懸挑外腳手架底部支撐體系的設計改進

譚紅軍

（湖南中天建設集團股份有限公司，湖南 株洲 421000）

建筑外腳手架是建筑工程施工中不可或缺的施工安全防護措施之一。傳統懸挑外腳手架下部主要支撐一般采用固定在混凝土樓蓋上的工字鋼或H 型鋼。懸挑型鋼穿過后砌的外隔墻，不得不預留大量的施工洞，后期拆除型鋼支撐后再進行施工洞封堵。一旦施工工藝監管不到位，就極易造成外墻滲漏。

外墻滲漏一直是建筑行業的質量通病之一，為防止這一質量通病的發生，政府相關職能部門和建設單位一直要求設計單位和施工單位從方案設計、施工工藝到后期維護全過程進行重點監控，以保障建筑外墻使用功能的完整性，維護業主的合法權益。同時，施工單位也在不斷改進外腳手架施工工藝。

除了外墻滲漏之外，這種傳統的懸挑型鋼支撐體系，還存在如下不可避免的弊端：

（1）鋼材用量大，增加能耗，不利于節能減排，與現行國家環保政策相悖。

（2）型鋼的后端荷載方向向上，與樓板正常使用時的荷載相反，建筑物結構設計時一般不考慮該荷載，對樓板結構不利；在短肢剪力墻結構中的陽角處，工字鋼安裝相對集中，造成部分工字鋼從邊緣構件中穿過導致縱向鋼筋偏位，甚至將暗柱縱向鋼筋打斷，對主體結構安全產生一定的影響。

（3）后期在進行墻體砌筑、內外墻裝修、地面工程施工時，型鋼安裝位置施工不得不預留大量的收尾工序，不利于安全文明施工；外墻預留的大量臨時施工洞口，在外架拆除后需要進行專業封堵，存在外墻滲水隱患，導致使用功能缺陷，造成質量事故，后期修復成本極高。

（4）在高空進行拆除工字鋼作業時，需要塔吊配合施工，不但拆除困難，而且存在一定的安全隱患；如操作人員操作不當，導致發生高空墜落和物體打擊事故，極易出現生產安全事故。

1 懸挑外腳手架斜拉支撐體系簡介

懸挑外腳手架斜拉支撐體系是將固定在樓板上的較長的工字鋼或H 型鋼改為短工字鋼或H 型鋼，并將其固定在主體結構構件上，同時在型鋼的前端設置斜拉桿，形成穩定的三角形外支撐受力體系。懸挑外腳手架斜拉支撐體系具體的構造做法如圖1 所示。

圖1 斜拉支撐體系懸挑腳手架構造示意圖

該體系主要由支撐型鋼、斜拉桿、上吊件及預埋螺栓組成，如圖2 ～5 所示。關鍵構件是支撐型鋼和斜拉桿。

圖2 支撐型鋼

圖3 斜拉桿

圖4 支撐型鋼預埋螺栓

圖5 上吊件及預埋螺栓

2 關鍵構件受力分析

下面以某工程實例對關鍵構件（型鋼和斜拉桿）進行強度驗算。

2.1 工程簡介

某住宅工程，建筑面積約13500m2，工程造價約2430 萬 元（ 按1800 元/m2計）。 地 面 以 上32 層，1 層地下室，地下室頂部覆土厚度1.5m，總建筑高度98.4m。首層室內外高差0.30m，層高5.1m，其他標準層層高3.0m。采用短肢剪力墻結構，結構混凝土強度等級最低為C25，外側梁截面為200mm×550mm。外腳手架采用斜拉支撐體系外懸挑雙排鋼管扣件式外腳手架，架體正常使用高度18m（考慮到架體搭設的需要，在進行斜拉支撐體系安全性驗算時，按24m/8 層計算荷載）；架體形式同傳統外懸挑腳手架，從三層開始起挑，支撐型鋼采用14# 工字鋼（H=140mm，B=80mm，腹板厚度tn=5.5mm，t=9.1mm，R=7.5mm），斜拉桿采用φ=20mm 的HRB300 普通鍍鋅圓鋼，鋼管扣件式腳手架采用φ48mm×3.0mm 的Q235 鋼管；架體結構重要性系數γ0=1.1。該工程外腳手架搭設分段層次如表1 所示。

表1 懸挑腳手架分段層次表

2.2 支撐型鋼受力分析

（1）型鋼強度驗算。

型鋼與主體結構采用螺栓連接。經計算，該型鋼承受最大彎矩為7.2kN·m。

水平鋼梁采用14 號工字鋼，強度計算公式如下：

根據《鋼結構設計標準》（GB 50017-2017）表4.4.1，水平支撐梁的設計強度f=215.0N/mm2，滿足規范要求。

（2）型鋼穩定性驗算。

水平鋼梁采用14 號型鋼，穩定性計算公式如下：

式中：ψb為均勻彎曲的受彎構件整體穩定系數。查《鋼結構設計規范》（GB 50017-2017）附錄得到ψb=2.00。由于ψb大于0.6，按照《鋼結構設計標準》（GB 50017-2017）附錄C 其值ψb'=1.07-0.282÷ψb=0.929。

經過計算得到強度σ=1.1×7.2×106÷（0.929× 102000.00）=83.58N/mm2。σ ＜[f]，滿足要求。

（3）預埋螺栓強度驗算。

經計算，該處的受力螺栓承受的剪力最大值為17.2kN，斜拉桿拉力最大值為42.32kN；該處采用2 根φ14 普通C 級螺栓，螺栓同時承受剪力和拉力，每根螺栓承受的剪力為8.6kN，拉力為18.829kN。

查《鋼結構設計標準》（GB 50017-2017）表4.4.6螺栓連接強度指標,得4.8 級C 級普通φ20 螺栓的強度指標為：=140N/mm2，=170N/mm2，=140×3.14×7×7=21540N，= 170×3.14×7×7=26155N。

單個螺栓承受的設計剪力為8.6kN，拉力設計值為9.41kN，代入式（3）：

求得應力比=0.5374 ＜1，滿足要求。

2.3 斜拉桿受力分析

（1）斜拉桿強度驗算。

斜拉桿采用d=20mm 的HRB300 圓鋼制作，經計算，該斜拉桿承受的拉力Nmax=40.418kN。

可得σ=40.418×1000÷（3.14×102）=128.72N/mm2。小于抗拉強度設計值270N/mm2，滿足規范要求。

（2）耳板強度驗算。

連接耳板采用兩塊100mm×90mm×8mm 的Q235鋼板，如圖6 所示。

圖6 耳板焊接構造圖

耳板承受最大拉力為40.418kN，每塊耳板承受剪力為20.209kN。 故fv=20.209÷8÷（80-23.5）=44.71N/mm2＜=140N/mm2。耳板強度滿足要求。

（3）上吊件螺栓強度驗算。

采用1 根直徑20mm 的普通Q235 的螺栓連接，該螺栓可直接承受連接件的剪切和拉應力，查《鋼結構設計標準》（GB 50017-2017）表4.4.6 螺栓連接強度指標，得4.8 級C 級普通φ20 螺栓的強度指標為：fvb=140N/mm2，ftb=170N/mm2，Nvb=140×3.14×10×10=43960N，Ntb=170×3.14×10×10=53380N。

該螺栓承受的最大設計剪力為36000N，拉力設計值為18330N，代入式（3），求得應力比為0.8879 ＜1。滿足要求。

3 項目應用對比分析

根據懸挑腳手架斜拉支撐體系在工程實踐中的應用，文章從安全性、經濟性、適用性、綠色施工、建筑節能等方面將之與進行傳統的懸挑外腳手架支撐體系對比分析。

3.1 安全性

（1）支撐體系的安全性：這兩種腳手架支撐體系的安全性均能滿足架體安全的需要。

（2）安裝拆除的安全性：斜拉支撐體系由于結構構件較小，工人在進行安裝拆除時，更加方便安全，減小了高處墜落的安全風險。

（3）對結構構件的完整性破壞：傳統的懸挑型鋼支撐體系在穿過剪力墻時，有可能對主體結構產性不利影響，破壞了主體結構完整性。

3.2 經濟性

（1）用鋼量：一般傳統的懸挑型鋼平均用鋼量為76kg/根，斜拉支撐型鋼用量為35.676kg/根，減少型鋼用量約54%。

（2）后期封堵外墻成本：按60 元/處的工程直接計算，單棟住宅工程預留施工洞約500 處，可節約直接工程成本約3.0 萬元。

（3）塔吊臺班：采用斜拉支撐體系，垂直運輸的塔吊臺班僅需要1 小時/懸挑層，整體住宅完工臺班用量不足2 個臺班；而采用傳統的懸挑支撐體系，型鋼安裝、拆除加上垂直運輸至少需要15 個臺班，按1000 元/臺班計價（含人工費、塔吊租金、電費等），斜拉支撐體系可節約機械臺班費用約1.3 萬元。

（4）材料運輸成本：斜拉支撐體系的運輸量僅為傳統型鋼的一半，可節約運輸成本約0.18 萬元。

（5）安裝拆除人工成本：斜拉支撐體系安裝拆除時，僅需要2 人即可進行操作，而傳統的懸挑支撐體系需要3 人，而且需要塔吊配合，每層懸挑可節約6 個工日左右，整棟住宅下來，可節約約30 個工日，按300元/工日計算，人工成本相對于傳統支撐體系，可節約人工成本約0.9 萬元。

（6）工期節約綜合成本：采用斜拉支撐體系，可節約工期約20d，按5000 元/d 計，可節約工期綜合成本10 萬元。

合計節約工程直接成本約15.38 萬元，節約成本占工程總造價的0.63%，而且還不考慮后期因預留施工洞封閉不到位造成外墻滲漏產生的維修增加的成本。

3.3 適用性

（1）模板完整性：懸挑支撐體系需要在模板上開口，而采用斜拉支撐體系只需要在螺栓預埋的位置鉆孔即可，保證了模板的完整性。

（2）安裝的便利性：采用斜拉支撐體系，安裝和拆除時，兩個人配合即可完成操作，懸挑支撐體系安裝拆除時需要3 人操作，而且還要塔吊配合才能完成。

（3）對懸挑層地面、墻面工程的影響：采用懸挑支撐體系，樓地面和墻面不得不留下大量的收尾工作，現場衛生也不好清理。

（4）對樓梯間通行的影響：懸挑支撐體系，當懸挑型鋼傳樓樓梯間時，阻斷上下交通，對通行不利；而斜拉支撐體系不存在此類問題。

（5）對材料堆場的影響：由于斜拉支撐體系型鋼構件尺寸較小，如及時安排，幾乎不占用施工場地，而懸挑支撐體系由于安裝拆除的工期影響，不可避免存在短期內占用場地的現象，特別是后期拆除又需要在室外附屬工程趕工的情況下，對場地的影響顯得尤為突出。

3.4 綠色施工

采用斜拉支撐體系，用鋼量僅為懸挑支撐體系的46%左右，且斜拉支撐體系的型材可以周轉重復使用，可作為綠色施工技術之一，有利于節能減排。

3.5 對使用功能的影響

懸挑支撐體系破壞了外墻的完整性，存在外墻滲漏隱患；而斜拉支撐體系不存在此類問題。

4 結論

根據斜拉支撐體系在工程實踐中的應用結果，通過與傳統懸挑支撐體系的比較分析，可以清晰地看到，在高層建筑懸挑外腳手架采用斜拉支撐體系，具有明顯的優勢。具體而言：安全性方面，在保證架體安全的前提下，減少了安全事故隱患，降低了工程安全事故的風險；經濟性方面，節約了工程直接成本；在進度上縮短了工期；適用性方面，操作簡便，更利于安裝拆除；使用功能方面，在施工工藝上徹底解決了傳統懸挑支撐體系的外墻滲漏隱患；節能減排方面，因鋼材用量大量減少，可節約大量能源，減少廢棄物的排放，同時可作為綠色施工技術措施之一。

鑒于上述原因，大量推廣建筑懸挑外腳手架斜拉支撐體系在工程實踐中應用，具有十分重要的意義。