非常規懸挑腳手支架的設計與優化

上海國際建設總承包有限公司 上海 200092

1 工程概況

延福大廈位于上海市黃浦區，建于1997年，主樓地上36 層、地下2 層、建筑高度112 m，總建筑面積31 343.9 m2。該樓為框架-剪力墻結構，內核為筒形剪力墻，外圍為異型框架結構，外墻為黏土填充墻+外貼裝飾面磚，無墻體保溫層。

某公司于2011年9月開始對該大樓實施整體改造，本次改造涉及原結構拆除與加固、立面外觀造型更換、建筑功能與節能等多項內容，計劃工期710個日歷日。

本次整體改造的重點內容之一為：拆除原外框架所有填充墻和飾面后，外立面采用鋁質金屬板幕墻體系替代，使得本樓在滿足現行節能設計的前提下外觀更具現代感。

新建金屬板幕墻為外掛體系，飾面板完成面距外框架結構最遠處400 mm。典型層平面布置和節點見圖1、圖2。

圖1 改建后典型層的平面示意

圖2 節點示意

該項目地處上海市延安東路和福建中路鬧市路口，建筑物外立面與周邊道路人行道最近距離不足7 m，外圍主干道位于立面墜物半徑范圍之內。用地紅線范圍內總面積約為 3 160 m2，改造前建筑物占地面積1 790 m2，現場施工場地狹小。實施本次外立面改造之立面拆除作業、外框結構加固和外幕墻體系施工時期的安全防護措施成為確保本工程施工場內外安全的關鍵環節。

2 外腳手架初步設計[1-5]

受場內條件限制，本工程不設塔吊，主樓3F起選擇搭設懸挑腳手架。除特殊部位拆除用腳手架另行設計之外，本案主要考慮建筑外墻大面積拆除、外框結構加固和幕墻施工3 種不同工況下懸挑腳手架功能需求和構造形式。

結合建筑層數、層高、體型系數和風荷載取值等參數，21F以下懸挑腳手架單挑搭設高度控制在18.6 m以內（計算取值20 m）；21F以上懸挑腳手架單挑搭設高度控制在15.5 m以內（計算取值18.6 m）。對應于懸挑水平鋼梁分別設置于3F、9F、15F、21F、26F、31F。因建筑物外圍呈異形圓弧狀，加之避讓較大截面的框架柱，腳手架水平懸挑鋼梁呈不規則放射狀。平面布置如圖3所示，主要控制尺寸為懸臂端間距小于1 700 mm，并以此為最大值來記取腳手架計算中立桿間距的取值。該布置形式的水平懸挑鋼梁需設置79 根/挑，以6 挑計算共需設置474 根。

圖3 腳手架懸挑鋼梁平面布置

在確定搭設高度和立桿縱距等基本條件后，該懸挑腳手架有以下2 種設計方案可供選擇：

方案一：外腳手架滿足外立面拆除、外框架加固2 個階段的需求，新建外幕墻階段選用吊籃施工；

方案二：外腳手架同時滿足外立面拆除、外框架加固和新建外幕墻體系3 個階段的施工要求。

對上述2 種方案分析發現，外腳手架在功能性與安全性方面各有利弊。方案一中外腳手架內立桿離墻距離能控制在250 mm左右，水平懸挑鋼梁的設置和架體構造均能滿足規范要求，架體安全可靠。但外幕墻施工階段，外框結構較長時間呈無立面防護施工狀態，且在該狀態下室內裝飾無法與外幕墻穿插施工，對整個項目安全與進度控制不利；方案二外腳手架一次搭設后，使用期貫穿整個立面改造施工過程，建筑物外立面防護措施全周期有效，最大限度的排除了立面施工時期對外界環境造成的不利因素。不足之處為：外腳手架內立桿離墻距離在滿足幕墻施工需求的同時已遠超規范規定，對于外腳手架體和懸挑水平鋼梁構造需特殊處理。

經過綜合考量，項目最終選擇立面防護較為周全的方案二為本工程外腳手架體系。下文就選用該方案后，對架體設計難點之處以及所采取的應對措施作一定的歸納，以作探討。

3 懸挑腳手架非常規構造

3.1 特殊離墻間距條件下的架體構造

懸挑腳手架內立桿離墻間距以幕墻施工階段飾面板離墻最大距離和必要施工間距為控制值（400 mm+200 mm），同時考慮原建筑外墻拆除后的結構偏差因素，內立桿離墻間距計算取值650 mm；為避讓框架梁平面尺寸，作為懸挑鋼梁受力約束點的第1道螺栓卡箍設置于外墻面向內400 mm處，水平鋼梁懸挑計算長度達2 200 mm；建筑物內錨固計算長度3 000 mm左右，水平鋼梁構件總長度在5.4 m左右。

由于該架體內立桿離墻間距過大，常規隔離笆已無法保證架體使用過程中防止墜物的功能。

為切實起到防護作用，在雙排外腳手架內立桿內側（位于結構邊柱內）增加1 道立桿，與外腳手架內立桿通過增設小橫桿相連，然后每層鋪設竹笆，形成可靠隔離層如圖4所示。

3.2 懸挑水平鋼梁的受力分析

使用PKPM安全計算軟件對腳手架立桿穩定性計算結果：

不考慮風荷載時，立桿最大軸心壓力設計值N=10.21 kN，σ=127.05 N/mm2＜205.00 N/mm2；考慮風荷載時，立桿最大軸心壓力設計值N=9.74 kN，σ=202.15 N/mm2＜205.00 N/mm2立桿穩定性均滿足設計要求。

圖4 非常規懸挑腳手架體示意

取單立桿最大軸心壓力設計值N=10.21 kN為荷載，內立桿荷載取值2N（考慮隔離架荷載因素）。使用理正結構設計工具箱對上述構造的水平鋼梁進行輔助受力分析。

受力計算結果為：若采用18a#工字鋼作為水平鋼梁時，σ=267.94 N/mm2＞215.00 N/mm2且水平鋼梁懸臂端最大撓度Vmax=43.96 mm＞4 400/250，水平鋼梁強度和撓度均無法滿足要求；若采用不加設斜撐支桿方式，水平鋼梁取值至25a#工字鋼時懸臂端撓度Vmax=14.62 mm＜4 400/250方能滿足設計要求。

以25a#工字鋼線密度37.84 kg/m計算，單根懸挑鋼梁重量約在205 kg。在本工程僅靠人力的現場運輸及安拆條件下，存在較大的施工障礙和安全隱患。

因此，在構造簡潔的直接懸挑方式無法實施的情況下，以18a#工字鋼為水平桿件加設斜撐支桿成為該懸挑支架滿足受力需求的解決之道。

3.3 設置斜撐支桿的構造與計算

本建筑層高3.1 m，按傳統斜撐支桿增設方式構造如圖5所示。

圖5 傳統懸挑鋼梁及斜撐設置示意

懸挑腳手架立桿位置與荷載取值保持不變，水平鋼梁選用18#工字鋼（質量荷載0.29 kN/m），斜撐支桿選用12.6#槽鋼。相當于增設1 個鉸支座。

3.3.1 水平鋼梁受力計算

支座反力：

各支座對鋼梁的支撐反力由左至右分別為：

R1=44.20 kN，R2=6.94 kN，R3=－0.71 kN；

抗彎強度：

最大彎矩Mmax=11.20 kN·m；

f=M/（1.05W）+N/A=11.20×106/（1.05×1.85×105）+N/A=73.51 N/mm2＜215.00 N/mm2，水平鋼梁抗彎計算強度滿足要求。

懸挑撓度：

連續梁均布荷載和集中荷載共同作用下，懸臂端最大撓度Vmax=1.605 mm＜2 000/250。

水平鋼梁撓度設計值滿足規范中容許撓度值。

整體穩定性計算：

σ=11.20×106/（0.929×1.85×106）=65.17 N/mm2＜215.00 N/mm2；水平鋼梁的穩定性滿足要求。

3.3.2 斜撐支桿受力計算

軸力計算：

支桿軸力RD1=R1·sinα=46.04 kN；

強度驗算：

以12.6#槽鋼作為受力構件，容許壓力按下式計算：

=183.40 N/mm2＜215.00 N/mm2；受壓斜桿穩定性滿足要求。

焊縫計算：

斜撐桿若采用焊接方式與墻體預埋件連接，對接焊縫強度計算公式如下：

σ=46 039.29/1 569.00=29.34 N/mm2＜185.00 N/mm2；對接焊縫的抗拉或抗壓強度計算滿足要求。

4 斜撐支桿的優化設計

4.1 斜撐支桿受力分析

從上述斜撐支桿受力計算可以看出，由于α角度較為接近直角，斜撐支桿計算軸力較小，焊縫強度有較大余量可利用；而斜撐支桿本身卻受長細比影響受壓穩定性趨于材質強度上限附近。因此，可以在減小支桿α角度和縮短支桿長度上尋找突破口，對該斜撐構造進行優化，以達到充分發揮材質強度和節約材料的目的。

通過閱讀相關結構圖紙及現場實測發現，本建筑外圍弧形框架梁截面統一高度為500 mm左右。如能在框架梁外側面高度范圍內設置斜撐，則能有效減小斜撐過大問題。

4.2 優化后的斜撐支桿受力復核

軸力復核：支桿軸力RD1=R1·sinα=93.44 kN；強度復核：σ=93.44×103/（0.82×15.69×102）=72.63 N/mm2＜215.00 N/mm2；受壓斜桿穩定性滿足要求。

焊縫復核：σ=93 438.80/1 569.00=59.55 N/mm2＜185.0 N/mm2；對接焊縫的抗拉或抗壓強度計算滿足要求。

4.3 支撐桿件構造的二次優化

由于初次優化構造中的斜撐支桿下支點直接作用于框架梁側底端，需通過設置梁側后置埋件才能與之焊接；且上支點作用于水平鋼梁底部，必須仰焊才能焊接。實際施工過程中將產生大量的現場施焊作業，若因操作困難導致焊接質量下降將直接影響懸挑腳手架的安全性。與此同時，大量的現場焊接作業也制約了懸挑鋼梁的安拆周期，更嚴重的是增加了火災風險系數。

為此，有必要在初次優化的基礎上，對支撐桿件構造作進一步改進，以減少斜撐支桿設置過程中的現場焊接工作量。

二次優化設想在框架梁外側面處增設豎向短桿（替代梁側埋件）與斜撐支桿和水平鋼梁焊接形成直角三角形狀，構造如圖6所示。

圖6 二次優化后的懸挑鋼梁及斜撐示意

該構造短桿底部緊貼框架梁側底部，斜撐支桿傳遞的水平分力直接由混凝土框架梁承受，對豎向短桿上支座不產生彎矩作用；豎向短桿上支座至承受斜撐支桿傳遞的垂直分力，該垂直分力小于斜撐支桿軸力RD1，因此焊縫強度也滿足設計值。

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二次優化后的構造可以在水平懸挑鋼梁架設前，通過在樓層內預制的形式完成直角三角形撐的全部焊接工作。優點有三：一、可以在水平懸挑鋼梁架設前完成支架焊接，加快了水平挑架層的安拆速度；二、在預制過程中避免了仰焊作業的產生，起到了確保焊縫質量的作用；三、極大減少了腳手架上動火作業量，有利于預防火災事故的發生。

5 實施要點與成效

5.1 實施要點

結合直角三角撐的設計過程，在實際的施工中以下2 個關鍵點需引起特別重視：

5.1.1 重視焊接質量、控制焊縫長度

理論焊縫應力σ是在滿足焊縫厚度和長度基礎上得出的，現場焊縫的質量將直接對實際焊縫應力產生影響。若焊縫厚度和長度不達標，將大大增加焊縫應力，嚴重者甚至會超過焊縫強度設計值，破壞支撐構造，從而對懸挑腳手架產生難以挽回的損毀。因此，在懸挑鋼梁直角三角撐的預制中檢查和控制焊縫質量必須放在第一位；

5.1.2 重視豎向短桿側面與梁側間隙處理

豎向短桿的設計作用僅為替代梁側埋件，無法承受斜撐傳遞荷載后對短桿上支座產生的彎矩作用。因此，短桿側面底部必須緊貼框架梁側。在實際的施工過程中往往因為梁側平整度等原因的偏差，而造成短桿側面與梁側存在一定的間隙。該間隙雖然微小但確足以對整個支撐構造產生破壞。

5.2 實施成效

5.2.1 施工周期

懸挑腳手架搭設期間，該構造形式的水平懸挑鋼梁以3 d/挑左右的時間完成安裝，相比動輒7 d左右的傳統支撐方式節約工期4 d/挑，以6挑計算共節約24 d工期。

5.2.2 安全效益

該水平懸挑鋼梁具備構造簡便、自重輕盈特性，適用于人力運輸和安拆工況，在實施過程中未造成高處墜落等安全事故；同時，因搭設過程動火作業量的大幅減少，未給本工程造成任何火患事件。

5.2.3 經濟效益

經計算，該水平懸挑鋼梁構造比起選用25a工字鋼節約用鋼量40%左右；比傳統斜撐設置方式節約用鋼量15%，起到了較好的降本增效作用。

6 結語

本文在非常規施工條件下探索和優化的懸挑鋼梁直角三角撐構造，在滿足規范的前提下，為項目的順利創造了良好的條件，取得良好的綜合效益。該構造有利于控制較大懸挑幅度鋼梁的懸臂撓度，同樣也適合在普通懸挑腳手架中運用。