脚手架结构的极限状态分析

1)承载能力极限状态  结构或结构构件达到其最大承载能力或出现不适于继续承载的变形的某一特定的状态。对于建筑工程结构,当出现下列状态时,即认为超过了承载能力极限状态:

①整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡(如倾覆等);

②结构构件或连接节点构造的承载因超过材料的强度而破坏(包括疲劳)或因出现过度的塑性变形而不适于继续承载;

③结构转变为机动体系;

④结构或构件丧失稳定(如压屈等)。

2)正常使用极限状态  结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值的特定状态。对于建筑工程结构,当出现下列状态之一时,即认为超过了正常使用状态;

①影响正常使用的外观的变形;

②影响正常使用的耐久性能的局部损坏(包括裂缝);

③影响正常使用的振动;

④影响正常使用的其他特定状态。

对于建筑脚手架结构(包括使用脚手架材料组装的支撑架)来说,由于对构架杆配件的质量和缺陷都作了规定,且在出现正常使用极限状态时会有明显的征兆和发展过程,有时间采取相应措施而不会出现突发性事故。因此,在脚手架设计时一般不考虑正常使用极限状态,而主要考虑其承载能力极限状态。

在上述4种承载能力极限状态中,倾覆问题可通过加强结构的整体性和附墙拉结来解决(对拉结件进行抗水平力作用的计算);转变为机动体系的问题也可用合理的构造(如加设适量的斜杆和剪刀撑)来解决而不必计算。因此应考虑的是强度和稳定的计算。而脚手架整体或局部丧失稳定破坏是脚手架破坏的主要危险所在,因而是最主要的设计计算项目。

对于结构的各种极限状态,均应规定或给予明确的标志或限值,即给定或预先规定用以量度结构的可靠度的可靠指标。

结构在规定的时间内和规定的条件下完成预定功能(即设计要求)的概率,称为结构的可靠度。它是结构可靠性的概率量度,并采用以概率理论为基础的极限状态设计方法确定。在各种因素的影响下,结构完成预定功能的能力不能事先确定,只能用概率来描述,这是从统计数学出发的、比较科学的方法。

能够完成预定功能的概率称为“可靠概率”(ps),不能完成预定功能的概率为“失效概率”(pf),pspf=1。pspf都可以用来度量结构的可靠性,而一般习惯于采用后者。但计算pf比较复杂,需要通过多维积分,因而采用可靠指标β来代替pf具体量度结构的可靠性。

pf和β的计算式由结构的“极限状态方程”(ZRS=0,Z为结构的功能函数,S为作用效应,R为结构抗力)导出。设RS均为正态变量,则Z亦为正态变量。

β和pf的对应关系列入表5-3中。可以看出,β愈大,pf愈小,结构愈可靠,故称β为“可靠指标”。

注:I级重要建筑物,破坏后果很严重;

II级一般建筑物,破坏后果严重;

III级次要建筑物,破坏后果不严重。

脚手架结构的安全等级采用三级。

由于“概率极限状态设计法”中所涉及的作用效应和抗力值等都是以大量的统计数据为基础并经过概率分析后确定的,而对于各种脚手架结构来说,虽然也作了一些工作,但远远达不到用概率理论确定它的数据的程度。为了与现行建筑结构规范的计算理论和方法衔接,以便可以利用它们的计算方法和有关适合的数据。因此,就必须给脚手架的计算穿上概率极限状态设计的“外衣”,而所用的计算方法实际上仍是半理论和半经验的,有待以后继续积累数据,向真正的极限状态设计法过渡。

因此,建筑脚手架结构可靠度的校核方法规定为:按概率极限状态设计法计算的结果,在总体效果上应与脚手架使用的历史经验大体一致。亦即按新方法设计的脚手架结构,如按原《工业与民用建筑荷载规范》(TJ9-74)、原《薄壁型钢结构技术规范》(TJ18-75)和原《木结构设计规范》(GBJ5-73)进行安全度校核,其单一安全系数应满足下列要求:

强度计算                           K≥1.5;

稳定计算                           K≥2.0。

当不能满足上述要求时,主要应通过调整材料强度附加分项系数γm(γ'a、γ't、γ'b)来解决。必要时,也可采取其他有效措施(调整构架结构、卸载等)。