刁鳳財(cái)
(大連市建設(shè)工程集團(tuán)有限公司,遼寧 大連 116013)
在高層建筑施工中,附著式升降腳手架逐年得到應(yīng)用,但懸挑式腳手架仍是施工中常用的外圍護(hù)腳手架形式,相對(duì)于附著式升降腳手架而言,懸挑式腳手架對(duì)外墻施工作業(yè)來(lái)說(shuō)留有的時(shí)間更充足。然而,不少技術(shù)管理人員對(duì)懸挑腳手架的計(jì)算還存在一些誤區(qū),對(duì)計(jì)算過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)不知如何取值,方案計(jì)算不合理,埋下安全隱患。本文主要針對(duì)這些問(wèn)題就計(jì)算中各參數(shù)數(shù)據(jù)的取值給以交代,具體計(jì)算步驟不進(jìn)行贅述,可參考現(xiàn)行 JGJ 130-2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱“JGJ 130-2011”)。
型鋼懸挑腳手架結(jié)構(gòu)形式一般有懸臂式、斜拉式、斜撐式及復(fù)合式幾種。施工現(xiàn)場(chǎng)常用的為型鋼懸臂配鋼絲繩斜拉形式,因此本文主要針對(duì)此類型計(jì)算參數(shù)取值進(jìn)行探討,包括腳手架搭設(shè)使用的各種材料自重參數(shù)、腳手架搭設(shè)構(gòu)造相關(guān)參數(shù)、懸挑梁的相關(guān)參數(shù)以及作用在腳手架上的各類荷載參數(shù)等。
在腳手架設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí),根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,結(jié)合工程實(shí)體實(shí)際情況對(duì)材料及搭設(shè)構(gòu)造具體設(shè)計(jì)取值。
JGJ 130-2001《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》中鋼管類型一般分為 Φ48×3.5 和Φ51×3.0 兩種[2],而 JGJ 130-2011 中只給出了一種為Φ48.3×3.6[3]。但目前施工中由于之前的 Φ48×3.5 鋼管仍然大量存在,所以市場(chǎng)上使用較多的仍為 Φ48×3.5 鋼管,就鋼管的生產(chǎn)來(lái)說(shuō)本身存在負(fù)差,生產(chǎn)出來(lái)壁厚可能就比 3.5 mm 小。而在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中,由于使用時(shí)間長(zhǎng),鋼管銹蝕也會(huì)造成鋼管直徑變小,因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行取用。經(jīng)過(guò)筆者針對(duì)數(shù)十個(gè)現(xiàn)場(chǎng)使用的腳手架進(jìn)行抽測(cè),發(fā)現(xiàn)目前大部分 Φ48×3.5 鋼管,實(shí)際壁厚在 3.0 mm 左右。
而當(dāng)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用的鋼管壁厚為非標(biāo)準(zhǔn)厚度時(shí),進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí),除了對(duì)鋼管截面特性進(jìn)行調(diào)整外,還應(yīng)同時(shí)調(diào)整每米立桿承受的腳手架結(jié)構(gòu)自重值,具體取值如表 1 所示。
根據(jù) JGJ 130-2011 中 2.1.20 條規(guī)定,腳手架高度為自立桿底座下皮至頂欄桿上皮之間的垂直距離。在實(shí)際計(jì)算取值時(shí),根據(jù) JGJ 130-2011 中 6.3.7 條規(guī)定,腳手架立桿頂端欄桿宜高出女兒墻上端 1 m,宜高出檐口上端 1.5 m(坡屋面),因此取值時(shí)應(yīng)注意加上超出女兒墻和檐口頂?shù)母叨龋?]。
JGJ 130-2011 中給出了標(biāo)準(zhǔn)的步距、縱距、橫距的尺寸[3]。步距有 1.2、1.35、1.5、1.8、2 m,而實(shí)際使用最多的步距為 1.8 m;縱距有 1.2、1.5、1.8、2.0、2.1 m,而實(shí)際使用最多的縱距為1.5m,但也要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際布置。JGJ 130-2011 中的表 6.1.1-1中橫距列有 1.05、1.30、1.55 m 等,而北方現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際腳手架上一般鋪設(shè)兩塊腳手板(每塊寬 0.25 m),縱向水平桿在立桿內(nèi)側(cè),且用扣件連接,一般小橫桿標(biāo)準(zhǔn)尺寸為 1 m,根據(jù) JGJ 130-2011 中 7.3.11 條款 5“各桿件端頭伸出扣件蓋板邊緣的長(zhǎng)度不應(yīng)<100 mm”,如滿足上述要求,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際橫距應(yīng)在 0.7~0.75 m。
內(nèi)立桿離建筑物的距離要根據(jù)建筑物的實(shí)際造型、外墻的各層構(gòu)造確定。北方,無(wú)特殊造型的一般間距取為 0.3 m 左右,當(dāng)外墻為干掛或玻璃幕墻時(shí),可能就要取為 0.5 m 左右或更大,需要根據(jù)具體設(shè)計(jì)情況進(jìn)行取值。
由于南方多使用竹笆腳手板,做法一般為橫向水平桿在下,縱向水平桿采用直角扣件固定在橫向水平桿上。荷載是由橫向水平桿通過(guò)扣件傳給立桿的;而北方做法一般為縱向水平桿與立桿連接,橫向水平桿在上,荷載是由縱向水平桿通過(guò)扣件傳給立桿的。當(dāng)橫向水平桿在上時(shí),以立桿縱距 1.5 m 為例,在主節(jié)點(diǎn)附近的縱向水平桿上設(shè)置兩根橫向水平桿。而一般腳手板的長(zhǎng)度為3 m,對(duì)接比較合適,因此立桿縱距之間不用再增加橫向水平桿,如圖 1~2 所示。
圖1 縱橫向水平桿布置
圖2 腳手板鋪設(shè)
腳手架的架體高寬比比較大,因此自身穩(wěn)定性差,通過(guò)設(shè)置連墻件防止腳手架在外荷載作用下發(fā)生傾覆,同時(shí)對(duì)立桿起中間支座的作用,從而保證立桿穩(wěn)定性。由 GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的風(fēng)壓高度變化系數(shù) μΖ知道風(fēng)荷載從低處到高處逐漸變大。因此,在計(jì)算過(guò)程中不同懸挑段連墻件間距應(yīng)分別進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,具有一定的經(jīng)濟(jì)性,但同一懸挑段內(nèi)連墻件間距應(yīng)保持一致。
根據(jù) JGJ 130-2011 中 6.4.3 條,連墻件的布置應(yīng)靠近主節(jié)點(diǎn)設(shè)置,偏離主節(jié)點(diǎn)的距離應(yīng)≤ 300 mm。連墻件必須采用可承受拉力和壓力的構(gòu)造。對(duì)高度 24 m以上的雙排腳手架,應(yīng)采用剛性連墻件與建筑物連接。連墻件一般布置為一步兩跨、兩步兩跨、兩步三跨等。而在工程實(shí)際應(yīng)用中對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)還能夠按照正常步距進(jìn)行布置,但對(duì)于框架結(jié)構(gòu)連墻件的布置一般不能按照步距來(lái)布置,只能在每層樓板的板面、梁或柱預(yù)埋鋼筋或鋼管等,再用鋼管進(jìn)行連接,做到盡量靠近主節(jié)點(diǎn)。而當(dāng)進(jìn)行計(jì)算時(shí),連墻件的上下和左右間距也應(yīng)按照設(shè)置的實(shí)際間距取值。
表1 鋼管截面幾何特性及每米長(zhǎng)質(zhì)量[4]
根據(jù) JGJ 130-2011 中 5.1.7 條,表 5.1.7 中對(duì)直角扣件、旋轉(zhuǎn)扣件承載力設(shè)計(jì)值為 8 kN,而對(duì)雙扣件承載力部分,規(guī)范沒(méi)有直接規(guī)定。在施工現(xiàn)場(chǎng),雙扣件的質(zhì)量和施工缺陷存在很大偏差,因此,在雙扣件承載力設(shè)計(jì)值 16 kN 的基礎(chǔ)上,取折減系數(shù) 0.75,即為16 kN×0.75=12 kN 比較合理。
根據(jù) JGJ 130-2011 中 5.2.12 條,雙排架的軸向力 N0取3 kN。
JGJ 130-2011 中 5.2.8 條,只給出了單、雙排腳手架立桿的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù) μ 為 1.50~2.00,而雙排腳手架立桿橫距最小為 1.05,并未給出立桿橫距 0.75 時(shí)取值,因此此處 μ 值在二步三跨以內(nèi)的均取 1.5。
按照 JGJ 130-2011 中,規(guī)定作用于腳手架的荷載分為可變荷載和永久荷載,而可變荷載主要為現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)的各類人員、器具等荷載以及外力,如風(fēng)荷載等;永久荷載為架體結(jié)構(gòu)自身及安全防護(hù)構(gòu)配件等的荷載。根據(jù)腳手架體的用途、構(gòu)造、搭設(shè)高度不同等相關(guān)荷載也不盡相同。
4.1.1 施工荷載
施工荷載包括作業(yè)層上的人員、器具和材料等的自重。在 JGJ 130-2011 中表 4.2.2 中裝修腳手架標(biāo)準(zhǔn)值取 2.0 kN/m2,混凝土、砌筑結(jié)構(gòu)腳手架為 3.0 kN/m2。4.2.3 條規(guī)定:當(dāng)在雙排腳手架上同時(shí)有 2 個(gè)及以上操作層作業(yè)時(shí),在同一個(gè)跨距內(nèi)各操作層的施工均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值總和不得超過(guò) 5.0 kN/m2。也就是說(shuō)當(dāng)結(jié)構(gòu)腳手架作業(yè)層為 2 層時(shí),施工均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值不是 2×3.0 kN/m2=6.0 kN/m2,而應(yīng)取 5.0 kN/m2,即現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí),荷載不能超過(guò) 5.0 kN/m2。
但對(duì)于幕墻(特別是石材幕墻和玻璃幕墻)的施工,其荷載取值不應(yīng)直接套用裝飾施工的荷載取值,應(yīng)按實(shí)際情況采用,因?yàn)槭幕虿A粔κ┕r(shí),現(xiàn)場(chǎng)工人往往會(huì)將石材或玻璃放在腳手架上,因此實(shí)際荷載可能會(huì)超過(guò) 2.0 kN/m2。
4.1.2 風(fēng)荷載
1)基本風(fēng)壓值 ω0。按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009-2012(以下簡(jiǎn)稱“GB 50009”) 的規(guī)定采用,取重現(xiàn)期 n=10 對(duì)應(yīng)的風(fēng)壓值[5]。
2)風(fēng)壓高度變化系數(shù) μz。應(yīng)按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50009 的規(guī)定采用,計(jì)算立桿穩(wěn)定性時(shí),用所計(jì)算的懸挑架體底部即工字鋼位置的建筑高度查 GB 50009 中表 8.2.1 中的 μz值;計(jì)算連墻件時(shí),用所計(jì)算的懸挑架體頂部位置的建筑高度查 GB 50009 中表 8.2.1 中的 μz值;地面粗糙程度類別取定,往往受到計(jì)算的習(xí)慣性思維限值,經(jīng)常在密集建筑群的城市市區(qū)施工的,會(huì)取 C 類,計(jì)算軟件中也會(huì)默認(rèn)是 C 類,而現(xiàn)在有不少工程在海邊或郊區(qū)施工,類別取定時(shí)就應(yīng)嚴(yán)格按工程所在地實(shí)際情況進(jìn)行確定,此時(shí)風(fēng)荷載就會(huì)變大,按照原來(lái)的設(shè)計(jì)形式,計(jì)算結(jié)果可能就不能得到滿足。
對(duì)于山區(qū)建筑物 μz可按平坦地面的粗糙度類別,先計(jì)算相應(yīng)數(shù)值,再以修正系數(shù) η 予以確定(參見(jiàn)GB 50009)。應(yīng)注意的是 2012 版的《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》μz值比 2006 版進(jìn)行了調(diào)整,如 5 m 處原規(guī)范中 A、B、C、D 四類地面粗糙度為 1.17、1.00、0.74、0.62,新規(guī)范中分別為 1.09、1.00、0.65、0.51。
3)風(fēng)荷載體型系數(shù) μs。根據(jù) JGJ 130-2011 中4.2.6 條中,對(duì)全封閉腳手架,當(dāng)建筑物為全封閉墻時(shí),μs=1.0 φ;當(dāng)建筑物為敞開(kāi)、框架和開(kāi)洞墻時(shí),μs=1.3 φ。其中 φ=1.2 An/Aw,需根據(jù)安全網(wǎng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。但實(shí)際工程中無(wú)法進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)規(guī)范中說(shuō)明 φ 值一般取為不小于 0.8,即 μs=1.3φ=1.3×0.8=1.04,這是根據(jù)密目式安全立網(wǎng)網(wǎng)目密度不小于 2 000 目/100 cm2計(jì)算而得。根據(jù) φ 取 0.8 反推,0.8=1.2(100-2 000 A0)/100,計(jì)算得到每目面積 A0=1.7 mm2,因此網(wǎng)孔邊長(zhǎng)為 1.3 mm。實(shí)際工程中密目式安全網(wǎng)能達(dá)到 2000 目的標(biāo)準(zhǔn)太少。
4.2.1 架體結(jié)構(gòu)自重
架體結(jié)構(gòu)自重包括立桿、縱向水平桿、橫向水平桿、剪刀撐、扣件等的自重。腳手架立桿承受的每 m 結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值,可按規(guī)范 JGJ 130-2011 附錄 A 表采用。
4.2.2 構(gòu)、配件自重
構(gòu)、配件自重包括腳手板、欄桿、擋腳板、安全網(wǎng)等防護(hù)設(shè)施的自重。
1)腳手板。北方一般采用沖壓鋼腳手板,少部分采用木腳手板;南方采用竹串片或竹笆腳手板,腳手板取值,如表 2 所示。
表2 JGJ 130-2011 中表4.2.1-1 腳手板自重標(biāo)準(zhǔn)值
2)欄桿與擋腳板。北方一般采用鋼管欄桿,擋腳板采用支模用的多層板或竹膠板,實(shí)際自重標(biāo)準(zhǔn)值沒(méi)有表 3 中列的那么大,以 15 mm 厚的木膠合板為例,密度為450~880 kg/m3,按照最大密度 880 kg/m3計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)值為 0.13 kN/m2;南方采用竹串片或竹笆腳手板擋腳板。欄桿及擋腳板自重取值如表 3 所示。
表3 JGJ 130-2011 中表4.2.1-2 欄桿、擋腳板自重標(biāo)準(zhǔn)值
3)安全網(wǎng)。JGJ 130-2011 中 4.2.1 條 4 中,密目式安全立網(wǎng)自重標(biāo)準(zhǔn)值不應(yīng)低于 0.01 k N/m2。此 0.01 kN/m2是按照 JGJ 166-2008《建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》中 4.2.2 條說(shuō)明“密目安全網(wǎng)自重系根據(jù) 2000 目網(wǎng)實(shí)際重量給定”確定的。
4)腳手板、擋腳板鋪設(shè)方式。腳手板、擋腳板在作業(yè)層必須鋪設(shè),具體鋪設(shè)方式應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行確定。根據(jù) JGJ 130-2011 中 9.0.11 條規(guī)定,作業(yè)層腳手板以下應(yīng)每隔 10 m 用安全網(wǎng)封閉。
5)橫向斜撐布置方式。根據(jù) JGJ 130-2011 中 6.6.4 條:①橫向斜撐應(yīng)在同一節(jié)間,由底至頂層呈之字形連續(xù)布置;②高度在 24 m 以下的封閉型雙排腳手架可不設(shè)橫向斜撐,高度在 24 m 以上的封閉型腳手架,除拐角應(yīng)設(shè)置橫向斜撐外,中間應(yīng)每隔 6 跨距設(shè)置一道。在實(shí)際工程中,對(duì)于橫向支撐一般做得都不到位,作業(yè)人員會(huì)在整個(gè)腳手架上進(jìn)行行走作業(yè),設(shè)置橫向斜撐會(huì)降低工作效率。
在 JGJ 130-2011 發(fā)布以前,施工現(xiàn)場(chǎng)選用的懸挑型鋼一般有槽鋼和工字鋼兩種類型,而較為常用的為工字鋼。在最新版的 JGJ 130-2011 標(biāo)準(zhǔn)中增加了關(guān)于懸挑型鋼的規(guī)定,規(guī)定型鋼懸挑梁宜采用雙軸對(duì)稱截面的型鋼,即類似于工字鋼的型鋼類型。在腳手架搭設(shè)時(shí),立桿一般設(shè)置在型鋼上翼緣寬度中部,工字鋼雙軸對(duì)稱,立桿位置和中性軸相重合,受力合理,較其他型鋼選購(gòu)、設(shè)計(jì)、施工方便。選用的型鋼材料及相關(guān)構(gòu)造措施參數(shù)取用具體如下。
根據(jù) JGJ 130-2011 中 6.10.2 條懸挑鋼梁截面高度應(yīng)≥160 mm。錨固型鋼懸挑梁的 U 形鋼筋拉環(huán)或錨固螺栓直徑宜≥ 16 mm。
5.2.1 吊拉鋼絲繩及斜拉桿的規(guī)定
每個(gè)型鋼懸挑梁外端宜設(shè)置鋼絲繩或鋼拉桿與上一層建筑結(jié)構(gòu)斜拉結(jié)。鋼絲繩、鋼拉桿不參與懸挑鋼梁受力計(jì)算;如果使用鋼絲繩,其直徑應(yīng)≥14 mm。鋼絲繩卡不得少于 3 個(gè)。實(shí)際工程中使用最多的為6×19 鋼絲繩。
當(dāng)使用鋼絲繩卸荷或參與計(jì)算時(shí),應(yīng)按以下方法取用[6],如式(1)~(2)所示。
式中:[Fg]為鋼絲繩的允許拉力,kN,即作用在鋼絲繩上的最大軸向拉力;Fg為鋼絲繩的鋼絲破斷拉力總和,kN;α 為考慮鋼絲繩之間荷載不均勻系數(shù),對(duì) 6×19、6×37、6×61 鋼絲繩,分別取 0.85、0.82、0.80;K 為鋼絲繩的使用安全系數(shù),按 K =6.0 取用[4];d 為鋼絲繩最小直徑,mm。
5.2.2 鋼絲繩吊拉使用的吊環(huán)
按照 JGJ 130-2011 中規(guī)定鋼絲繩與建筑結(jié)構(gòu)拉結(jié)的吊環(huán)應(yīng)使用 H PB 235 級(jí)鋼筋,其直徑宜≥20 mm。而根據(jù) GB 50010-2010 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中要求,已用 HPB 300 級(jí)光圓鋼筋取代了HPB 235 級(jí)鋼筋,因此吊環(huán)應(yīng)使用 HPB 300 級(jí)鋼筋[7]。
5.2.3 型鋼懸挑腳手架構(gòu)造參數(shù)
根據(jù) JGJ 130-2011 中 6.10.3 型鋼懸挑腳手架構(gòu)造,如圖 3 所示。而筆者理解:主梁建筑物外懸挑長(zhǎng)度 L1為主梁外錨固點(diǎn)到懸挑端最外側(cè)長(zhǎng)度,主梁外錨固點(diǎn)到建筑物外邊緣的距離 a 根據(jù)具體錨固位置確定,該錨固點(diǎn)與內(nèi)錨固點(diǎn)共同固定型鋼,使型鋼不能在水平面擺動(dòng),錨固鋼筋受到的拉力很小,主要利用混凝土的抗壓強(qiáng)度。主梁建筑物內(nèi)錨固長(zhǎng)度 L2為主梁外錨固點(diǎn)與內(nèi)錨固點(diǎn)之間的距離,其長(zhǎng)度應(yīng)≥1.25 倍的懸挑段長(zhǎng)度。內(nèi)錨固點(diǎn)距懸挑型鋼里端應(yīng)≥200 mm,具體參數(shù)如圖 4 所示。
圖3 規(guī)范中型鋼懸挑腳手架構(gòu)造
圖4 型鋼構(gòu)造長(zhǎng)度取值
5.2.4 型鋼與主體結(jié)構(gòu)的連接
懸挑型鋼中懸挑構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)之間常見(jiàn)的連接方法有非預(yù)埋螺栓連接法、預(yù)埋 U 型鋼筋或預(yù)埋螺栓法等,施工現(xiàn)場(chǎng)常用的一般為預(yù)埋 U 型鋼筋的方法。
1)非預(yù)埋螺栓連接法。在混凝土樓板澆筑混凝土?xí)r,預(yù)留螺栓孔或在混凝土澆筑完成后進(jìn)行鉆孔,工字鋼安裝時(shí)插入對(duì)接螺栓。該方案通過(guò)對(duì)接螺栓將型鋼固定在主體上,安全可靠,且對(duì)接螺栓可以重復(fù)利用,但增加預(yù)留孔洞及鉆孔而產(chǎn)生的費(fèi)用,具體如圖 5 所示。
圖5 螺栓連接法
2)預(yù)埋 U 型鋼筋或預(yù)埋螺栓法。在樓板鋼筋綁扎完成后將 U 型鋼筋或螺栓預(yù)埋至混凝土、板底層鋼筋位置,并應(yīng)與混凝土梁、板底層鋼筋焊接牢固,其錨固長(zhǎng)度應(yīng)符合 GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中鋼筋錨固的規(guī)定,具體如圖 6~7 所示。預(yù)埋位置設(shè)置在樓板上時(shí),樓板的厚度宜≥120 mm。如果樓板的厚度< 120 mm 應(yīng)采取加固措施。
圖6 預(yù)埋螺栓法
圖7 預(yù)埋 U 型鋼筋
5.2.5 型鋼與腳手架間的連接相關(guān)參數(shù)
型鋼懸挑梁懸挑端應(yīng)設(shè)置能使腳手架立桿與鋼梁可靠固定的定位點(diǎn),定位點(diǎn)離懸挑梁端部應(yīng)≥100 mm。在實(shí)際施工過(guò)程中一般采用兩種方式,一種是在距離懸挑梁端部 100 mm 處焊接 Φ25 及以上螺紋鋼筋,長(zhǎng)度≥0.2 m,此種類型在北方使用相對(duì)比較多;另一種是在該處焊接短管,長(zhǎng)度≥0.2 m。
本文主要是對(duì)建筑施工中采取型鋼懸挑扣件式腳手架在設(shè)計(jì)方案階段各類技術(shù)參數(shù)取值的探討研究,部分內(nèi)容充分經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn),對(duì)類似腳手架的方案編制及設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。但隨著建筑施工技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展,建筑施工用外腳手架的形式不斷更新,型鋼懸挑腳手架陸續(xù)會(huì)退出建筑市場(chǎng)。