超長懸挑腳手架的設計和施工

王水利

WANG Shuili

(五洋建設集團股份有限公司，浙江 杭州310009)

1 工程概況

杭政儲出(2009)63 號地塊，位于杭州經濟技術開發區金沙湖區塊，由3 棟19 層住宅及3 層地下室組成，總建筑面積為118741. 58 m2，建筑高度94.55 m，建筑主體結構為框架剪力墻形式。結構3層起采用躍層式設計，標準層層高4.78 m，其中夾層高度2.39 m。標準層外挑飄板厚200 mm，外挑最長尺寸2.3 m，最短尺寸0.3 m，層間夾層外挑飄板厚200 mm，外挑最長尺寸2.55 m，最短尺寸0.3 m，外形呈不規則狀，見圖1。外墻裝飾面采用40 mm厚巖棉板+抗裂砂漿+高級外墻涂料。

2 施工難點

本工程外腳手架采用落地式雙排腳手架和懸挑式雙排腳手架相結合，3 層以下外腳手架采用落地式雙排腳手架，3 層及以上采用懸挑式雙排腳手架，主要考慮滿足主體施工及裝飾裝修階段兩種不同工況下施工使用需求及相應構造形式。

圖1 建筑物外立面示意圖

由于外挑飄板為懸挑結構，且標準層與夾層外挑飄板處邊線垂直投影不在同一條線上，因此懸挑腳手架內立桿離墻距離應從標準層與夾層外挑飄板最大挑出端處起算。若水平懸挑鋼梁錨固點設置在外挑飄板上，則必須對外挑飄板進行加固處理，此措施必將造成施工成本增加，延長工期。因而水平懸挑鋼梁只能錨固在樓層板或梁上，考慮外墻裝飾裝修施工面空間、腳手架設置參數及構造要求，腳手架內立桿離墻面的距離取0.3 m，橫距取0.85 m，并按照外挑飄板外挑最長尺寸2.55 m 計，水平懸挑鋼梁懸挑端長度達到了3.9 m，而普通懸挑腳手架水平懸挑鋼梁懸挑端長度一般在1.2～1.5 m，因此懸挑腳手架的施工是本工程重點、難點，需重點控制水平懸挑鋼梁遠端的最大撓度和整體穩定性。

3 方案初步設計

根據建筑外圍結構、外立面裝飾工藝、建筑層數、層高、風荷載及施工荷載等因素［1］，懸挑式雙排腳手架共4 挑，即3～6 層、7～11 層、12～16 層、17層至屋面，懸挑工字鋼梁擱置于3F、7F、12F、17F，懸挑架單挑搭設高度最高為19.2 m。

考慮主體施工及裝飾裝修階段操作空間、結構施工偏差等因素［1］，腳手架內立桿離墻面的距離取0.3 m，立桿縱距1.5 m，橫距0.85 m，步距1.8 m。縱向水平桿在上，橫向水平桿上的縱向水平桿為2根。連墻件隨層(間距2. 39 m)，水平兩跨(間距3 m)設置一道。懸挑鋼梁采用工字鋼，間距1.5 m布置，即懸臂端間距控制在1.5 m 以內(部分陰、陽角部位懸挑鋼梁上擱置點焊12.6#工字鋼作為次梁支設立桿)，取該值作為立桿間距計算相應荷載，布置形式較為規則，需設置120 根/挑，4 挑共計480根，懸挑梁平面布置及架體見圖2、圖3。鋼梁錨固點采用φ16 mm 的HPB300U 形鋼筋拉環預埋。腳手板采用竹笆腳手板，每步一設。

圖2 懸挑鋼梁平面布置示意圖

圖3 腳手架架體示意圖

4 懸挑腳手架構造及受力分析

根據上述腳手架設置參數及外挑飄板尺寸，水平懸挑鋼梁最長懸挑長度達3 900 mm，建筑物內錨固計算長度取2 400 mm，懸挑工字鋼總長度為6 600 mm左右。

4.1 懸挑鋼梁受力分析

本工程使用品茗安全計算軟件對懸挑腳手架進行受力分析計算，立桿穩定性計算結果如下:

不考慮風荷載作用時，單立桿的最大軸心壓力設計值N = 1.2(NG1K+NG2K)+1.4ΣNQK= 10.89 kN，最大軸心壓力標準值N = NG1K+ NG2K+ ΣNQK=8.756 kN，σ = 136.614 N/mm2≤［f］= 205 N/mm2;

考慮風荷載作用時，單立桿的最大軸心壓力設計值N =1.2(NG1K+NG2K)+0.9 ×1.4ΣNQK=10.622 kN，最大軸心壓力標準N = NG1K+NG2K+ΣNQK= 8.756 kN，σ = 184.944 N/mm2≤=205 N/mm2，立桿穩定性均滿足相應設計規范要求。

各排立桿傳至梁上荷載設計值取單立桿的最大軸心壓力設計值N = 10.89 kN，對懸挑鋼梁進行受力分析，計算結果如下:

若采用16#工字鋼懸挑梁，σmax= 534.366 N/mm2＞= 215 N/mm2，vmax= 202.706 mm ＞= 2 × 3 900/250 =31.2 mm，即懸挑梁抗彎強度及懸挑臂端最大撓度均不滿足要求。

若懸挑端不加設斜撐支桿，則懸挑梁需采用32a#工字鋼方能滿足設計要求:σ = 113.09 N/mm2＜= 215 N/mm2，vmax= 21.365 mm ＜=2 ×3 900/250 = 31.2 mm。32a# 工字鋼自重線密度為53.78 kg/m，單根懸挑鋼梁最大重量約為355 kg，材料購置費用較高，且現場運輸及安拆難度大，特別是高空作業，存在較大的安全隱患。

因此，在結構構造形式簡單的直接懸挑方式無法實施的情況下，采用16#工字鋼作為懸挑梁，加設槽鋼斜撐支桿解決受力及安拆等問題。

4.2 加設斜撐支桿構造及受力分析

本工程層高4.78 m，層間夾層層高2.39 m，按下撐常規斜撐支桿方式，具體支設位置及尺寸見圖4。

圖4 斜撐設置示意圖

懸挑腳手架立桿搭設形式、荷載值等其他參數不變，懸挑鋼梁選用16#工字鋼，其自重線密度為20.92 kg/m，斜撐采用12.6#槽鋼，相當于增設1 個鉸支座。

4.2.1 懸挑鋼梁受力分析215 N/mm2，vmax=3.472 mm ＜［v］=2×3900/ 250=

16#工字鋼懸挑梁，σ =66.456N/mm2＜=31.2 mm，懸挑梁抗彎強度及懸挑臂端最大撓度均滿足要求。

4.2.2 斜撐支桿受力分析

懸挑鋼梁斜撐支桿處支座反力R = 26.352 kN，

斜撐角度β = arctan(2 390/2 950)= 39.013°，

下撐桿軸向力N =26.352/sin39.013° =41.861 kN，

按繞X 軸軸心受壓穩定性計算:

長細比λX= L0X/iX= 3 796.656/49.53 = 76.654，

σ1X= N/(φ1XA)=41 861.411/(0.707 ×1 569)=203.667 N/mm2≤f = 205 N/mm2，斜撐穩定性滿足要求。

按繞Y 軸軸心受壓穩定性計算:

長細比λY= L0Y/iY=3 796.656/15.67 =242.288，

σ1Y= N/(φ1YA)=41 861.411/(0.131 ×1 569)=37.737 N/mm2≤f = 205 N/mm2，斜撐穩定性滿足要求。

斜撐12.6#槽鋼與懸挑主梁16#工字鋼對焊焊接，焊縫面積取斜撐12.6#槽鋼截面面積1 569 mm2。

對接焊縫驗算:

σ = N/(lWt)=41.861 ×103/1 569 =26.68 N/mm2≤fWC= 185 N/mm2，焊縫抗拉及抗壓強度滿足要求。

4.2.3 錨固點壓環鋼筋受力分析

錨固點壓環鋼筋受力:N = 4.299 kN

根據《混凝土結構設計規范(GB 50010—2010)》第9.7.6 條規定，在構件的自重標準值作用下，每個吊環按2 個截面計算的鋼筋應力不應大于65 N/mm2。

壓環鋼筋驗算:

σ =2N/πd2=2 ×4.299 ×103/(3.14 ×162)=10.70 N/mm2≤［f］= 0.85 ×65 N/mm2(另一個壓環作為安全保險措施)，滿足要求。

4.3 鋼絲繩的設置及受力計算

每道懸挑工字鋼外端設置一道斜拉鋼索與上一層主體結構梁拉結(夾層外挑飄板部分位置需預留孔穿鋼絲繩)，作為斜撐支桿失效時的安全保險措施(即斜撐支桿未破壞失效時，斜拉鋼索不起作用;但當斜撐支桿破壞失效時，斜拉鋼索作為懸挑主梁支點單獨計算)［2］。斜拉鋼索采用型號6 ×19(a)鋼絲繩，公稱抗拉強度1 570 MPa(鋼芯)，公稱直徑18 mm，最小破斷拉力181.0 kN［3］。鋼絲繩拉結采用φ20 mm 的HPB300U 形鋼筋預埋吊環。

4.3.1 懸挑鋼梁受力分析

由品茗計算軟件計算抗彎強度驗算，見圖5、圖6。

圖5 荷載分布簡圖

圖6 彎矩圖/(kN·m)

σ = M/W =6.82 ×106/141 000 =48.371 N/mm2≤［f］= 215 N/mm2，滿足要求。

最大撓度驗算:vmax= 2.102 mm ≤［v］ = 2 ×1/250 = 2 ×3 900/250 = 31.2 mm，滿足要求。

鋼絲繩上拉角度計算:

鋼絲繩處支座力:R = 19.033 kN。

懸挑鋼梁軸向力:

鋼絲繩軸向力:N2=R/sinα1=19.033/sin51.516°= 24.315 kN。

懸挑鋼梁穩定性驗算:

壓彎構件強度σ = M/(γW)+ N/A = 6.82 ×106/(1.05 × 141 × 103)+ 15.131 × 103/2 610 =51.865 N/mm2≤［f］= 215 N/mm2，滿足要求。

φb=0.853，σ = M/(φbWx)=6.82 ×106/(0.853 ×141 ×103)= 56.701 N/mm2≤［f］= 215 N/mm2，滿足要求。

4.3.2 鋼絲繩受力分析

鋼絲繩破斷拉力總和:Fg= 181.0 kN ×1.308 =236.748 kN，

［Fg］= α ×Fg/k =0.85×236.748/8 =25.154 kN ≥NS= 24.315 kN(鋼絲繩之間荷載不均勻系數α =0.85，鋼絲繩使用安全系數K = 8)，滿足要求。

4.3.3 錨固點壓環受力分析

錨固點壓環受力:N = 0.971 kN

壓環驗算:

σ =2N/πd2=2 ×0.971 ×103/(3.14 ×162)=2.42 N/mm2≤［f］=65 N/mm2(另一個壓環作為安全保險措施)，滿足要求。

4.3.4 鋼絲繩吊環受力分析

σ =2N/πd2=2 ×24.315 ×103/ (3.14 ×202)=38.72 N/mm2≤［f］= 65 N/mm2，滿足要求。

5 腳手架施工工藝流程及操作要點

5.1 施工工藝流程

腳手架施工工藝流程如下:預埋錨板→預埋U形拉環(上層吊環)→安裝工字鋼懸挑梁→焊接斜撐→縱向掃地桿→立桿→橫向掃地桿→小橫桿→大橫桿(擱柵)→剪刀撐→連墻件→鋪腳手板→裝防護欄桿→扎安全網→張拉鋼絲繩。

5.2 操作要點

5.2.1 預埋錨板及U 形鋼筋拉環

(1)預埋錨板及拉環應嚴格按照施工方案所定的位置、數量和型式正確設置。

(2)預埋錨板采用Q235 級鋼，錨板尺寸200 mm×200 mm×10 mm，錨筋采用2 排4 根φ16 mm HRB400 鋼筋，不應采用冷加工鋼筋，直錨長度不小于30 d。直錨筋與錨板應采用T 形焊接，當錨筋直徑不大于20 mm時宜采用壓力埋弧焊;當采用手工焊時，焊縫高度不宜小于6 mm，且對300 MPa 級鋼筋不宜小于0.5 d，對其他鋼筋不宜小于0.6 d，d 為錨筋的直徑。

(3)U 形鋼筋拉環應預埋至混凝土梁、板底層鋼筋位置，并應與混凝土梁、板底層鋼筋焊接或綁扎牢固，其錨固長度不應小于30 d，見圖7。錨固位置設置在樓板上時，樓板的厚度不宜小于120 mm，如果樓板厚度小于120 mm 則應采用加固措施。

圖7 預埋鋼筋拉環示意圖

5.2.2 安裝工字鋼懸挑梁

(1)懸挑梁應嚴格按照施工方案所定的位置、懸挑和固定段長度、懸臂端間距設置。

(2)懸挑梁懸挑端應設置能使腳手架立桿與鋼梁可靠固定的定位點，定位點離懸挑梁端部不應小于100 mm。

(3)錨固懸挑梁的主體結構混凝土強度等級不得低于C20。

(4)U 形鋼筋拉環、錨固螺栓與型鋼懸挑梁間隙應用鋼楔或硬木楔楔緊。

(5)型鋼懸挑梁固定端應采用不少于2 個U 形鋼筋拉環或錨固螺栓與建筑結構梁板固定。

(6)現澆結構混凝土強度必須達到設計強度75%后方可安裝型鋼懸挑梁。5.2.3 滿鋪腳手板及密目網

(1)腳手板應每步鋪滿、鋪穩、鋪平。竹笆腳手板應按其主竹筋垂直于縱向水平桿方向鋪設，且應對接平鋪，采用18#鉛絲雙股并聯4 角固定在縱向水平桿上。

(2)腳手架內立桿距墻體凈距大于200 mm 時，應鋪設站人板。在施工層及以下每隔3 步與建筑物之間應進行水平封閉隔離，首層及頂層應設置水平封閉隔離。

(3)腳手架外側應采用合格的密目式安全網封閉，安全網應采用18#鉛絲固定在腳手架外立桿內側。5.2.4 桿件設置

(1)底部立桿必須設置縱橫向掃地桿，縱向掃地桿宜采用直角扣件固定在距底座上皮不大于200 mm 立桿上，橫向掃地桿也應用直角扣件固定在縱向水平桿下方立桿上。

(2)立桿接長除在頂層頂部可采用搭接外，其余各層各步必須采用對接。采用對接時，對接扣件應交錯布置，2 根相鄰立桿的接頭不應設置在同步內，同步內隔一根立桿的2 個相隔接頭在高度方向錯開的距離不宜小于500 mm，且各接頭中心至主節點的距離不宜大于步距的1/3;搭接時搭接長度不小于1 m，且不少于3 只旋轉扣件緊固。端部扣件蓋板邊緣至立桿端距離不應小于100 mm。

(3)縱向水平桿應設置在立桿內側，單根長度不應小于3 跨。應采用對接扣件連接或搭接，2 根相鄰縱向水平桿接頭不宜設置在同步或同跨;不同步或不同跨相鄰接頭在水平方向錯開距離不應小于500 mm;各接頭中心至最近主節點的距離不應大于縱距的1/3。搭接長度不應小于1 m，應等間距設置3 個旋轉扣件固定，端部扣件蓋板邊緣至搭接縱向水平桿桿端的距離不應小于100 mm。

5.2.5 剪刀撐

(1)剪刀撐應從底部邊角沿高度和長度方向連續設置至頂部。

(2)剪刀撐斜桿應與立桿或橫向水平桿的伸出端進行連接。斜桿接長應采用搭接，搭接長度不小于1 m，且不少于3 只旋轉扣件緊固，傾角為45°～60°(優先采用45°)，每道剪刀撐跨越立桿根數為5～7 根，寬度不應小于4 跨，且不應小于6 m。

5.2.6 安裝鋼絲繩斜拉索

(1)鋼絲繩斜拉索每個端部繩卡不得少于3 個。

(2)鋼絲繩斜拉索與工字鋼懸挑梁的夾角不小于45°。

(3)鋼絲繩斜拉索出現斷絲嚴重、斷絲局部聚集、繩股斷裂、磨損或腐蝕嚴重不得使用［4］。

6 結 語

本工程超長懸挑腳手架采用工字鋼上拉下撐結構形式，有效解決了落地式腳手架無法滿足穩定性要求及直接懸挑腳手架鋼梁撓度過大且安裝操作困難等不利因素，使施工安全得到保證，縮短了施工周期，降低了成本，取得了良好的綜合效益。

［1］ 江強.非常規懸挑腳手支架的設計與優化［J］.建筑施工，2014(8):966 -969.

［2］ 李玲，姚紀平，井謝謝，等.在鋼絲繩斜拉索與工字鋼懸挑梁組合平臺體系上搭設模板支撐架的施工技術［J］. 建筑施工，2014(8):964 -966.

［3］ 封衛江，郭寧.高層建筑懸挑腳手架性鋼梁與斜拉鋼絲繩共同作用原理分析［J］.建筑安全，2011(4):7 -10.

［4］ 石偉國.高層建筑型鋼懸挑腳手架設計及施工技術［J］. 建筑技術，2012(8):717 -721.