腳手架設(shè)計與高職建筑力學(xué)教學(xué)中的知識點銜接探討

黃 薇

(重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，重慶 402160)

腳手架設(shè)計與高職建筑力學(xué)教學(xué)中的知識點銜接探討

黃 薇

(重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，重慶 402160)

結(jié)合高職院校建筑工程技術(shù)專業(yè)《建筑力學(xué)》課程的現(xiàn)狀，為提高學(xué)生對力學(xué)知識的運用能力，在課程中增設(shè)了腳手架設(shè)計內(nèi)容。針對腳手架設(shè)計涉及到的相關(guān)知識點，以腳手架設(shè)計計算為線索，主要分析了在設(shè)計中涉及到的多個力學(xué)知識點和結(jié)構(gòu)設(shè)計常識問題，為相關(guān)課程教學(xué)及改革提供參考。

高職院校；腳手架設(shè)計；建筑力學(xué)；教學(xué)改革

0 引言

高職院校建筑工程專業(yè)的建筑力學(xué)課程包含理論力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)三部分的內(nèi)容，公式較多、知識點廣，初學(xué)者學(xué)習(xí)難度大。為幫助學(xué)生加深對課程知識的理解，提升運用力學(xué)相關(guān)知識對構(gòu)件和結(jié)構(gòu)進行受力分析的能力，在課程后期增設(shè)了腳手架設(shè)計內(nèi)容，要求學(xué)生完成一個簡單的扣件式鋼管落地式腳手架設(shè)計[1]。通過腳手架設(shè)計，讓學(xué)生復(fù)習(xí)鞏固：荷載、彎矩、剪力、撓度、穩(wěn)定性等幾個重要的力學(xué)知識點，并且學(xué)習(xí)到相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計常識，從而加深對專業(yè)知識的理解。

1 腳手架設(shè)計與建筑力學(xué)及相關(guān)課程的關(guān)聯(lián)

在腳手架設(shè)計中，要求學(xué)生查閱相應(yīng)規(guī)范，運用建筑力學(xué)課程中荷載、抗剪、抗彎、穩(wěn)定性、撓度等知識進行計算。而設(shè)計中涉及到的大多數(shù)知識，在《建筑力學(xué)》課程中都各自以章節(jié)呈現(xiàn)，多而且散，學(xué)生歸納、運用起來不太容易；還有少數(shù)知識點，例如荷載效應(yīng)組合、取值等，是《建筑結(jié)構(gòu)》課程的內(nèi)容，再如腳手架的構(gòu)造及搭設(shè)基本規(guī)則，在《建筑施工》中才介紹，這些課程都在《建筑力學(xué)》之后開設(shè)，但相關(guān)知識在腳手架設(shè)計中會用到，需要給予補充講解。特別是腳手架安全技術(shù)規(guī)范中的多數(shù)設(shè)計計算內(nèi)容，既來源于力學(xué)知識，又與工程實際相結(jié)合，更需要給學(xué)生一定的引導(dǎo)。

2 腳手架設(shè)計的主要知識點闡述

從腳手架設(shè)計計算的內(nèi)容上講，主要包括：大小橫桿受彎強度計算；扣件抗滑承載力計算、立桿穩(wěn)定性計算；連墻件計算；立桿地基承載力計算[2]。

從腳手架設(shè)計應(yīng)用的知識點看，主要涉及到：平面體系的幾何組成分析、彎矩計算、撓度計算、軸力計算、壓桿穩(wěn)定性計算、截面模量(抵抗矩)、地基承載力計算、恒荷載與活荷載荷載標(biāo)準(zhǔn)值、風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計算等。

下文以知識點分類為線索，進行重點探討：

2.1 腳手架構(gòu)造

圖1 落地扣件式鋼管腳手架基本構(gòu)造示意圖

熟悉腳手架的基本構(gòu)成是設(shè)計的第一步，結(jié)合《建筑施工》課程，補充介紹腳手架的基本構(gòu)造和搭設(shè)要求。如圖1[3]，逐一講解：立桿、縱向水平桿、橫向水平桿、剪刀撐、橫向支撐、掃地桿、連墻件、墊板、底座等構(gòu)造的基本概念及主要作用；腳手架搭設(shè)高度、寬度、立桿步距、立桿橫距、連墻件的布置。讓學(xué)生明確各構(gòu)件的基本作用，例如：剪刀撐可以增強腳手架的穩(wěn)定性和整體剛度；掃地桿連接在立桿下端，能夠約束立桿下端的移動；立桿垂直于地面，承受施工荷載和自重，并將其通過底座和墊板傳給地基。

通過構(gòu)造知識的補充，讓學(xué)生查閱規(guī)范，自行確定出符合要求的腳手架基本構(gòu)造設(shè)置，例如：鋼管采用直徑48.3mm、壁厚3.6mm的焊接鋼管(根據(jù)參考文獻[3]，直徑48mm鋼管具有使用性能好的特點[3])，立桿的縱距1.5m，立桿橫距1.1m，立桿步距1.8m，內(nèi)排腳手架距離結(jié)構(gòu)0.3m等。

2.2 幾何組成分析

腳手架由多根桿件相互連接組成，用于支撐腳手架自重和施工中的荷載。設(shè)計出的腳手架必須能保持結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定狀態(tài)。回顧《建筑力學(xué)》中結(jié)構(gòu)力學(xué)部分“結(jié)構(gòu)計算簡圖與平面體系的幾何組成分析”章節(jié)，復(fù)習(xí)幾何不變體系的簡單組成規(guī)則：二元體規(guī)則、兩剛片規(guī)則、三剛片規(guī)則。引導(dǎo)學(xué)生運用這些規(guī)則分析設(shè)計的腳手架是否穩(wěn)定，判斷設(shè)計的腳手架是否為幾何不變體系，有無多余約束。

2.3 鋼管截面的幾何性質(zhì)

慣性矩、慣性半徑、抗彎截面系數(shù)等截面的幾何性質(zhì)，在《建筑力學(xué)》“平面幾何性質(zhì)”章節(jié)中介紹過，圓環(huán)的慣性矩I=π(D4-d4)/64，抗彎截面系數(shù)(截面模量)W=π(D4-d4)/32D，其中D為外徑，d是內(nèi)徑。腳手架鋼管截面的幾何性質(zhì)需要在后續(xù)計算過程中用到，可以由公式計算出，或者根據(jù)參考文獻[3]，如表1得來。

表1 腳手架鋼管截面的幾何特性

從表中可知，計算中常用的幾何性質(zhì)：鋼管腳手架的截面面積A=5.06 cm2=506mm2，慣性矩I=12.71cm4=127100mm4，截面模量W=5.26 cm3=5260mm3。

2.4 荷載參數(shù)及荷載取值

荷載是腳手架設(shè)計的一個關(guān)鍵知識點，在以往力學(xué)課程中，曾經(jīng)講述過集中荷載、線荷載、面荷載、體荷載。回顧這些知識后，可以直接引導(dǎo)學(xué)生查閱規(guī)范和相關(guān)資料，確定出設(shè)計的基本荷載參數(shù)。例如：雙排腳手架自重標(biāo)準(zhǔn)值0.13KN/m，木腳手板自重0.35KN/m2，施工均布活荷載3KN/m2，吊掛的安全網(wǎng)等安全措施荷載0.005KN/m2。

但是，在力學(xué)課程中沒有涉及到：風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計算、荷載標(biāo)準(zhǔn)值與荷載設(shè)計值的關(guān)系、荷載組合等問題，需要另外補充《建筑結(jié)構(gòu)》課程中相應(yīng)的知識點。

第一，按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》公式wk=μz·μs·wo講述風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的概念，由式中基本風(fēng)壓wo，風(fēng)荷載高度變化系數(shù)μz，風(fēng)荷載體形系數(shù)μs確定出風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值。

第二，解釋標(biāo)準(zhǔn)值與設(shè)計值的關(guān)系。荷載和材料都有設(shè)計值和標(biāo)準(zhǔn)值，由于荷載是隨機變量，實際荷載值有超過荷載標(biāo)準(zhǔn)值的可能，所以在荷載標(biāo)準(zhǔn)值的基礎(chǔ)上乘以一個大于1的調(diào)整系數(shù)，得到荷載設(shè)計值；與荷載設(shè)計值不同，對材料而言，由于材料材質(zhì)的不均勻、施工偏差等原因，會導(dǎo)致材料強度不穩(wěn)定，將材料強度標(biāo)準(zhǔn)值除以一個大于1的系數(shù)，得到材料強度設(shè)計值。即：荷載標(biāo)準(zhǔn)值<荷載設(shè)計值，材料強度標(biāo)準(zhǔn)值>材料強度設(shè)計值。

第三，介紹承載力極限狀態(tài)下荷載的基本組合：①由可變荷載效應(yīng)起控制作用的組合，②由永久荷載效應(yīng)控制的組合。荷載效應(yīng)組合的設(shè)計值從兩者中取最不利值。

根據(jù)參考文獻[3] ，根據(jù)荷載的最不利組合取值，荷載組合宜按照表2取值。

表2 荷載效應(yīng)組合

在腳手架立桿穩(wěn)定計算時，①在不考慮風(fēng)荷載時，永久荷載+施工均布活荷載，立桿的軸向壓力設(shè)計值N=1.2(NG1K+NG2K)+1.4ΣNQK，②在考慮風(fēng)荷載時，永久荷載+0.9(施工均布活荷載+風(fēng)荷載)，立桿的軸向壓力設(shè)計值N=1.2(NG1K+NG2K)+0.9×1.4ΣNQK。NG1K+NG2K=NGK表示永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值，NQK表示可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值。組合計算得到的荷載設(shè)計值都大于標(biāo)準(zhǔn)值。

與荷載設(shè)計值不同，在計算地基承載力設(shè)計值fg時，也需要將其承載力標(biāo)準(zhǔn)值fgk乘以相應(yīng)的系數(shù)kc，即：fg=kcfgk。因為立桿基礎(chǔ)(底座、墊板)通常置于地表，地基承載力容易受到外界因素影響而下降，應(yīng)采用調(diào)整系數(shù)kc對地基承載力進行折減，以保證腳手架安全，所以，通常情況下kc≤1，計算出的地基承載力設(shè)計值會小于其標(biāo)準(zhǔn)值。對回填土地基，應(yīng)將地基承載力特征值乘以調(diào)整系數(shù)0.4。

2.5 抗彎強度、撓度的計算

大橫桿(縱向水平桿)和小橫桿(橫向水平桿)都需要計算抗彎強度和撓度，由兩者的位置繪圖，再進行受力分析。根據(jù)參考文獻[3]，大橫桿宜按照三跨連續(xù)梁進行計算，小橫桿宜按簡支梁計算。

如果按照本文的圖1“落地扣件式鋼管腳手架基本構(gòu)造示意圖”，小橫桿在大橫桿的上面。小橫桿按簡支梁計算，如圖2、圖3所示。小橫桿受到的均布荷載q按照小橫桿的自重標(biāo)準(zhǔn)值、腳手板荷載標(biāo)準(zhǔn)值、活荷載標(biāo)準(zhǔn)值計算。跨中最大彎矩值為Mmax=ql2/8，正應(yīng)力σmax=Mmax/Wz。

圖2 簡支梁受均布荷載示意圖

圖3 簡支梁受均布荷載的彎矩圖

小橫桿下是大橫桿，大橫桿宜按照三跨連續(xù)梁進行計算。受力簡圖如圖4，有集中力和均布荷載。

圖4 大橫桿受力示意圖

三跨連續(xù)梁的手算較復(fù)雜，可直接給學(xué)生介紹《建筑結(jié)構(gòu)》中的“建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計靜力計算常用表”，查表進行計算。由參考文獻[4]節(jié)選出表3。

對圖4的荷載情況，由表3中1、4項的內(nèi)力系數(shù)可知，三跨布滿均布荷載時的最大彎矩值是Mqmax=0.08ql2，三跨的每跨跨中有集中荷載時的最大彎矩值是MFmax=0.175Fl，由這兩者組合計算彎矩值Mmax，然后計算出最大正應(yīng)力σmax=Mmax/Wz，再將與腳手架鋼管的強度值[σ]比較，若σmax≤[σ]則滿足要求。由參考文獻[3]，Q235鋼的抗拉、抗壓和抗彎強度設(shè)計值為205N/mm2，取[σ]=205 N/mm2。

表3 等截面三跨連續(xù)梁在常用荷載下的內(nèi)力系數(shù)表

最大撓度值的計算與彎曲強度相似，先計算出撓度v，然后進行比較，如果v≤[v]則符合要求。

2.6 立桿穩(wěn)定性計算

壓桿穩(wěn)定的概念、實用計算在《建筑力學(xué)》中已經(jīng)給學(xué)生講解過，穩(wěn)定條件是σ=F/A≤φ[σ]。參考文獻[3]中(5.2.6-1)式和(5.2.6-2)式給出了不考慮風(fēng)荷載和考慮風(fēng)荷載下的立桿穩(wěn)定計算方法，即：

不考慮風(fēng)荷載時，立桿是受壓構(gòu)件；考慮風(fēng)荷載時，立桿一方面受豎向荷載，一方面受橫向的風(fēng)荷載，屬于壓彎構(gòu)件。在計算時，先查表或計算求得：軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)φ，長細比λ，計算長度lo，截面回轉(zhuǎn)半徑i，立桿截面面積A，立桿段由風(fēng)荷載設(shè)計值產(chǎn)生的彎矩MW，鋼材的抗壓強度設(shè)計值f等值，再分是否考慮風(fēng)荷載進行計算，若σ≤f則立桿穩(wěn)定滿足要求。

2.7 其他計算

扣件抗滑力計算、最大搭設(shè)高度計算、連墻件計算、立桿地基承載力計算、腳手架配件數(shù)估算等計算不復(fù)雜，參考相關(guān)文獻由學(xué)生自學(xué)。

3 結(jié)語

在腳手架設(shè)計中，把建筑力學(xué)中截面的幾何性質(zhì)、彎曲強度、撓度計算、穩(wěn)定性分析、壓桿穩(wěn)定等知識進行歸納，再引入荷載組合、標(biāo)準(zhǔn)值與設(shè)計值等幾個結(jié)構(gòu)設(shè)計概念，就完成了從單一的力學(xué)知識到腳手架設(shè)計的整體銜接。通過這一過程，不僅把建筑力學(xué)中的大部分知識點匯總起來做了一個很好的復(fù)習(xí)，還依托腳手架安全技術(shù)規(guī)范引導(dǎo)學(xué)生把力學(xué)知識用于工程實踐，加深學(xué)生對理論知識的理解和領(lǐng)悟，在學(xué)習(xí)中完成質(zhì)的飛躍。

[1]黃薇.淺談腳手架設(shè)計在高職建筑力學(xué)教學(xué)改革中的運用[J].職業(yè)教育,2016,(23):20.

[2]筑龍網(wǎng).模板與腳手架工程施工方案范例精選[J].中國電力出版社,2008:32.

[3]JGJ 130-2011.建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范[S].

[4]曹長禮.建筑結(jié)構(gòu)[J].西南交通大學(xué)出版社，2008.

(編輯 文新梅)

Discussion on the Connection of Design of Scaffold and Knowledge points in the Teaching of Architectural Mechanics in Higher Vocational Colleges

HUANG Wei

(Department of Architectural Engineering, Chongqing Water Resources and Electric Engineering College, Chongqing 402160, China)

Combining with the present situation of the course of architectural mechanics of the construction engineering specialty in higher vocational colleges, in order to improve the students’ ability to apply the knowledge of mechanics, the design of the scaffold is added in the course. According to the relevant knowledge of scaffold, taking design and calculation of scaffold as clues, mainly analyze some mechanics knowledge and design knowledge in the design issues involved, to provide reference for related courses and teaching reform.

higher vocational college; design of scaffold design; architectural mechanics; teaching reform

2017-02-20

重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級教改項目，項目編號：2015022。

黃薇(1985- )，女。工程碩士，工程師、講師。研究方向：土木工程施工、結(jié)構(gòu)工程、防災(zāi)減災(zāi)工程及防護工程。

G712

B

1672-0601(2017)03-0053-05