工技术，2001，30（4）：1-5.

[4] 張厚先.用ANSYS分析扣件式钢管脚手架的承载性状[J].武汉理工大学学报，2010，32（1）：166-168.

[5] 应志君，徐双武等.边坡施工采用超高层钢管脚手架安全性能研究[J].四川建筑科学研究，2012，16（4）：092-095.

[6] 蒋洪宁.扣件式钢管脚手架设计计算的几点讨论[J].建筑安全，2006，12（2）：102-104.

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