浅谈斜拉式悬挑外脚手架设计

浅谈斜拉式悬挑外脚手架设计○沈伟（浙江省嘉兴市建筑业管理处）○李锦燕（浙江省嘉兴市巨匠建设有限公司）[引言]高层建筑施工，外脚手架为施工中的一大难点，一般都需采用悬挑外脚手架。悬挑外脚手架施工难度较大，对设计计算要求较高，按其受力型式分为斜撑式、悬臂式、斜拉式、及以上几种的复合式等。其中斜拉式悬挑外脚手架能发挥材料的力学性能，较为经济合理，但施工难度较大。我们施工的某综合楼工程采用斜拉式悬挑外脚手架，现已竣工，下面简单介绍一下，供大家互相交流。[关键词]悬挑，斜拉式，外脚手架，设计，搭设一、工程概况某综合楼工程总建筑面积69300M2，分ABCDEF六个区，C区主楼地下二层，地面二十八层，总高近百米；AB区裙房地下一层，地面四层；DEF区无地下室，地面四层；是一座集商贸、娱乐、服务为一体的大型综合广场。二、脚手架方案选型因工程有地下室，其外脚手架很难等回填土完成后再施工；如果直接由基底向上搭设脚手架则后道工序土方回填时无法拆除脚手架,造成施工困难。经反复研究及讨论，决定：①、ABC区采用悬挑脚手架，自二层楼面开始悬挑向上搭设，立杆横距1.0m纵距1.5m以内，步距1.8m。裙房仅一段悬挑，主楼分五段悬挑，用[12槽钢及φ12.5钢丝绳（6×19）和M20花篮螺栓组成的拉索悬挑。②、DEF采用双排钢管扣件落地式脚手架，立杆横距1.0m，纵距1.8m以内，步距1.8m,搭设按常规要求。采用此方案，一方面解决了地下室深基坑回填与脚手架搭设之间的矛盾；另一方面，也提供了较多的施工场地，解决了施工场地狭窄这一难题。三、主楼C区悬挑外脚手架计算书（节选）1、脚手架基本参数：脚手架总高约98m，底层架子待装修时由地面搭设，以上全部采用悬挑，共分五层，分别为二层楼面（5.900m）、六层楼面（22.950m）、十二层楼面（42.450m）、十八层楼面（61.950m）、二十四层楼面（81.450m）。脚手架步距1.8m，纵距1.5m，横距1.0m。2、荷载计算：按照JGJ130-2001《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（以下简称《规范》）要求，按最不利情况计算。内侧隔步加设防护栏杆及内封闭，最大搭设高度11步（19.8m），脚片层层满铺，外挂密目式安全网，荷载计算如下：①、外立杆恒载标准值：立杆钢管1.8×38.4＝69.12N大横杆1.5×2×38.4＝115.2N小横杆0.65×38.4＝24.96N栏杆及踢脚杆1.5×2×38.4＝115.2N剪刀撑1.5×1.414×2×38.4/5＝32.58N（折算至每步每跨）直角扣件5×13.2＝66N对接扣件（4×1.5＋1.8）/5×18.4＝28.70N（钢管统一按5m长折算）回转扣件2/5×14.6＝5.84N（剪刀撑用，折算至每步每跨）竹笆脚片1.5×0.5×45＝33.75N（自重参考《建筑安全》2002年第5期）安全网1.5×1.8×2＝5.4N（自重参考《建筑安全》2002年第5期）外立杆每步恒载合计：496.75N外立杆恒载合计：NGK外＝496.75N×11＝5464N＝5.464KN②、内立杆恒载标准值：（内栏杆、踢脚杆及内封闭按隔步设置计）立杆钢管1.8×38.4＝69.12N大横杆1.5×2×38.4＝115.2N小横杆0.85×38.4＝32.64N栏杆及踢脚杆1.5×2×38.4/2＝57.6N（按隔步设置计）内封闭大横杆1.5×38.4/2＝28.8N（按隔步设置计）直角扣件（3＋2/2+1/2）×13.2＝59.4N对接扣件（3.5×1.5＋1.8）/5×18.4＝25.94N（钢管统一按5m长折算）竹笆脚片（0.5＋0.35/2）×45＝30.38N（内封闭按隔步设置计）内立杆每步恒载合计：419.08N内立杆恒载合计：NGK内＝419.08N×11＝4610N＝4.610KN③、内、外立杆活载标准值（按粉饰施工荷载2.0KN/㎡，同时施工两层计）:NQK＝0.5×1.5×2×2＝3.0KN④、荷载设计值：外立杆：N外＝1.2×5.464＋1.4×3.0＝10.76KN内立杆：N内＝1.2×4.610＋1.4×3.0＝9.73KN3、挑脚手架设计计算:①、大横杆抗弯计算及小横杆抗弯计算略。②、立杆稳定性计算，取底步外立杆（因外立杆受力较大，且需考虑风荷载）,连墙件按二步二跨设置：An＝5980㎜2（取值参考《建筑安全》2002年第4期）Aw＝10000㎜2（取值参考《建筑安全》2002年第4期）φ＝1.2An/Aw＝0.72（《规范》表4.2.4注2）μs＝1.3φ＝0.936（《规范》表4.2.4）μz＝2.02（GBJ9《建筑结构荷载规范》B类地区，90m高度）ωo＝0.45KN/㎡（GBJ9《建筑结构荷载规范》嘉兴地区）ωk＝0.7μsμzωo＝0.7×0.936×2.02×0.45＝0.60KN/㎡Mw＝0.85×1.4Mwk＝0.85×1.4ωkLAh2/10＝0.85×1.4×0.60×1.5×1.82/10＝0.35KN·mMW/W＝0.35×106/(5.08×103)＝68.90MPa连墙件按二步二跨设置，查《规范》表5.3.3得μ＝1.5k＝1.155h＝1.8mLo＝kμh＝1.155×1.5×1.8＝3.12m工程采用φ48脚手钢管，查《规范》附录表B得i＝1.58㎝A＝4.89㎝2λ＝L0/i＝3.12×102/1.58＝197.47查《规范》附录表C得:φ＝0.185N外/(φA)＝10.76×103/(0.185×4.89×102)＝118.94MPaN外/(φA)＋MW/W＝118.94＋68.90＝187.84MpA＜f＝205MPa立杆稳定性满足要求。③、按稳定性计算脚手架最大搭设高度（考虑风荷载,取外立杆）：因地区规定，标化工地每步均须铺设脚手片，故与《规范》中的受力情况有所不同，NG2K每步均有，可并入gk考虑，其中gk＝NGK外/（11×1.8）＝5.464/（11×1.8）＝0.276KN/m故公式（5.3.6-2）：1.2Hsgk＝φAf－[1.2NG2K＋0.85×1.4(∑NQK＋φAMWk/W)]可改为：1.2Hsgk＝φAf－0.85×1.4(∑NQK＋φAMWk/W)Hs＝[φAf－（0.85×1.4∑NQK＋0.85×1.4φAMWk/W）]/1.2gk∵0.85×1.4MWk/W＝MW/W＝68.90MPa∴Hs＝[0.185×489×205－(0.85×1.4×3.0×1000＋0.185×489×68.90)]/(1.2×0.276×1000)＝26.40m[H]＝Hs/（1＋0.001Hs）＝26.40/（1＋0.001×26.40）＝25.72m即脚手架最大搭设高度为25.72m，本工程搭设高度为19.8m，满足要求。④、连墙件计算（每二步二跨设一连墙件，以100m高度处进行计算），采用φ20钢筋埋入混凝土内，钢管上钻φ22孔销接，钢管与两根立杆用扣件连接：A、受力情况计算：An＝5980㎜2Aw＝10000㎜2φ＝1.2An/Aw＝0.72μs＝1.3φ＝0.936μz＝2.09(B类地区，100m高度)ωo＝0.45KN/㎡ωK＝0.7μsμzωo＝0.616KN/㎡Nlw＝1.4ωKAw＝1.4×0.616×3.6×3.0＝9.31KNNo＝5KNNl＝Nlw＋No＝9.31＋5＝14.31KNB、扣件抗滑移验算：采用两个扣件与立杆相连，Rc＝8×2＝16KN＞14.31KN,满足要求。C、连接钢筋抗剪验算：τ＝Nl/A＝14.31×103/(3.14×202/4)＝45.57MPa＜fv＝120MPa连接钢筋满足要求。D、钢管净截面强度验算：σ＝Nl/（A-2dt）＝14.31×103/(489－2×22×3.5)＝42.72MPa＜f＝205MPa钢管强度满足要求。⑤、外挑结构验算：受力简图如图，采用[12槽钢作钢梁，φ12.5钢丝绳（6×19）作吊杆，楼层层高3.25m，吊杆与钢梁夹角为23.305°。A、槽钢抗弯验算(按简支梁计算)：N外＝10.76KNN内＝9.73KNMmAx＝(9.73×0.4/1.4)×1.0＝2.78KN·m选用[12槽钢，Wx＝61.7㎝3σ＝MmAx/Wx＝2.78×106/(61.7×103)＝45.06MPa＜f＝205MPa满足要求。B、吊杆计算：F＝N/Cos23.3050＝(N外＋N内×0.4/1.4)/Cos23.3050＝(10.76＋9.73×0.4/1.4)/0.918＝14.75KN选用φ12.5钢丝绳（6×19），参照《建筑施工手册》第三版，查表21-2得Fg=114.5KN，查表21-5得a=0.85，查表21-6得K=6[Fg]＝aFg/K＝0.85×114.5/6＝16.22KN＞F＝14.75KN,满足要求。四、脚手架设计及构造要点1、悬挑架结构型式为槽钢梁加斜拉索组成的外挑结构。槽钢采用[12，安全系数4以上；斜拉索为φ12.5钢丝绳（6×19），安全系数6.5以上（钢丝绳安全系数6）。即中间如有一根吊索因意外原因断开仍能保证安全要求。槽钢及吊索于低应力状态下工作，其应变较小，能满足脚手架刚度要求。悬挑结构构造措施如图。2、连墙件为保证脚手架可靠受力的关键因素，因按计算要求，单个扣件抗滑移不够，故采用连墙钢管与脚手架内外两根立杆扣件连接，钢管与建筑物采用钢管上钻洞与预埋钢筋销接，以提高连接强度（构造如图）。在常规做法中，采用短钢管与内立杆扣件连接，因单个扣件抗滑移仅为8KN，而连墙件约束脚手架平面外变形所产生的轴向力按《规范》要求为5KN，即仅有3KN可用于抵抗风荷载引起的轴向力，一般情况下是难以实现的，特别是对于高层建筑，此种构造无法满足计算要求。3、因高层脚手架承受风荷载较大，脚手架的平面外刚度对保证其可靠受力相当重要，故自十八层楼面开始，每一悬挑段第九步上加设连续的水平斜撑，以增加架体整体刚度。（如图）五、使用效果评价本工程现已竣工，脚手架使用过程中，经历了夏季暴风雨的洗礼，未出现不安全状况，实践证明此种形式的脚手架是安全可靠的。斜拉式悬挑脚手架较其它斜撑式、悬臂式等悬挑脚手架大大节约了一次性投入成本，并且悬挑用具回收及重复利用率较高。下面是一个立杆间距的悬挑用具费用情况对比：项目纯悬挑斜撑式斜拉式水平梁[16，17.23㎏/m×3.5m×3.8元/㎏＝229.16元[12，12.31㎏/m×2m×3.8元/㎏＝116.95元[12，12.31㎏/m×2m×3.8元/㎏＝116.95元斜撑无[12，12.31㎏/m×3.5m×3.8元/㎏＝163.72元无拉索无无钢丝绳13.2元，绳卡10.8元，花篮螺栓15.3元，计39.3元其它材料固定钢梁钢筋约计17.8元固定钢梁钢筋及预埋件约计19.5元固定钢梁钢筋及吊钩约计18.5元人工5元15元12元小计251.96元315.17元186.75元本工程共计悬挑5层，每层立杆124档，采用斜拉式悬挑脚手架较纯悬挑式节约投资约40430元，较斜撑式节约投资约79620元，经济效益较为可观。纯悬挑式脚手架受力状况较为不合理，每层荷载由一层楼面承担，对楼面结构要求较高；斜撑式脚手架现场电焊工作量较大，施工较为不方便。斜拉式脚手架技术要求较高，须保证节点按方案要求连接可靠；拉杆需避开脚手架杆件并拉紧，以免影响受力性能；对管理要求较高，须定期重点检查拉杆张紧程度。通过严密的设计、精心的施工、有效的管理，斜拉式脚手架施工中需注意的问题均可得到解决，使其能在满足安全的前题下得到推广使用，发挥其经济效益。参考文献：[1]《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ130—2001）[2]《建筑施工手册》第三版[3]杜荣军：“有关正确理解和应用《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》设计计算规定的几个问题”，载于《建筑安全》2002年第4、5期。[4]周忠玉、陈同存：“按《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》进行设计计算初探”，载于《建筑安全》2002年第