胎架计算分析

胎架破坏形式分析

大量工程实践表明，胎架的破坏主要是立杆失稳导致脚手架坍塌，包括整体失稳和局部失稳。整体失稳破坏时，立柱与水平杆组成的空间框架结构顺惯性矩较小的弱轴平面内呈大波鼓曲现象，各排立柱的鼓曲方向一致，失稳曲线的半波长度大于步距。局部失稳破坏时，立柱在步距之间发生小波鼓曲，鼓曲方向可能在立柱与水平杆组成的2个方向的竖向平面内，也可能沿任意方向，失稳曲线的半波长度接近等于步距。

从胎架构造形式分析，当以相等的步距、柱距、排距搭设时，立柱的局部承载力高于整体承载力，但胎架的长宽比较为接近，平面接近于正方形而不是长条形时，二者承载力值应相差不多。当胎架搭设时步距、柱距有变化，局部的脚手架较稀疏时，立柱受荷不均则容易发生局部失稳破坏。

从受力状态分析，胎架主要承受钢桁架等结构的自重，结构往往通过千斤顶、枕木等传力给胎架，此时胎架的受力面积较小，荷载传递集中在局部，而其他作为施工操作面的地方荷载相对较小，胎架整体受力不均匀，易发生局部失稳破坏的情况，因此施工中应尽量加大荷载传递至胎架的接触面积。

无论哪种破坏，胎架的承载能力主要由立杆决定，立杆的承载能力由其整体或局部失稳时的临界荷载决定。

胎架计算的特殊性

胎架是由水平杆、立杆组成的多层多跨框架结构，立杆稳定计算问题，实际上是一个节点为半刚性的空间框架稳定计算问题，但和一般的框架相比其特殊点是：

（1）构架的不严格性。胎架的构造型式、尺寸参数和杆件设置常随应用对象和施工要求的不同而变化，有时需要局部改变杆件设置：它的搭设也不像工程结构那样严格地按照设计图纸施工，在搭设中又常常由于各种原因，例如施工人员认识不足、要求不严，架设材料供应不足，操作工人的经验和主观意见等而改变构架参数，例如整架或局部地改变构件尺寸、随意减少杆件等。而基础和立杆支垫不好和立杆偏斜过大的情况较为普遍地存在。这些情况的存在，都将导致脚手架的设计计算依据与施工的实际情况不符，甚至差别显著。

（2）节点性能的差异性。连接杆件的扣件节点，在荷载作用下具有相当的抗转动能力，是一种半刚性节点。其刚性与扣件的质量和拧紧程度密切相关，也直接影响到胎架的结构刚度。在一定扭力矩范围内(<50 N·m)，扭力矩愈大则脚手架节点刚性愈强，承载能力也可相应得到提高，试验证明，扣件螺栓拧紧扭力矩达40~50N·m时，脚手架节点才具有必要的和稳定的抗转动刚度。

（3）结构和材料缺陷的难控性。脚手材料是周转使用工具，在反复搭设、使用、拆除、运输和存放的过程中，会使其杆配件产生程度不同的损伤，如锈蚀、弯曲变形、连接件裂纹、螺栓滑扣等，难以严格控制和消除上述这些初始缺陷和使用过程中出现的变化。

（4）荷载的变异性。胎架的结构静载和施工活荷载分布情况的变化较大，局部荷载集中和受力偏心较大的情况较为普遍，不容易严格掌握和控制 。

船体用的胎架，是在船体制造时作为分段外模用。 它是根据放样台中的船体肋骨线型，按所要装配的分段外形复制而成。船体外形多数带有曲型， 胎架既可保证这些曲型分段的线型符合设计要求， 又能改善装焊条件和扩大自动、半自动焊的使用范围。对于中下型船舶，胎架是船体建造中的一种主要工艺设备。

采用胎架制造分段能保证船体线型的光顺，应胎板的线型与分段外板的线型一致，装配时只需将外板紧贴在胎板上，就能得到正确的线型。在分段装配时，有胎架作依据，拼板焊接后变形较小，在安装骨架时方便正确，从而可改善施工条件，提高装配质量。另外，由于胎架制造时可选取合理的基面，使分段焊缝的坡度最小，从而能充分利用自动焊及半自动焊，提高了焊接质量，加快了建造进度。

胎架可分为专用胎架，通用胎架及专供焊接与翻身用的回转胎架及摇摆胎架等多种。下面具体介绍他们的性能及用途。

胎架专用胎架

专用胎架仅适用于一分段。这种专用胎架（图4中的a ）有的用整料组成，较正规，胎架刚性强，坚固耐用，但制造时要求高，费材料，适用于军品或成批的产品。图4中的b 是利用废旧型材和边角料制成框架式的简易胎架。 图4中的c 是用废旧型材或管柱组成支柱式的简易胎架。这两种胎架的特点是在保证一定的刚度的饿基础上， 结构简单， 制造修改方便， 成本低，对于单件生产的船舶均较适用。

胎架通用胎架

通用胎架对各种分段的适用性强，使用面也广，其形式较多，下面仅介绍两种。

（1） 框架式通用胎架：由框架与活络胎板所组成，见图5。这种框架根据特定船型选择四种角度，即30°、60°、40°、50°，其中30°与60°、40°与50°是做在一框图架上的。 角度框架的斜向角铁上开有螺孔，供连接胎板及调节胎板高低用。

（2） 支柱式通用胎架：由许多可根可调节高度的支柱所组成。胎架线型不需要用样板划线，而是直接以坐标型值定出。支柱由内外两根不同口径的管子套接而成，在内外管上个按不同间距钻有数排销孔，以便按胎架型值调节支柱的高度后，用销轴插入相应的销孔中加以固定（图6）。这种胎架在每装一只不同分段时，须将胎架支柱按分段型值调整一次。随着电子技术的应用于造船工业，使胎架的支柱能自动调整，即各支柱的高度值是用数学放样秘得的型值，制成纸带，通过数控装置来调整。支柱的高低可用油压千斤顶或螺旋千斤顶进行传动调节。通用胎架具有较高的经济性，很有发展前途。

胎架是一种金属结构， 其组成形式有两种：

（1）框架式结构的胎架： 即由型钢和钢板组合而成，见图1。每档肋距或间隔一档肋距设置一块胎板，由若干胎板组成一只胎架。从图1中看出，为了使胎板与分段外板的接触面积小而又能紧贴，并使分段在焊接时有自由收缩的可能，则胎板的曲面均做成凹凸锯齿形。但这样的胎板需要用整块的钢板割出，材料不经济，修正曲面所花的时间也多，故都利用废旧的边角料，并在角钢上面间隔排列小块胎板（如图2），以代替凹凸锯齿形胎板，同时能起到锯齿形胎板的作用，而且用料既省，修正曲面所花工时也较少。

（2）支柱式结构的胎架： 如图3所示，支柱式结构的胎架用角钢或管柱组成。 每档肋位应竖角钢的根数， 可根据结构情况而定。这种胎架的结构用料省，制造方便，但制造曲面较大的分段，线型较难保证。

1.《上塔柱钢筋节段的组拼方法》其特征在于，其包括以下步骤：

（1）搭设互相独立的拼装胎架（Ⅰ）和拼装胎架（Ⅱ），并且预拼装由一个钢锚梁和一对钢牛腿组成的组合结构；

（2）在所述拼装胎架（Ⅰ）中拼装位于底层的基准钢筋节段；

（3）在所述拼装胎架（Ⅰ）中在拼装好的所述基准钢筋节段上拼装上层钢筋节段；

（4）把所述拼装胎架（Ⅰ）上的上层钢筋节段迁移至所述拼装胎架（Ⅱ），并且作为拼装胎架（Ⅱ）中位于底层的基准节段，然后将所述拼装胎架（Ⅰ）中的基准钢筋节段起吊移出所述拼装胎架（Ⅰ）；

（5）在所述拼装胎架（Ⅱ）中的基准钢筋节段上拼装该拼装胎架（Ⅱ）的上层钢筋节段；

（6）把所述拼装胎架（Ⅱ）中的上层钢筋节段迁移至拼装胎架（Ⅰ），并且作为拼装胎架（Ⅰ）中位于底层的基准钢筋节段，然后将所述拼装胎架（Ⅱ）上的基准钢筋节段起吊移出所述拼装胎架（Ⅱ）；

（7）依次重复执行上述步骤（3）～（6），直至完成所有钢筋节段的组拼；

其中，所有所述钢筋节段包含所述组合结构。

2.如权利要求1所述的上塔柱钢筋节段的组拼方法，其特征在于：所述拼装胎架（Ⅰ）和拼装胎架（Ⅱ）分别包括承重结构和竖立在该承重结构上的定位结构；所述定位结构包括布置在中央位置的由钢支墩制成的内支架和布 置在该内支架四周的由钢管制成的外支架。

3.如权利要求2所述的上塔柱钢筋节段的组拼方法，其特征在于：所述拼装胎架（Ⅰ）中位于底层的基准钢筋节段、所述拼装胎架（Ⅰ）中的上层钢筋节段及所述拼装胎架（Ⅱ）的上层钢筋节段的拼装步骤为：（a）在相应的拼装胎架（Ⅰ）或拼装胎架（Ⅱ）上依次叠放相应钢筋节段的第一层钢支墩、第一层组合结构、第二层钢支墩和第二层组合结构；（b）搭设包围所述两层组合结构的劲性骨架；及（c）以所述劲性骨架为模版焊接该相应钢筋节段的钢筋。

4.如权利要求2或3所述的上塔柱钢筋节段的组拼方法，其特征在于：所述钢支墩的顶端设有千斤顶。

5.如权利要求3所述的上塔柱钢筋节段的组拼方法，其特征在于，步骤（4）和（6）中，所述底层或上层钢筋节段迁移时将其拆分为两个部分：包含所述劲性骨架、钢筋和第二层组合结构的第一部分，以及包含第一层组合结构的第二部分。

6.如权利要求3所述的上塔柱钢筋节段的组拼方法，其特征在于：所述第二层组合结构中的钢锚梁替换为与该钢锚梁外轮廓尺寸相同的钢桁架。

7.如权利要求6所述的上塔柱钢筋节段的组拼方法，其特征在于：所述钢桁架与第一层组合结构中的钢锚梁以角钢相连接。

8.如权利要求7所述的上塔柱钢筋节段的组拼方法，其特征在于，步骤（4）和（6）中，所述底层或上层钢筋节段迁移时将其拆分为两个部分：包含所述劲性骨架、钢筋、第二层组合结构和第一层组合结构的钢牛腿的第一部分，以及包含第一层组合结构的钢锚梁的第二部分。

9.如权利要求5或8所述的上塔柱钢筋节段的组拼方法，其特征在于，所述底层或上层钢筋节段的第一部分和第二部分分别设有起吊结构，所述第一部分的起吊结构分别布置在所述劲性骨架的顶端的四角和所述钢锚梁或钢桁架顶端的框架结构上；所述第二部分的起吊结构布置在其钢锚梁的框架结构上。

10.如权利要求9所述的上塔柱钢筋节段的组拼方法，其特征在于：步骤（4）和（6）中，所述基准钢筋节段起吊移出拼装胎架（Ⅰ）或（Ⅱ）后，还包括将该基准钢筋节段在索塔进行拼接安装的步骤。

11.如权利要求10所述的上塔柱钢筋节段的组拼方法，其特征在于：所述基准钢筋节段在索塔进行拼接安装时，还包括将所述钢桁架替换为钢锚梁的步骤。

实施例一

拼装胎架的结构

参考图2和图3，为方便施工作业，将拼装胎架Ⅰ和拼装胎架Ⅱ搭设为一整体结构，两者共用一个承重的平台，其中，拼装胎架Ⅰ和拼装胎架Ⅱ结构相同，每个拼装胎架包括承重结构11、铺设在该承重结构11上的承重平台12和竖立在该承重平台12上的定位结构13；所述定位结构13包括布置在相应拼装胎架的中央位置的内支架和布置在所述内支架四周的外支架131。如图4所示，钢筋节段在所述外支架131包围的空间内进行拼装；该实施例中的所述内支架由钢支墩制成，该钢支墩随着钢筋节段的拼装而逐层叠加设置，因此，该拼装胎架Ⅰ和Ⅱ处于备用状态时，其内支架部分尚未安装（如图2和图3所示）。

实施例二

上塔柱钢筋节段的组拼过程

如图1所示的斜拉桥索塔的上塔柱05包含用于锚固斜拉索的钢锚梁和钢牛腿结构，因此，该上塔柱05的浇筑需要同时考虑钢锚梁和钢牛腿的安装。

参考图5A～5D，利用所述拼装胎架Ⅰ和拼装胎架Ⅱ，该发明的上塔柱钢筋节段的组拼方法的具体流程如下：

（1）搭设拼装胎架Ⅰ和拼装胎架Ⅱ；预拼装由一个钢锚梁211和一对钢牛腿212组成的组合结构。

根据施工场地的地面情况，适当调整所述承重结构11的结构，以保证所述定位结构13保持水平状态。在钢筋节段的拼装工序的准备阶段，所述拼装胎架Ⅰ和Ⅱ的内支架位置留空（如图2和图3所示）。

该领域技术人员知晓，排列在索塔上塔柱05上的若干个由一个钢锚梁211和一对钢牛腿212组成的组合结构21用于锚固整座斜拉桥的斜拉索（如图5A所示）；在一般的施工流程中，会将所述组合结构21进行预拼装，以提高施工效率及安装精度。

（2）在所述拼装胎架Ⅰ上拼装第一钢筋节段2A。

所述第一钢筋节段2A的拼装步骤具体为：

（2.1）在所述拼装胎架Ⅰ的承重平台12上，根据所述组合结构21的尺寸，设置第一层钢支墩132a（作为承重平台12上的最底层的钢支墩）；该第一层钢支墩132a的布置位置需要考虑到在钢筋节段拼装的过程中所述第一钢筋节段2A和第二钢筋节段2B的重量；

（2.2）在所述第一层钢支墩132a的上方，设置第一层组合结构21a（如图5A所示）；

（2.3）在所述第一层组合结构21a的上方，依次叠加第二层钢支墩132b和第二层组合结构21b，其中，所述第二层钢支墩132b的顶端设有用于调节第二层组合结构21b水平位置的千斤顶1321；

（2.4）在所述两层钢支墩和两层组合结构的四周搭设该第一钢筋节段2A的第一劲性骨架22a，将所述第一劲性骨架22a与第一层组合结构21a及第二层组合结构21b进行临时固定；

（2.5）以所述搭设好的第一劲性骨架22a为模版，在该第一劲性骨架22a的内表面和外表面焊接该第一钢筋节段2A的钢筋，以形成第一钢筋笼23a。

（3）在所述拼装胎架Ⅰ上以所拼装好的所述第一钢筋节段2A为基准节段，在该基准节段上拼装第二钢筋节段2B。

所述第二层钢筋节段2B的拼装步骤和第一钢筋节段2A的相似：首先，在所述第一钢筋节段2A的第二层组合结构21b的上方，依次叠加第三层钢支墩132c、第三层组合结构21c、第四层钢支墩132d以及第四层组合结构21d（如图5B所示）；然后，搭设包围所述两层钢支墩和两层组合结构的第二劲性骨架22b；最后，以所述搭设好的第二劲性骨架22b为模版，在该第二劲性骨架22b的内表面和外表面焊接该第二钢筋节段2B的钢筋，以形成第二钢筋笼23b（如图5C所示）。

（4）将拼装好的第二钢筋节段2B从所述第一钢筋节段2A上拆除。

考虑到起吊的重量，所述第二钢筋节段2B将拆分成两部分，其中，第一部分包含第二劲性骨架22b、第二钢筋笼23b和第四层组合结构21d，第二部分包含第三层组合结构21c（如图5D所示）。

（5）将从所述第一钢筋节段2A上拆除后的第二钢筋节段2B吊装至所述拼装胎架Ⅱ。

为了便于所述第二钢筋节段2B拆卸后的两个部分可以通过起吊装置进行移动，所述第一部分和第二部分分别设有起吊结构。参考图6，所述第一部分的起吊结构24布置在所述第二劲性骨架22b的顶端的四角，以及对称布置在所述第四层组合结构21d的钢锚梁211的框架结构上，即至少设置四个起吊结构24；所述第二部分由于只包含所述第三层组合结构21c，因此起吊结构直接布置在该第三层组合结构21c的钢锚梁211的框架结构上。

（6）将所述第一钢筋节段2A起吊移出所述拼装胎架Ⅰ。

所述第一钢筋节段2A参照前述的拆分方式将其拆分为两部分，依次起吊移出所述拼装胎架Ⅰ。进一步地，起吊移出所述拼装胎架Ⅰ的第一钢筋节段2A被继续起吊至索塔进行拼装工序。

（7）在所述拼装胎架Ⅱ上以所述第二钢筋节段2B为基准节段拼装下一个钢筋节段。

所述第二钢筋节段2B的第一部分和第二部分依次起吊移出所述拼装胎架Ⅰ后，还需要将该两部分在拼装胎架Ⅱ上重新组装，以形成完整的第二钢筋节段2B，由此已经做好作为基准节段的准备；根据所述步骤（3）叙述的方法拼装下一个钢筋节段。

（8）依次重复执行上述步骤（4）～（7），直至完成所有钢筋节段的组拼。

实施例三

上塔柱钢筋节段的组拼过程（使用钢桁架）

参考图7～11，该实施例与实施例二所描述的上塔柱钢筋节段的组拼步骤的不同之处在于：所述第二层组合结构21b和第四层组合结构21d的钢锚梁211替换为与该钢锚梁211外轮廓尺寸相同的钢桁架213，即将组合结构21替换为钢桁架型组合结构21’。

如图7～9所示，以第一钢筋节段2A为例，所述钢桁架213替代了原来第二层组合结构21b的钢锚梁211。如图7所示，该钢桁架213一方面减轻了该第一钢筋节段2A的整理重量，另一方面为所述第二层组合结构21b的钢牛腿212提供定位场所。该钢桁架213安装时，还需要设置与下方的第一层组合结构21a相配合的辅助定位结构，包括连接该钢桁架213与第一层组合结构21a的钢锚梁211的角钢214，以及填塞在所述角钢214和钢锚梁211之间的间隙内的枕木215（参见图9）。

进一步地，利用所述钢桁架213的上塔柱钢筋节段的组拼方法的具体流程如下：

（1）搭设拼装胎架Ⅰ和拼装胎架Ⅱ；预拼装两种组合结构：由一个钢锚梁211和一对钢牛腿212组成的组合结构21；由一个钢桁架213和一对钢牛腿212组成的组合结构21’。

（2）在所述拼装胎架Ⅰ上拼装第一钢筋节段2A。

所述第一钢筋节段2A的拼装步骤具体为：

（2.1）在所述拼装胎架Ⅰ的承重平台12上，参照实施例二所述的方法，依次叠加第一层钢支墩132a、第一层组合结构21a、第二层钢支墩132b和第二层组合结构21b，其中，所述第一层组合结构为所述组合结构21，所述第二层组合结构为所述组合结构21’；

（2.2）在所述两层钢支墩和两层组合结构的四周搭设该第一钢筋节段2A的第一劲性骨架22a，所述第一劲性骨架22a与第一层组合结构21a及第二层组合结构21b进行临时固定；

（2.3）以所述搭设好的第一劲性骨架22a为模版，在该第一劲性骨架22a的内表面和外表面焊接该第一钢筋节段2A的钢筋，以形成第一钢筋笼23a。

（3）在所述拼装胎架Ⅰ上以所拼装好的述第一钢筋节段2A为基准节段，在该基准节段上拼装第二钢筋节段2B。

所述第二层钢筋节段2B的拼装步骤和第一钢筋节段2A的相同，所述第二层钢筋节段2B包括第三层钢支墩132c、第三层组合结构21c、第四层钢支墩132d以及第四层组合结构21d，还包括搭设在所述两层钢支墩和两层组合结构四周的第二劲性骨架22b，以及以所述搭设好的第二劲性骨架22b为模版形成第二钢筋笼23b（如图10所示）。

（4）将拼装好的第二钢筋节段2B从所述第一钢筋节段2A上拆除。

考虑到起吊的重量，所述采用了钢桁架213的第二钢筋节段2B也拆分成两部分：第一部分包含第二劲性骨架22b、第二钢筋笼23b、第四层组合结构21d和第三层组合结构21c的钢牛腿212，第二部分包含第三层组合结构21c的钢锚梁211（如图11所示）。

（5）将从所述第一钢筋节段2A上拆除后的第二钢筋节段2B吊装至所述拼装胎架Ⅱ。

（6）将所述第一钢筋节段2A起吊移出所述拼装胎架Ⅰ。

所述第一钢筋节段2A参照前述第二钢筋节段2B的拆分方式将其拆分为两部分，依次起吊移出所述拼装胎架Ⅰ。进一步地，起吊移出所述拼装胎架Ⅰ的第一钢筋节段2A被继续起吊至索塔进行拼装工序。再进一步地，所述第一钢筋节段2A在索塔上拼装时，还包括将所述钢桁架213替换为钢锚梁211的步骤。

（7）在所述拼装胎架Ⅱ上以所述第二钢筋节段2B为基准节段拼装下一个钢筋节段。

（8）依次重复执行上述步骤（4）～（7），直至完成所有钢筋节段的组拼。

实施例四

工效分析对比

在使用该发明的上塔柱钢筋节段的组拼方法的索塔段，与常规施工工艺相比较，该发明的方法的施工工期明显缩短。具体时间表如下：

一、常规施工工艺进行索塔单一节段的施工工效分析

二、该发明的工艺进行索塔单一节段的施工工效分析

综上所述，该发明的上塔柱钢筋节段的组拼方法有效提高索塔安装的施工效率、也有效提高了施工质量，同时保证了施工安全。