高層建筑懸挑腳手架工字形鋼梁穩定性探索

何玉斌（廣西寧鐵建筑總公司，工程師，廣西　南寧　530003）

高層建筑懸挑腳手架工字形鋼梁穩定性探索

何玉斌
（廣西寧鐵建筑總公司，工程師，廣西南寧530003）

摘要：對高層建筑工程實例進行現場考察、數據整理，在此基礎之上，挑選一根具有代表性的工字形懸挑鋼梁分兩種工況進行內力計算和比較分析，發現按照規范搭設的鋼梁其承載力具有很高的富余度，以及斜拉鋼索與懸挑鋼梁協調作用對提高鋼梁的穩定性非常重要，為類似工程提供參考。

關鍵詞：鐵路發展；高層建筑；懸挑腳手架；工字形鋼梁；強度；穩定

10.13572/j.cnki.tdyy.2015.04.007

國家高度重視鐵路持續健康、快速地建設與發展，據國發〔2013〕33號文《國務院關于改革鐵路投融資體制加快推進鐵路建設的意見》，鼓勵鐵路多元化經營，加大力度盤活鐵路用地資源，進行土地綜合開發利用；土地及房產的開發必然迎來一個快速發展的機遇期。南寧鐵路局南寧南東區職工住宅樓（一期）工程，總建筑面積99 354.10 m2，框架—剪力墻結構，CFG樁—筏板基礎，地下一層車庫，標準層層高3 m，其中18層棟號的建筑總高度為60.45 m，抗震設防烈度為六度。本文以該工程為例，對高層建筑施工過程中懸挑腳手架鋼梁的安全穩定問題進行有益的探索。

1　參數信息

工字形鋼梁（見圖1）為180 mm×94 mm×6.5 mm× 10.7 mm，截面積A=3 042.50 mm2，截面慣性矩I=18 474 087.12 mm3，截面抵抗矩W=205 267.63 mm3，單位長度重量m=23.884 kg/m，鋼材強度等級Q 235。

圖1　工字形鋼梁截面尺寸（單位：mm）

2）腳手架鋼管（見圖2）其外徑D=48 mm，壁厚t=3 mm，截面積A=423.9 mm2，截面慣性矩I= 107 776.6 mm4，截面抵抗矩W=4 490.0 mm3，單位長度重量m=3.328 kg/m，鋼材強度等級Q 235。

圖2　鋼管截面尺寸（單位：mm）

3）外架搭設采取雙排單立桿〔1〕，縱向間距1.50 m，橫向間距0.70 m，內立桿距離結構主體0.30 m，步距1.80 m，兩步三跨設置剛性連墻件，腳手架外側立面連續搭設剪刀撐，懸挑腳手架每挑5層，高度15.0 m；腳手架立面見圖3所示。

圖3　腳手架立面圖（單位：mm）

4）施工均布活荷載取2.0 kN/m2。

2　工字形懸挑鋼梁實際工況及計算圖

腳手架及工字形懸挑鋼梁根據施工方案及《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》JGJ130-2011進行搭設，鋼梁端部用鋼索斜拉，鋼梁安裝實物見圖4所示。

圖4　鋼梁安裝實物圖

本文分兩種工況進行比較分析：

1）工況一。斜拉鋼索繃緊、穩固，與鋼梁協調作用，計算簡圖如圖5。

圖5　工況一鋼梁受力計算簡圖

2）工況二。斜拉鋼索未繃緊，不與鋼梁協調作用，計算簡圖如圖6

圖6　工況二鋼梁受力計算簡圖

3　荷載計算

3.1腳手架靜荷載標準值

1）鋼管的自重標準值為

3.328×10×10-3=0.033 28 kN/m

鋼管自重包括立桿、大橫桿、小橫桿、剪刀撐、扣件（18N/個），其標準值計算如下：

NG1=［15+（15÷1.8×1.5）+1.5÷0.5×0.9×0.5×（15÷ 1.8）+15÷sin 60×0.5］×0.033 28+18×38÷ 1 000=2.262 kN

2）腳手板的自重標準值，采用竹串片腳手板，標準值為0.35 kN/m2，

NG2=0.35×4×1.5×（0.7+0.3）/2=1.05 kN；

3）欄桿與擋腳手板自重標準值；采用欄桿、竹串片腳手板擋板，標準值為0.14 kN/m

NG3=0.14×4×1.5/2 =0.42 kN；

4）吊掛的安全設施荷載，包括安全網；0.005 kN/m2

NG4=0.005×1.5×15=0.112 5 kN；

5）經計算得到靜荷載標準值為

NG=NG1+NG2+NG3+NG4=2.262+1.05+0.42+0.112 5

=3.845 kN

3.2活荷載為腳手架上的施工荷載立桿按一縱距內施工荷載總和的1/2取值。經計算得到活荷載標準值為

NQ=2×0.7×1.5×2/2=2.1kN

3.3工字形鋼梁自重標準值

q=23.88×10×10-3=0.238 8 kN/m

荷載進行組合可求得計算簡圖上荷載設計值分別為：

P=1.2×3.845+1.4×2.1=7.554 kN

q=1.2×0.238 8=0.287 kN/m

4　工形懸挑鋼梁的強度及穩定性驗算

該案例在施工過程中，按照施工方案搭設腳手架，工字形懸挑鋼梁的安裝參照《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》JGJ130-2011進行，滿足規范〔2〕的構造要求；盡管如此，由于外墻轉角處不方便布置鋼梁，導致該部位有些鋼梁超出了規范〔2〕的允許范圍，安全性受到質疑。

現特別選取該部分鋼梁中超出規范最多的一根進行驗算，一方面用以闡述懸挑腳手架工字形鋼梁強度和穩定驗算的步驟，二方面可以驗算該案例中少數不符合《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》要求鋼梁的安全性及安全儲備空間；三方面，如第二節所述，該鋼梁分兩種工況進行比較分析，用以說明斜拉鋼索協調作用的重要性。

該梁工況為：4#樓第九層東北方位外墻轉角處鋼梁，懸挑長度l2=2.80 m，擱置在樓面的長度l1= 2.10m；現采用清華大學土木工程系，結構力學求解器研制組研發的求解器對構件進行內力的求解；計算過程及結果見圖7至圖12所示。

圖7　工況一加載圖

圖8　工況二加載圖

圖9　工況一剪力圖（單位：N）

圖10　工況二剪力圖（單位：N）

圖11　工況一彎矩圖（單位：N·m）

圖12　工況二彎矩圖（單位：N·m）

可知該梁的最大剪力及彎矩分別如下：

V1max=5 931.79+1 823.11=7 754.9 N，

M1max=4 063.52 N.m；

V2max=15 911.60+18 752.81=34 664.41 N，

M2max=35 118.04 N.m；

4.1鋼梁強度驗算根據《鋼結構設計規范》GB50017-2003第4.1.1條規范條文〔3〕計算工字形鋼梁的受彎正應力：

σ1max=Mx/γx·Wnx=4 063.52×103÷（1.05×205 267.63）

=18.85 N/mm2<< f =215 N/mm2

σ2max=Mx/γx·Wnx=35 118.04×103÷（1.05×205 267.63）

=162.91 N/mm2< f =215 N/mm2

根據《鋼結構設計規范》GB50017-2003第4.1條規范條文〔3〕計算工字形鋼梁的受剪應力：

τ1max=VS/Itw=7 754.9×105 578.56÷18 474 087.12÷6.5

=6.82 N/mm2<< fv =215 N/mm2

τ2max=VS/Itw=34 664.41×105 578.56÷18 474 087.12 ÷6.5=30.49 N/mm2< fv=215 N/mm2

均滿足強度驗算要求。

4.2工字形鋼梁穩定性驗算鋼梁穩定性驗算按照《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》JGJ130-2011第5.6.4條規范條文〔2〕計算，穩定性系數φb根據《鋼結構設計規范》GB50017-2003附錄B〔3〕計算，計算過程及步驟如下：

式中：ηb=0；

λy=l1/iy=2 800/22.09=126.75；

βb=1.25+0.31×1.77=1.80。

代入參數并計算得φb=2.56>0.6，則用φ′b代替φb，φ′b=1.07-0.282/φb=0.96<1.0，可以。

工況一、二的穩定應力分別如下：

ω1max=M1max/φ′bW=4 063.52×103÷0.96÷205 267.63

=20.62 N/mm2<215 N/mm2

ω2max=M2max/φ′bW=35 118.04×103÷0.96÷205 267.63 =178.21 N/mm2<215 N/mm2

均滿足穩定性的要求。

5　分析與結論

本文對工程實例中腳手架工字形懸挑鋼梁建立模型、計算荷載，并選取一根具有代表性的鋼梁分兩種工況進行內力求解、驗算，通過比較分析可以得出如下結論：

1）從工況一的內力計算結果上看，σ1max、τ1max、ω1max均小于鋼梁承載力限值的10%，并且該鋼梁的搭設工況超出規范允許范圍是最多的，可見高層建筑腳手架工字形懸挑鋼梁，在搭設規范，作用協調的情形下，承載能力富余度很高。因此，在實際施工當中，可以考慮加大懸挑腳手架每挑的搭設高度。

2）從工況一、工況二內力計算結果的比較上看，σ2max、ω2max均接近σ1max、ω1max的10倍，τ2max也接近τ1max的5倍，可見懸挑鋼梁端部斜拉鋼索是否與鋼梁協調作用對鋼梁的承載力、穩定性來說影響都非常大。因此，在懸挑鋼梁及斜拉鋼索安裝過程中，務必保證二者協調作用，不能出現鋼索松弛、張而不緊等不良情形。

本文著眼于鐵路快速發展給房產開發帶來的重要機遇，立足于高層建筑施工過程中懸挑腳手架鋼梁的安全穩定問題，對工程實例進行數據整理、工況分析及總結，并得出重要的結論，為工程建設過程中碰到的類似情況提供一個有益的參考。

參考文獻：

〔1〕南寧市建設工程質量安全管理標準化圖集（強制性行業標準）.

〔2〕JGJ 103-2011，建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范〔S〕.北京:中國建筑工業出版社，2011.

〔3〕GB 50017-2003，鋼結構設計規范〔S〕.北京:中國計劃出版社，2003.

〔4〕孫訓方，方孝淑，關來泰.材料力學〔M〕.北京:高等教育出版社，2002.8.

〔5〕杜榮軍，姜傳庫.建筑施工手冊〔M〕.第4版.北京:中國建筑工業出版社，2003.

文章編號：1006-8686（2015）0018-03

文獻標識碼：B

中圖分類號：TU731.2