Study on the Mechanical Characteristic and Safety Measures of Bowl-scaffold
Abstract
The Cuplok Steel Tubular Scaffolding (hereinafter referred to as Bowl-scaffold) is an important temporary facility in bridge construction, which is widely used in the overpass bridge, viaduct and other long-span constructions. But its importance is often overlooked, because compared with the whole project, the Bowl-scaffold is only a temporary facility and its quantity is limited. In recent years several serious collapses have taken place in China which occurred in accident-prone scaffold areas. Therefore, its stability and safety should attract more attention. The mechanical characteristics of the Bowl-scaffold is deeply researched through the analysis of scaffolding features, the node status, the type and distribution of load and the arrangement of the bars. Then, based on the mechanical characteristics analysis and on-site construction work, the factors that affect the stability and bearing capacity of the scaffoldings are analyzed. At last, measures ensuring the bearing capacity, stability and safety are put forward from design to construction.
Keywords: Bowl-scaffold, mechanical, safety, measure
1. Introduction
The Cuplok steel tubular scaffolding (hereinafter referred to as Bowl-scaffold) is widely promoted in China in recent years. The Bowl-scaffold is assembled and disassembled easier and faster, which has strong versatility, simple manufacturing and transportation processes and high carrying capacity. So it is widely used in bridges, buildings, tunnels and other construction projects. Because the amount of members and nodes is huge, so there are lots of influencing factors on stability. The position and time the risks taking place is more random. The risk probability is larger. The safety control of Bowl-scaffold is hard.
In recent years, many accidents resulting in significant casualties and property damage have taken place, which is caused by Bowl-scaffold collapse. These accidents have attracted more attention from scholars. The Bowl-scaffold has special constructs which is different from other supporting scaffoldings. So the study on mechanical characteristics and factors affecting the carrying capacity and stability of Bowl-scaffold is the premise of safety control and accident prevention.
2. Structure and mechanical characteristics of Bowl-scaffold
2.1. Structure characteristics of Bowl-scaffold
The Bowl-scaffold is a versatile bracket system absorbing foreign advanced technology and according to our actual situation. Its uniqueness lies in the original bowl type connector with teeth, robust three-way mechanical strength and self-locking function. Its main components include the vertical bar, cross bar, joints of cross bar, top bowl, bottom bowl, locating dowel pin. The bottom bowl and pin are welded to the vertical bar, the joint is welded to the cross bars ends. The top bowl is set on the vertical bar which can move up and down along the bar (its construct is shown in Fig.1). The vertical and horizontal bars are connected firmly together by screwing the top bowl which stick to the pin after the cross bar joints are insert in the bowls. Up to four cross bars can be installed at one node.
1. Vertical bar 2.top bowl 3. Locating dowel pin
4. Bottom bowl 5.cross bar 6.cross bar joint
Fig.1 The construct of Bowl-scaffold members
2.2. Mechanical characteristics of Bowl-scaffold
- Ideally, nodes of the Bowl-scaffold are close to rigid connection. But actually, the cross bars are clamped with the vertical bar. The stiffness of node is related to the quality of bowls, joints of cross bar and quality of installation. The stiffness of each node is different.
- In the members of Bowl-scaffold, the vertical bar is the mayor load bearing member. The cross bar and diagonal stay ensure the geometric invariance of the scaffolding.
- Load on scaffolding is very heavy, complicated and variable. Especially in bridge construction, the scaffolding would bear the weight of concrete, template, steel bar, construction facilities, personnel and other dynamic load. The distribution and value of these loads is not even. The dynamic effect of some loads is obvious.
- Ideally, there is none axis deviation of bars in one line. But in construction, it actually exists because of initial defects due to manufacturing deviations and bending damage during use.
- The Bowl-scaffold is prone to local buckling. Instability of crucial part may lead to entire collapse. Most of the collapses were caused by local buckling, and when the collapse take place, the stress of most members have not reach the limit design strength.
- There are lots of factors influencing the distribution of stress of members, for example, the uneven settlement of foundation.
2.3. Advantages and disadvantages
Advantages
Versatile: according to the specific requirements of construction, consisting of groups of different frame sizes, shapes, and the carrying capacity of a single, double scaffolding, cage, support columns, lifting frame materials, construction equipment, climbing scaffolding, cantilever racks and other features. It can also be used to build facilities shed, feed shed, lighthouse and other structures. It is particularly suitable for the erection of scaffolding and heavy support frame surface.
Efficacy: Common longest rod for 3130MM, heavy 17.07KG. Entire frame cannibalize faster than conventional 3 to 5 times faster, fight demolition rapid effort, workers used a hammer to complete all the work, to avoid the inconvenience caused by the bolt operation;
Versatility: The main components are made of ordinary steel tubular and the pipe can be used to connect
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研究碗支架的机械特性及安全对策
摘要
此碗扣式钢管脚手架（以下简称碗支架）是在桥梁建设中，被广泛用于立交桥，高架桥等大跨度桥结构的一个重要的临时设施。然而人们往往忽视了它的重要性，是因为与整个桥梁建设项目相比，碗支架只是一个临时设施而且它的数量也是有限的。近年来，在中国的一些地区，多发生由于脚手架事故造成的严重坍塌的大事件。因此，碗支架的稳定性和安全性应该引起更多中国人的关注。本文通过了解脚手架的特性，节点状态，类型和负载的分布情况与杆的布置情况，对碗支架的机械特性进行了深入的分析和研究。然后，基于该机械特性的分析和现场施工状况，对影响棚架的稳定性和承载能力的诸多因素进行了分析。最后，提出了从设计到施工，以确保碗支架的承载能力，稳定性和安全性的措施。
关键词：碗支架，机械，安全，措施
- 简介
在最近几年内，此碗扣式钢管脚手架（以下简称碗支架）在中国被广泛的推广。由于碗支架的支架组装和拆卸过程更加方便快捷，具有很强的通用性，而且具有简单的制造运输过程和较高的承载能力，因此，它被广泛应用于桥梁，建筑工程，隧道等建设项目。由于其成员和节点的数量是巨大的，所以有很多的对稳定性影响的因素，其使用时发生风险的位置和时间也是比较随机的，而且其发生风险的概率较大。总言之，碗支架的安全控制是十分困难的。
近年来，由于碗脚手架坍塌造成的人员伤亡和财产损失的意外发生显著增多。这些事故吸引了更多的学者关注。支架具有与其他配套脚手架不同的特殊结构。因此，研究机械特性和影响碗支架的承载能力和稳定的因素是安全控制和事故预防的前提。
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碗脚手架的结构和机械特点
- 碗支架结构特点
碗扣节点结构合理，力杆轴向传力，使脚手架整体在三维空间、结构强度高、整体稳定性好、并具有可靠的自锁性能，能更好的满足施工安全的需要。
脚手架组架形势灵活，适用范围广 根据施工要求，能组成模数为0.6m的 多种组架尺寸和载荷的单排、双排脚手架、支撑架、物料提升脚手架等多功能的施工装备、并能做曲线布置，又可在任意高差地面上使用，根据不同的负载要求， 可灵活调整支架间距。
碗扣脚手架各构件尺寸统一、搭设的脚手架具有规范化、标准化的特点，适合于现场文明施工；由于碗扣与杆件为一整体，避免了散件的丢失磨损费用， 便于现场管理。
减轻了劳动强度 装拆功效高，作业强高低，接头装拆速度比常规脚手架快2-3倍，工人仅需 一把小铁锤便可完成全部作业，可降低劳动强度0.5倍。
维护简单，由于碗扣式脚手架完全避免了螺栓作业，无意丢失散件、构件轻便、牢固、经碰经磕、一般锈蚀不影响装拆作业，维护简单，运输方便。
降低成本，可利用现有扣件式钢管脚手架进行装备改造，大大降低更新成本。
碗支架是一种吸收国外先进技术，并依据了我们实际情况的多用途的支架系统。其独特之处在于，原碗型连接器结合了牙齿，健壮三通机械强度和自锁功能。其主要成分包括竖杆，横杆，顶碗，碗底部的关节和定位销。底盆和销被焊接到竖杆，接头被焊接到横杆端部。顶碗被设置在其可沿杆上下移动（其构建体示于图1）的垂直杆上。垂直和水平杆通过粘在横杆接头针后并插入在碗中的螺纹顶端牢固地结合连接在一起。而且可以在一个节点安装多达四个横杆。
1.垂直杆 2.顶碗 3.定位销 4.底碗 5.横梁 6.交叉杆接头
图1碗支架构件的结构
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- 碗支架的力学特性
- 在理想的情况下，碗支架的节点接近刚性连接。但实际上并非如此，横杆被竖杆夹住，节点的刚度不仅与碗和横杆有关，更和安装接头的质量有关。因此，每个节点的刚度是不同的。
- 在碗支架的组成成员中，竖杆是相当于市长级别的承载件。脚手架的几何不变性是通过横杆和对角线的所处位置来确保的。
- 一般来说，脚手架上的负载是非常沉重的，复杂的和可变的。特别是在桥梁施工时，脚手架将承担包括混凝土，模板，钢筋，建筑设施，人员和其他动态负载的总重量。然而，这些载荷的分布情况和重量值大小甚至都不相等。一些负载的动态效果更是显而易见的。
- 在理想情况下，同一条直线上，杆不会有同轴度误差。但在施工建设中，因为由于杆的制造偏差，以及使用时弯曲损伤造成的初始缺陷，致使同轴度误差确实存在，无法避免。
- 此碗支架很容易出现局部的屈曲变形。其重要组成部分的不稳定性有可能导致整个系统的崩溃。因而大多数的崩溃都是由局部屈曲变形引起的，而当崩溃发生时，大多数组成成员的应力都没有达到设计强度的上限值。
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影响元件应力分布的因素还有许多，例如，结算基础的不均匀性等因素。
- 优缺点
优点
多功能：能根据具体施工要求，组成不同尺寸的组架、形状和承载能力的单、双排脚手架，支撑架，支撑柱，物料提升架，爬升脚手架，悬挑架等多种功能的施工装备。也可用于搭设施工棚、料棚、灯塔等构筑物。特别适合于搭设曲面脚手架和重载支撑架。
功效：常用杆件中最长为3130MM，重17.07KG。整架拼拆速度比常规快3～5倍，拼拆快速省力，工人用一把铁锤即可完成全部作业，避免了螺栓操作带来的诸多不便；
通用性强：主构件均采用普通的扣件式钢管脚手架，可用扣件同普通钢管连接，通用性强。
承载力大：立杆连接是同轴心承插，横杆同立杆靠碗扣接头连接，接头具有可靠的抗弯、抗剪、抗扭转力学性能。而且各杆件轴心线交于一点，节点在框架平面内，因此，结构稳固可靠，承载力大（整架承载力提高，约比同等清况的扣件式钢管脚手架提高15%以上）。
安全可靠：接头设计时，考虑到上碗扣螺旋摩擦力和自重力作用，使接头具有可靠的自锁能力。作用于横杆上的荷载通过下碗扣传递给立杆，下碗扣具有很强的抗剪能力(最大为199KN)。上碗扣即使没被压紧，横杆接头也不致脱出而造成事故。同时配备有安全网支架，间横杆，脚手板，挡脚板，架梯，挑梁，连墙撑等杆配件，使用安全可靠。主构件用Phi;48times;3.5、Q235焊接钢管，制造工艺简单，成本适中，可直接对现有扣件式脚手架进行加工改造。不需要复杂的加工设备。
不易丢失：该脚手架无零散易丢失扣件，把构件丢失减少到最小程度。
维修少：该脚手架构件消除了螺栓连接，构件经碰耐磕。一般锈蚀不影响拼拆作业，不需特殊养护、维修；
管理：构件系列标准化，构件外表涂以橘黄色。美观大方，构件堆放整齐，便于现场材料管理，满足文明施工要求。
运输：该脚手架最长构件3130MTM，最重构件40.53KG，便于搬运和运输。
缺点
横杆为几种尺寸的定型杆，立杆上碗扣节点按0.6M间距设置，使构架尺寸受到限制。
- 影响碗支架承载能力和稳定性的因素
研究影响碗支架的承载能力和稳定性的因素对正确评估其承载能力，消除安全隐患，避免安全事故的发生来说非常重要。根据碗脚手架的特性，这些因素可分为三种类型：设计，安装和服务环境。
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- 设计因素
- 负载的计算
对脚手架上负载大小的影响因素，可分为静载荷和动载荷。静载荷包括上部结构的重量，而上部结构的重量又包括新浇筑的混凝土的自重，钢筋的自重，模板的自重和脚手架的自重，其中脚手架的自重又包括各种杆，脚踏板，扶手，以及其他附加组件的重量。动载荷包括人员的重量，各种设备的重量，混凝土捣固时的振动载荷，风荷载，等等。
对于静载荷来说，可以实施分步计算，并且结果总是准确的。然而动载荷往往难以把握，因为在桥梁施工建设中，材料，设备和其它设施始终会被拉上模板，但是在被拉上模板的过程中，它们的位置和重量不能被精确地估计，并且工人将在模板上移动，其位置也不能固定。在大桥的施工建设中，脚手架还可能遭受力量超强甚至无法准确估计的大风的侵袭。
- 结构因素
影响碗支架承载能力和稳定性的主要因素，包括竖杆的跨度，横杆的步距，顶部竖杆的自由长度，第X-支撑的结构和支架的高度。
由于碗支架主要承担的载荷是轴向载荷，所以竖杆是主要的承载部件。在一个固定负载的情况下，垂直杆的跨度越短，则分担给每个杆承受的载荷就越少，承载支架的承载能力就越高。而横杆的步距越长，压缩杆的计算长度就更长，这是负面的，不利的。由于顶部竖杆的一端是自由的，因此，一旦它的长度超过了限定值，那么很容易引起负载下的不稳定。
用于桥梁建设时的碗支架和那些用来建筑施工时的碗支架不同，因为它没有连接到墙壁的元素。为了确保碗支架稳定的几何不变性，X支撑架是很重要的。如果没有X支撑架，那么支架的承载能力将会减少到高达50％。因此，垂直的X支架的数量必须得到保证。除了沿着脚手架的最外集需要安放X支架外，X支撑架中的横截面设置和水平段的分配也是非常重要的。
当宽度是固定值的时候，如果高度超过极限值，则很难确保整体的稳定性和抗倾覆能力。
- 结构验算
目前，可以用两种方法来检查该碗支架：一般方法和有限元法。
基于代码这种易于应用的一般计算方法，是非常简单的。但它却不能计算出每一个部分的压力，只有仅在负载下的最不利的杆的压力才可以被计算出来。同时，为了使计算更加简单，负载，结构的形式和部件的边界条件都需要简化。但是，这种简化未必能反映出碗支架的实际状态。
随着计算机技术的发展，有限元法在结构分析中起着一个显著的作用。在计算过程中，仿真节点的计算是非常重要的。由于碗支架节点与夹具和管支架的节点不同。碗形支架的节点通常被认为是在刚性连接和铰接连接之间的半刚性连接。其关节的僵硬程度影响着杆的边界条件，而且会控制轴向力的计算和杆弯曲度的大小。模拟X-支撑也很重要，因为支撑是几何不变的重要保证。如何正确的模拟支撑，将会影响计算结果的准确度。
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- 安装因素
安装因素是做出碗脚手架设计的真理。安装质量的好坏直接影响着其承载能力和稳定性。
- 几何尺寸，质量，人员伤害程度是安全性和承载能力的最根本的决定因素
- 安装质量
作为大量与地面接触的杆，很难准确地模拟由于地基不均匀沉降带来的影响。在检查碗支架的承载能力时，地基的沉降被认为是均匀的，或者仅与特殊检查任务的关键部分有关。而对于地基的处理却是支架的很重要的承载能力计算的部分。
在安装过程中，顶碗的紧固程度影响着节点的刚度，进而影响整体的刚性和碗支架的稳定性。一些刚度的较弱节点，会使结构失去几何不变性，然后引起局部的不稳定。
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- 服务环境
在桥梁施工建设中，大多的材料和设备始终被堆在脚手架的模板上，这些重量始终是沉重的和集中的，这样就很容易导致局部失去稳定性。当混凝土被浇注在模板上时，由于冲击载荷和振动载荷对混凝土的捣固，也会明显影响支架的稳定性。
环境的影响也是不容忽视的，尤其是对其安全性和稳定性的影响。如果基础设施没有硬化，那么由积水引起的不均匀沉降的基础，将会成为影响稳定性的主要因素之一。对于使用全支架施工方法建造的位置高且跨度大的桥梁，强风将会是一个对它安全性来说最严重的威胁。
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安全性和稳定性的控制措施
- 设计注意事项
- 脚手架设计时必须遵循的基本原则，即安全性比经济性更为重要
- 尽可能在施工过程和储备足够安全空间的过程中，全面考虑静态载荷和动态载荷两方面。
- 支架的设计检查必须通过严格的计算来进行。且部件的密度必须满足承载能力和稳定性的要求。靠近支架的顶部和底部的成员数量应该适当的增加。确保杆的长度从顶部的最高水平到底部的距离是小于0.7m的，以便防止顶棒屈曲变形。
- 更值得关注的是X-支撑架的重要性。无论是在轮廓，还是在横截面的设置中，都应使X-支撑的空间足够小。当支架具有较大的高度时，X-支撑就成了必要的水平截面，以确保碗支架的几何不变性。而当高度大于20m或高度与宽度的高宽比大于6时，对应水平杆的步距应适当的减小。
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检查计算是非常重要的。没有进行设计和验算就直接安装支架是被禁止的。
- 在安装过程中的安全措施和服务
- 安装质量必须符合设计的要求。垂直杆的连接应在不同的层面上错开，以确保在同一行上杆的轴向偏离距离要小于编码的要求，且与X支撑连接的竖杆应尽可能的多。轴承的基础承载能力应达到设计的要求。必须设置排水系统。
- 安装好后的支架如正在服务时，应该保证竖杆的底部不松动。非专业人士不得故意拆除和松动成员。不应把风力电缆绑在竖杆上，以确保模板可以支撑甚至加载。当在模板上倾倒混凝土时，要避免混凝土与模板的剧烈撞击。应按照设计要求的顺序来倾倒混凝土，不得随意的改变浇注顺序，以避免影响碗支架的稳定性。建筑的负载不得超出支架的极限承载能力过多。在混凝土浇筑过程中，应该派遣专业人士来监视该支架的承载情况。一旦成员有松动或有明显的变形时，施工浇筑工作必须立即停止，解决方案必须尽快找到并执行。当重型设备在模板上移动时，应仔细地监测脚手架的受力承载状况。
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在中国，进行桥梁施工建设时，对于支架的安全控制还在起步阶段。但它的重要性值得更多的关注。它总共包括四个部分：计算和分析，监测，模式整改，安全评估和预警。其中现场监测可以通过变形和应力的双重控制的
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