懸挑外腳手架在高層建筑中的設(shè)計(jì)與施工

藍(lán) 媚，張保志，葉 茂

（1、清遠(yuǎn)市建設(shè)工程綜合服務(wù)站清遠(yuǎn)市人才儲(chǔ)備中心 廣東清遠(yuǎn)511500；2、廣州大學(xué) 廣州510500）

0 引言

高層建筑外腳手架是建筑施工中不可或缺的操作平臺(tái)及安全防護(hù)措施之一。一般情況下懸挑外腳手架底部支撐采用鋼梁一端通過鋼筋固定在混凝土梁板上形式，形成杠桿系統(tǒng)［1］。若陽臺(tái)和轉(zhuǎn)角部位懸挑外腳手架直接采用該形式，陽臺(tái)部位鋼梁懸挑長度較長、受力及撓度較大、整體穩(wěn)定性較差，轉(zhuǎn)角部位鋼梁分布較密集、錨固段相互干擾、錨固段長度達(dá)不到1.25 倍懸挑段長度的要求、甚至部分鋼梁從邊緣構(gòu)件和結(jié)構(gòu)柱中穿過導(dǎo)致縱向鋼筋打斷［2］。針對(duì)上述難點(diǎn)，本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)陽臺(tái)及轉(zhuǎn)角剪力墻部位外腳手架底部支撐作了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 工程概況

某高層住宅位于廣東省清遠(yuǎn)市，安全等級(jí)二級(jí)，丙類，抗震設(shè)防6度，地震分組第一組，Ⅱ類，剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震等級(jí)四級(jí)，基本風(fēng)壓0.35 kN/m2，地面粗糙度B類。地上27層，地下1層，建筑面積約32 835.26 m2，建筑高度78.6 m，女兒墻頂標(biāo)高79.8 m，首層～27 層層高均為2.9 m，陽臺(tái)寬1.8 m，飄板寬0.6 m，梁板混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，樓板厚度100～120 mm。根據(jù)項(xiàng)目施工要求，本工程外腳手架采用落地式腳手架與懸挑式腳手架相結(jié)合的形式，其中首層板至18層板為落地式腳手架，18層及以上為懸挑式扣件鋼管雙排腳手架。

2 懸挑腳手架的設(shè)計(jì)

本工程將第18 層設(shè)為懸挑層，共懸挑1 次，腳手架最大標(biāo)高81.3 m，從第18 層處開始懸挑，即49.3～81.3 m，懸挑高度32 m，步距1.8 m，立桿的縱橫間距分別為1.5 m 和0.8 m，擬采用“一洲施工安全設(shè)施計(jì)算軟 件”［3，4］、“理 正 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 工 具 箱 軟 件”［5，6］和“SAP2000 有限元軟件”［7］對(duì)懸挑腳手架一般部位、陽臺(tái)部位和轉(zhuǎn)角部位關(guān)鍵構(gòu)件內(nèi)力進(jìn)行驗(yàn)算。

2.1 一般部位設(shè)計(jì)驗(yàn)算

采用“一洲施工安全設(shè)施計(jì)算軟件”進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過程從略，立桿軸向力9.97 kN，懸挑鋼梁采用16 號(hào)工字鋼，懸挑段長度1.1 m，總長3 m，H=160 mm，b=88 mm，tw=6 mm，t=9.9 mm，q=0.21 kN/m，Wx=140 900 mm3，Ix=11 270 000 mm4，S=80 800 mm3，E=206 000 N/mm2，f=215 N/mm2，fv=125 N/mm2，fy=235 N/mm2，φb=0.99，φb′=0.79，懸挑鋼梁計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 一般部位懸挑鋼梁計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.1 Calculation Diagram of Cantilever Steel Beam in General Position

抗 彎 強(qiáng) 度：Mmax=-12.09 kN·m，σ =Mmax/γxWx=81.73 N/mm2＜215 N/mm2，滿足要求。

抗剪強(qiáng)度：Vmax=20.17 kN，τ=VS/Ixtw=24.1 N/mm2＜125 N/mm2，滿足要求。

整 體 穩(wěn) 定：L1=1.1 m，λy=L1/iy=58.2，Mmax/φb′Wx=108.62 N/mm2＜215 N/mm2，滿足要求。

撓度驗(yàn)算：υmax=1.76 mm＜［υ］=4.4 mm，滿足要求。

2.2 陽臺(tái)部位設(shè)計(jì)驗(yàn)算

陽臺(tái)部位不能作為懸挑鋼梁支承段，因此懸挑鋼梁支承點(diǎn)設(shè)置在結(jié)構(gòu)梁上，鋼梁懸挑段較長。若直接采用“懸挑端+1.25 倍錨固段的鋼梁”形式，鋼梁受力及截面較大且不易吊裝，故該部位腳手架下部支撐采用“懸挑端+1.25倍錨固段的鋼梁+斜撐”形式。

2.2.1 懸挑鋼梁設(shè)計(jì)驗(yàn)算

采用“一洲施工安全設(shè)施計(jì)算軟件”進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過程從略，立桿軸向力9.97 kN，懸挑鋼梁采用18 號(hào)工字鋼，懸挑段長度2.9 m，總長7 m，H=180 mm，b=94 mm，tw=6.05 mm，t=10.7 mm，q=0.24 kN/m，Wx=185 400 mm3，Ix=16 990 000 mm4，S=106 500 mm3，E=206 000 N/mm2，f=215 N/mm2，fv=125 N/mm2，fy=235 N/mm2，φb=0.59，懸挑鋼梁計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 陽臺(tái)部位懸挑鋼梁計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.2 Calculation Diagram of Cantilever SteelBeam on Balcony

抗彎強(qiáng)度：Mmax=8.4 kN·m，σ=Mmax/γxWx=43.15 N/mm2＜215 N/mm2，滿足要求。

抗剪強(qiáng)度：Vmax=21.2 kN，τ=VS/Ixtw=20.44 N/mm2＜125 N/mm2，滿足要求。

整體穩(wěn)定：L1=2.90 m，λy=L1/iy=145，Mmax/φbWx=76.79 N/mm2＜215 N/mm2，滿足要求。

撓度驗(yàn)算：υmax=1.11 mm＜［υ］=11.6 mm，滿足要求。

2.2.2 斜撐設(shè)計(jì)驗(yàn)算

斜撐采用Q235 的熱軋普通工字鋼I10，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：GB 50017-2017》［8］，該斜撐按軸心壓桿計(jì)算，軸力N=30.07 kN，桿件截面最大厚度7.6 mm，計(jì)算長度2.1 m，A=1 435 mm2，f=215 N/mm2，ix=4.14 cm，iy=1.52 cm，γx=1.05，γy=1.20。

長細(xì)比：λx=50.72＜150，λy=138.16＜150，滿足要求。

穩(wěn)定性：φx=0.913，φy=0.352，φ =0.352，N/φ Af=0.28＜1，滿足要求。

強(qiáng)度：N/A=20.95 N/mm2＜215.00 N/mm2，滿足要求。

局部穩(wěn)定：b/tf=3.32＜（10+0.1λ）εka，h0/tw=16＜（25+0.5λ）εka，滿足要求。

2.3 轉(zhuǎn)角部位設(shè)計(jì)驗(yàn)算

傳統(tǒng)的懸挑腳手架下部主要支撐一般采用“懸挑端+1.25倍錨固段的鋼梁”形式［9］。懸挑鋼梁直接穿過后砌的外隔墻，將留下大量的孔洞，在外架拆除后需對(duì)孔洞進(jìn)行專業(yè)封堵，一旦施工工藝監(jiān)管不到位，就極易造成外墻滲漏和孔洞周邊抹灰空鼓。同時(shí)由于轉(zhuǎn)角部位受力較復(fù)雜，鋼梁安裝較集中，多條鋼梁交叉排布造成末端錨固長度達(dá)不到規(guī)范要求，甚至部分鋼梁從邊緣構(gòu)件和結(jié)構(gòu)柱中穿過導(dǎo)致縱向鋼筋打斷，對(duì)主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全產(chǎn)生一定影響［9，10］。為避免這種現(xiàn)象，本工程擬在轉(zhuǎn)角部位18 層剪力墻處及18 層以下1.1 m 處分別預(yù)埋鋼板，懸挑鋼梁一端與18 層處預(yù)埋鋼板焊接，斜撐兩端分別與懸挑鋼梁前端及18層以下1.1 m 處預(yù)埋鋼板焊接，形成穩(wěn)定的三角形外支撐受力體系。

利用SAP2000 有限元分析軟件對(duì)懸挑支撐體系進(jìn)行數(shù)值模擬分析，分析結(jié)果表明：斜撐計(jì)算長度1.56 m，長細(xì)比102.63＜150，滿足要求；懸挑鋼梁及斜撐最大應(yīng)力分別為193.22 MPa 及37.99 MPa。轉(zhuǎn)角部位最大應(yīng)力及位置如表1及圖3所示。

表1 轉(zhuǎn)角部位最大應(yīng)力Tab.1 Maximum Stress at Corner

圖3 轉(zhuǎn)角部位應(yīng)力最大位置Fig.3 Maximum Stress Location of Corner

3 懸挑腳手架的施工

3.1 施工技術(shù)參數(shù)

懸挑外架采用φ 48×3.0 mm 的Q235 扣件鋼管雙排腳手架，一般位置內(nèi)立桿離墻間距0.2 m，陽臺(tái)位置內(nèi)立桿離墻間距2 m（陽臺(tái)寬1.8 m）；立桿步距1.80 m，立桿縱距1.5 m。本工程共懸挑1 次，鋼梁設(shè)置在第18 層，從第18層開始懸挑，即49.3～81.3 m，懸挑高度32 m。

一般部位懸挑鋼梁采用16#工字鋼，間距1.5 m，鋼梁懸挑段長度1.1 m，內(nèi)錨固段長1.9 m，總長3 m。懸挑鋼梁內(nèi)、外立桿分別在18層和23層加設(shè)卸荷措施，采用直徑16 mm 鋼絲繩卸荷，卸荷點(diǎn)按立桿間距設(shè)置，上吊點(diǎn)與下吊點(diǎn)垂直距離2.9 m，吊環(huán)的直徑20 mm，吊環(huán)預(yù)埋于19 層和24 層結(jié)構(gòu)邊梁上，吊環(huán)錨固長度最小為30d。一般部位懸挑外架大樣如圖4a所示。

陽臺(tái)部位懸挑長度1.8 m，懸挑鋼梁采用18#工字鋼，間距1.5 m，鋼梁懸挑段長度為陽臺(tái)長+1.1 m，懸挑段長2.9 m，錨固段長4.1 m，工字鋼總長7 m，滿足錨固長度大于懸挑長度的1.25倍要求［11］。懸挑鋼梁內(nèi)、外立桿分別在18 層和23 層加設(shè)卸荷措施，采用直徑16 mm 鋼絲繩卸荷，卸荷點(diǎn)按立桿間距設(shè)置，上吊點(diǎn)與下吊點(diǎn)垂直距離5.8 m，吊環(huán)的直徑20 mm，吊環(huán)預(yù)埋于20 層和25 層的結(jié)構(gòu)邊梁上，吊環(huán)錨固長度最小為30d。由于陽臺(tái)處外挑長度較大，在陽臺(tái)部位鋼梁的下層框架梁處預(yù)埋200 mm×200 mm×8 mm 鋼板，采用10#工字鋼作為懸挑鋼梁斜撐，斜撐上下支點(diǎn)分別與懸挑鋼梁前端及預(yù)埋鋼板焊接。為減小斜撐長細(xì)比，提高外架整體穩(wěn)定性，懸挑鋼梁下層陽臺(tái)范圍內(nèi)支撐體系不拆除，支撐體系立桿與斜撐采用水平桿拉結(jié)貫通形成整體。陽臺(tái)部位懸挑外架大樣如圖4b所示。

轉(zhuǎn)角部位懸挑鋼梁及斜撐分別采用16#工字鋼和10#工字鋼，間距1.5 m。剪力墻處懸挑長1.1 m，在懸挑層及懸挑層以下1.1 m 處分別預(yù)埋鋼板，懸挑鋼梁一端與懸挑層預(yù)埋鋼板焊接，斜撐兩端分別與懸挑鋼梁前端及懸挑層以下1.1 m 處預(yù)埋鋼板焊接，形成穩(wěn)定的三角形外支撐受力體系。懸挑鋼梁內(nèi)、外立桿分別在18層和23層加設(shè)卸荷措施，采用直徑16 mm的鋼絲繩卸荷，卸荷點(diǎn)按立桿間距設(shè)置，上吊點(diǎn)與下吊點(diǎn)垂直距離2.9 m，吊環(huán)直徑20 mm，吊環(huán)預(yù)埋于19層和24層結(jié)構(gòu)邊梁上，吊環(huán)錨固長度最小為30d。轉(zhuǎn)角部位懸挑外架大樣如圖4c所示。

3.2 施工方法與工藝

懸挑鋼梁、斜撐、預(yù)埋件制作→陽臺(tái)位置及轉(zhuǎn)角處安裝預(yù)埋件→混凝土澆筑→安裝懸挑鋼梁→安裝斜撐、立兩頭立桿扣掃地桿、小橫桿、大橫桿（或臨時(shí)大、小橫桿）→立拋撐→樹中間立桿→小橫桿、大橫桿、防護(hù)欄桿→以此類推、形成一步閉合架體→鋪腳手板（隔離防墜）→搭第二步架→拉連墻件→轉(zhuǎn)角處設(shè)置“之”字形剪刀撐、立桿外側(cè)剪刀撐→張掛密目安全網(wǎng)、鋪腳手板→接立桿→搭第三步架→…→拉鋼絲繩。

圖4 懸挑外架大樣Fig.4 Detail of Cantilevered External Scaffold

3.3 安全保障措施

當(dāng)架高超過40 m且有風(fēng)渦流作用時(shí)，應(yīng)采取抗上升翻流作用的連墻措施［11］。本工程擬在最后一道卸荷吊環(huán)反向拉設(shè)直徑16 mm 的鋼絲繩，鋼絲繩下端與樓層內(nèi)預(yù)埋連墻桿扣件連接，上端與外立桿、連墻桿節(jié)點(diǎn)處扣件連接，該部位樓層鋼絲繩每道連墻桿設(shè)置一道。為避免腳手架立桿變形，該部位外架應(yīng)進(jìn)行回頂?？股仙鞔胧┦┕な疽馊鐖D5所示。

圖5 抗上升翻流措施施工示意圖Fig.5 Construction Diagram of Anti Rising and Overturning Measures

懸挑架底部用模板、木方硬質(zhì)封閉，并設(shè)置180 mm高紅白擋腳板，側(cè)邊用18 mm 厚模板進(jìn)行硬質(zhì)封閉，施工層腳手板采用鋼筋網(wǎng)片腳手板滿鋪。懸挑外架底部封閉大樣如圖6所示。

圖6 懸挑外架底部封閉大樣Fig.6 Detail of Bottom Closure of Cantilevered External Scaffold

懸挑工字鋼梁端部應(yīng)焊有定位樁，采用長度不低于100 mm、直徑25 mm 的鋼筋，立桿底端安裝在定位樁上［12］。立桿接長除頂層外采用對(duì)接扣件連接，且相鄰立桿接頭應(yīng)相互錯(cuò)開至少500 mm，不得出現(xiàn)在同步同跨內(nèi)［11］。

4 結(jié)語

本工程通過利用多種通用軟件對(duì)一般部位、陽臺(tái)部位及轉(zhuǎn)角部位的懸挑腳手架搭設(shè)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算，結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

⑴一般部位腳手架下部支撐采用“懸挑端+1.25倍錨固段的鋼梁”形式。該形式簡(jiǎn)單，安拆方便，且滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定性及撓度要求。

⑵陽臺(tái)部位腳手架下部支撐采用“懸挑端+1.25倍錨固段的鋼梁+斜撐”形式。該形式受力更加合理，撓度降低，架體整體穩(wěn)定性提高，且有效減小了懸挑鋼梁截面及重量，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)固定塔吊安全吊運(yùn)。

⑶轉(zhuǎn)角部位在懸挑層及懸挑層以下1.1 m 處分別預(yù)埋鋼板，懸挑鋼梁一端與懸挑層處預(yù)埋鋼板焊接，斜撐兩端分別與懸挑鋼梁前端及懸挑層以下1.1 m處預(yù)埋鋼板焊接，形成穩(wěn)定的三角形外支撐受力體系。該體系解決了轉(zhuǎn)角部位多條鋼梁交叉排布造成的末端錨固段不足的問題，節(jié)省了鋼材用量、降低成本、安拆便捷、保證了剪力墻完整性、降低外墻滲漏和孔洞周邊抹灰空鼓概率。