高層住宅落地式腳手架附墻安全支撐施工技術(shù)研究

落地式腳手架是可以直接固定在地面上的架型結(jié)構(gòu)主體，其作為重要的工程施工保障平臺(tái)，與其它承壓式結(jié)構(gòu)相比，具有相對(duì)較強(qiáng)的荷載變異性。按照所屬搭建位置的不同，落地式腳手架可分為里腳手架、外腳手架兩大類；按照構(gòu)造形式的不同，則可分為爬式腳手架、立桿式腳手架、挑式腳手架、橋式腳手架、懸吊式腳手架、門(mén)式腳手架等多種類型[1]-[2]。在保持附墻支撐的施工狀態(tài)下，落地式腳手架的扣件連接節(jié)點(diǎn)一般采用半剛性元件結(jié)構(gòu)，且節(jié)點(diǎn)剛性能力實(shí)際數(shù)值受到安裝質(zhì)量、扣件質(zhì)量等多個(gè)條件的限制，在實(shí)際操作過(guò)程中，剛性節(jié)點(diǎn)的支撐性能也存在較大差異。

國(guó)內(nèi)關(guān)于落地腳手架結(jié)構(gòu)的研究起源于上世紀(jì)60年代，而以英、日、法為代表的其他國(guó)家在上世紀(jì)70年代前后就已經(jīng)制定出了完整的腳手架應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。他們認(rèn)為，這種架式形態(tài)結(jié)構(gòu)滿足“單元集合”的力學(xué)承載條件，可通過(guò)計(jì)算復(fù)支撐力學(xué)指標(biāo)的方式，然而傳統(tǒng)扣件式鋼管腳手架對(duì)高層住宅復(fù)雜形體結(jié)構(gòu)的適應(yīng)能力有限，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)附著升降架體的穩(wěn)定支撐。為解決此類問(wèn)題，本文對(duì)附著受力進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)高層住宅落地式腳手架附墻安全支撐施工技術(shù)方案，并通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式，分析落地式腳手架支撐性能。

1.高層住宅腳手架靜力、動(dòng)力特性分析

高層住宅腳手架的靜力及動(dòng)力特性條件由支撐載荷、振動(dòng)方程、有限元邊界條件三部分組成，具體分析計(jì)算方法如下：

1.1 支撐載荷

為實(shí)現(xiàn)落地式腳手架的安全性附墻支撐，附著架體立桿間的縱向距離不得超過(guò)1.5m、橫向距離不得超過(guò)1.05m，相鄰縱桿、橫桿間的步距實(shí)值也必須小于1.5m。按照實(shí)際層高高度來(lái)計(jì)數(shù)，連墻桿豎直間距水平需要保持在4.5m-5.0m之間，也就是常說(shuō)的“每層三跨”施工技術(shù)。按照高層住宅的形體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置，為保證附墻安全施工的有效性，首排腳手架立桿的實(shí)際位置必須低于落地支撐線，整個(gè)底部立桿則采取不同長(zhǎng)度鋼管參差布置的搭建方式，利用鋼管立桿間的接頭交錯(cuò)布置原理，使相鄰橫桿間的高度方向相互錯(cuò)開(kāi)達(dá)到500mm，且要求同一區(qū)域內(nèi)的架體接頭必須處于不同跨度分區(qū)環(huán)境中[3]-[4]。

設(shè)ξ代表架體立桿間的縱向距離實(shí)值，α代表架體立桿間的橫向距離實(shí)值代表底部鋼管的長(zhǎng)度平均值，聯(lián)立上述物理量，可將地式腳手架的支撐載荷量表示為：

1.2 振動(dòng)方程

與支撐載荷及其他靜力有限元條件一樣，架體振動(dòng)方程建立必須選取固定的單元位移模式，也就是在腳手架外測(cè)立面的首端和尾端各設(shè)置一道獨(dú)立的剪刀撐結(jié)構(gòu)。為獲取最大化的附墻穩(wěn)定性支撐系數(shù)，該結(jié)構(gòu)必須由架體底部延續(xù)至頂部單元。出于安全性考慮，相鄰兩道豎直剪刀撐之間的凈距離數(shù)值不得大于15m。通常情況下，剪刀撐斜桿宜采用搭接的連接形式，相距1m的架體之間至少應(yīng)保留2個(gè)旋轉(zhuǎn)扣件，以實(shí)現(xiàn)腳手架與墻體之間的固定性支撐[5]。在腳手架負(fù)重的情況下，剪刀撐斜桿會(huì)出現(xiàn)一定程度地振動(dòng)趨勢(shì)，為避免附墻安全性支撐能力的下降，旋轉(zhuǎn)扣件的固定位置必須保持在橫向水平桿伸出端之上，而扣件中心線與腳手架主節(jié)點(diǎn)間的實(shí)值距離則不宜超過(guò)150mm。在搭設(shè)首層腳手架時(shí)，應(yīng)沿架體四周設(shè)置多個(gè)斜支撐結(jié)構(gòu)，除拐角點(diǎn)保持雙向諧振形態(tài)外，其余各支撐節(jié)點(diǎn)均處于單向諧振形態(tài)，以便后續(xù)施工性拆除的直接實(shí)施。設(shè) k代表剪刀撐結(jié)構(gòu)實(shí)際設(shè)置數(shù)量，δ代表腳手架旋轉(zhuǎn)扣件所具備的固定性支撐動(dòng)量，聯(lián)立公式（1），可將高層住宅腳手架的動(dòng)力學(xué)振動(dòng)方程表示為：

其中，y1代表尾端剪刀撐結(jié)構(gòu)的延續(xù)性支撐系數(shù)，y0代表首端剪刀撐結(jié)構(gòu)的延續(xù)性支撐系數(shù)，u代表腳手架橫向水平桿的振動(dòng)連接條件，w代表腳手架縱向豎直桿的振動(dòng)連接條件。

1.3 有限元邊界條件

從參考落地式腳手架的節(jié)點(diǎn)分布情況（圖1）來(lái)看，分析附墻安全支撐施工的有限元邊界條件，需要以架體靜力特性原理及振動(dòng)方程作為研究前提。一方面可防止振動(dòng)連桿的不當(dāng)滑動(dòng)；另一方面也可降低架體底部支撐載荷量的擴(kuò)張速率[6]。

設(shè)f代表與附墻撐力指標(biāo)相關(guān)的線性分布條件，代表單位時(shí)間內(nèi)元件中的壓力承載變化量，聯(lián)立公式（2），可將落地式腳手架支撐施工有限元邊界條件定義為：

其中，λ代表架體所具備的線性承力系數(shù)，p代表施工變力的線性支撐負(fù)載量，e、r分布代表兩個(gè)不同的附墻穩(wěn)定性支撐力學(xué)指標(biāo)，x代表安全性架體支撐附墻條件。

2.落地式腳手架附墻安全支撐施工方案

在高層住宅腳手架靜力、動(dòng)力特性原理的支持下，按照架體結(jié)構(gòu)、附著支撐子系統(tǒng)的搭建流程，完成新型附墻安全支撐施工技術(shù)方案設(shè)計(jì)。

出于安全性施工能力的考慮，高層住宅落地式腳手架（圖2）的架體結(jié)構(gòu)平均搭建高度的設(shè)定參考建筑物標(biāo)準(zhǔn)層的實(shí)際層高，除個(gè)別架體結(jié)構(gòu)外，架體縱向高度一般保持為50m，大多為8個(gè)小型步架外加1個(gè)大型單排架的物理結(jié)構(gòu)，相鄰架桿之間的縱向距離處于1.8m-2.0m之間，而橫向?qū)挾葏s始終保持為1.0m左右[7]-[8]。兩個(gè)豎直立桿間的最大水平間距不得超過(guò)1.5m，且機(jī)位的橫向跨度也必須小于6.0m，高層住宅的安全性支撐施工準(zhǔn)則規(guī)定：附墻支承跨度與架體全高間的乘積應(yīng)小于110m，而單體支撐梁的長(zhǎng)度則完全取決于水平支承跨度及架體懸挑長(zhǎng)度，大部分情況下，處于5m-9m之間。

落地式腳手架承載力是穩(wěn)定控制的，非線性屈曲分析可以考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性、材料非線性、初始缺陷和殘余應(yīng)力等因素[9]-[10]，可以真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。

圖1 腳手架部分節(jié)點(diǎn)圖

圖2 高層住宅落地式腳手架結(jié)構(gòu)圖

圖3 高層住宅腳手架施工現(xiàn)場(chǎng)

非線性屈曲的方程表達(dá)式如下：

其中，KT表示結(jié)構(gòu)總切線剛度矩陣，KT=KL+KN+KS,KL、KN、KS分別表示結(jié)構(gòu)的線性剛度矩陣、大變形矩陣和總應(yīng)力矩陣，δ、P分別表示總位移列陣和總荷載列陣。

采用線性屈曲分析可以預(yù)測(cè)屈曲荷載的上限。線性屈曲的分析是假設(shè)結(jié)構(gòu)在受載變形過(guò)程中，無(wú)結(jié)構(gòu)形狀的變化，而當(dāng)屈曲發(fā)生時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)形才會(huì)突然跳到另一個(gè)平衡位置，其屈曲判斷準(zhǔn)則為：

即：

式中，K0為初始剛度矩陣，K0=? BTDBdV，KG表示幾何剛度矩陣為屈曲特征值N分別為建立在結(jié)構(gòu)初始構(gòu)形上的應(yīng)變矩陣、彈性矩陣、應(yīng)力矩陣、形函數(shù)矩陣。Pcr、P分別為屈曲的臨界荷載、設(shè)計(jì)的使用荷載。

在線性屈曲分析中，假定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)仍處于彈性小變形范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與外荷載呈正比。

3.實(shí)用施工檢測(cè)方案

為驗(yàn)證落地式附墻腳手架的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)（圖3）。選取一處于施工狀態(tài)的高層住宅作為實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)對(duì)象，在等高樓體兩側(cè)分別搭建新型落地式附墻腳手架和傳統(tǒng)扣件式腳手架，其中前者作為實(shí)驗(yàn)組，后者作為對(duì)照組。在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，不斷增加外界作用力的數(shù)值水平，記錄TSC、LSC支撐系數(shù)的具體變化情況。

借助數(shù)據(jù)記錄儀分析實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組腳手架的橫向與縱向施工參量，在既定實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，將兩組記錄數(shù)據(jù)同時(shí)輸入檢測(cè)分析主機(jī)中，研究相關(guān)指標(biāo)參量的實(shí)際變化趨勢(shì)。

TSC系數(shù)、LSC系數(shù)都能夠直接反應(yīng)附著落地腳手架的支撐穩(wěn)定性，通常情況下，參數(shù)指標(biāo)的實(shí)值水平越高，腳手架的穩(wěn)定性能力越強(qiáng)，反之則越弱。

表1反應(yīng)了50min的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組TSC系數(shù)的具體數(shù)值水平。

分析表1可知，對(duì)照組TSC系數(shù)的實(shí)值波動(dòng)能力相對(duì)較強(qiáng)，去除最大數(shù)值3.92、最小數(shù)值3.69，可知對(duì)照組TSC系數(shù)的剩余極大值為3.91、剩余極小值為3.74，二者差值為0.17。實(shí)驗(yàn)組TSC系數(shù)的實(shí)值波動(dòng)能力相對(duì)較弱，去除最大數(shù)值5.15、最小數(shù)值5.11，二者差值僅為0.04，遠(yuǎn)低于對(duì)照組的極限數(shù)據(jù)差值水平。從極大值角度來(lái)看，實(shí)驗(yàn)組的5.15與對(duì)照組的3.92相比，上升了1.23；從極小值角度來(lái)看，實(shí)驗(yàn)組的5.11與對(duì)照組的3.69相比，上升了1.42。綜上可知，應(yīng)用落地式附墻腳手架后，TSC系數(shù)出現(xiàn)了明顯增大的變化趨勢(shì)，確實(shí)增強(qiáng)了附著架體結(jié)構(gòu)的支撐穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高層住宅復(fù)雜形體結(jié)構(gòu)的有效適應(yīng)。

表1 TSC系數(shù)對(duì)比表

表2 LSC系數(shù)對(duì)比表

表2反應(yīng)了50min的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組LSC系數(shù)的具體數(shù)值水平。

分析表2可知，對(duì)照組LSC系數(shù)的實(shí)值波動(dòng)能力相對(duì)較弱，去除最大數(shù)值5.00、最小數(shù)值4.94，可知對(duì)照組TSC系數(shù)的剩余極大值為4.98、剩余極小值為4.95，二者差值僅為0.03。實(shí)驗(yàn)組LSC系數(shù)的實(shí)值波動(dòng)能力相對(duì)較強(qiáng)，去除最大數(shù)值6.73、最小數(shù)值6.66，二者差值為0.07，雖高于對(duì)照組的極限數(shù)據(jù)差值水平，但二者間差值距離不足0.10，基本可以忽略不計(jì)。從極大值角度來(lái)看，實(shí)驗(yàn)組的6.73與對(duì)照組的5.00相比，上升了1.73；從極小值角度來(lái)看，實(shí)驗(yàn)組的6.66與對(duì)照組的4.94相比，上升了1.72。綜上可知，應(yīng)用落地式附墻腳手架后，LSC系數(shù)也出現(xiàn)了明顯增大的變化趨勢(shì)，增強(qiáng)了附著架體結(jié)構(gòu)的支撐穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高層住宅復(fù)雜形體結(jié)構(gòu)有效適應(yīng)的實(shí)用需求。

圖4 風(fēng)速傳感器安裝示意圖

圖5 荷載時(shí)程曲線圖

圖6 模擬功率譜與目標(biāo)譜的對(duì)比曲線圖

風(fēng)荷載監(jiān)測(cè)以風(fēng)速為監(jiān)測(cè)指標(biāo)，采用WinS．YX．FG．05V風(fēng)速傳感器，風(fēng)速傳感器安裝在附著式升降腳手架頂部，盡量避開(kāi)塔吊起吊碰撞K域，采用螺栓固定牟固，防止使用過(guò)程中發(fā)生脫落，其安裝示意圖如圖4所示。

表3 腳手架風(fēng)荷載體型系數(shù)

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值ωk的計(jì)算公式如下：

上式中，k表示風(fēng)壓的折減系數(shù)，在取當(dāng)?shù)鼗撅L(fēng)壓時(shí)，取值為0.7；μs表示腳手架的風(fēng)荷載體型系數(shù)；μz表示風(fēng)壓高度變化系數(shù)；ω0表示基本風(fēng)壓，架體升降狀況時(shí)可以取值為0.25kN/m2。

由圖5可以看出，通過(guò)對(duì)風(fēng)荷載進(jìn)行檢測(cè)，可得出風(fēng)荷載曲線，從而根據(jù)體型系數(shù)（表3）與《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》進(jìn)行調(diào)整，增強(qiáng)腳手架施工穩(wěn)定性。

為進(jìn)一步驗(yàn)證支撐穩(wěn)定性，采用Matlab編制響應(yīng)程序，即可得到迎風(fēng)面不同標(biāo)高處的模擬功率譜與目標(biāo)譜的對(duì)比曲線（圖6）。

從圖6可以看出，綠色表示目標(biāo)曲線，紅色表示功率曲線。功率曲線與目標(biāo)曲線之間擬合程度較高，證明功率滿足目標(biāo)要求。主要原因在于本文支撐技術(shù)從附著支撐子系統(tǒng)方向著手，實(shí)現(xiàn)對(duì)框架主體的控制與支撐，完成高層住宅落地式腳手架附墻安全支撐施工技術(shù)方案設(shè)計(jì)，提高支撐穩(wěn)定性。

4.結(jié)語(yǔ)

落地式附墻腳手架完善了附著支撐子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主體，又重新計(jì)算了支撐載荷的實(shí)際數(shù)值水平，通過(guò)架體振動(dòng)方程的建立，確定必要的有限元邊界條件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高層住宅腳手架靜力及動(dòng)力特性的分析研究。從實(shí)用性角度來(lái)看，TSC系數(shù)、LSC系數(shù)的同步上升，不僅解決了架體結(jié)構(gòu)對(duì)高層住宅復(fù)雜形體結(jié)構(gòu)適應(yīng)性較弱的問(wèn)題，也適當(dāng)增強(qiáng)了腳手架主體結(jié)構(gòu)的支撐穩(wěn)定性，符合推廣與應(yīng)用的實(shí)際施工需求。