花籃腳手架與普通型鋼懸挑腳手架靜力學(xué)性能探討

谷新強(qiáng) 徐 棟

(1.福建六建集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 350000； 2.棗莊科技職業(yè)學(xué)院，山東 棗莊 277800)

1 概述

我國(guó)建筑多以多層和高層居多，懸挑腳手架已經(jīng)在工程施工中得到廣泛的運(yùn)用，建筑施工現(xiàn)場(chǎng)多為上拉式和懸挑梁式腳手架[1]。

上拉式懸挑腳手架(花籃腳手架)，即懸挑鋼梁通過(guò)高強(qiáng)螺栓與主體結(jié)構(gòu)連接固定，懸挑鋼梁端部通過(guò)鋼筋拉桿與上部結(jié)構(gòu)主體連接，每根鋼拉桿由兩部分組成，兩端拉桿通過(guò)花籃螺栓連接，這種構(gòu)造形式極大的節(jié)約鋼材使用量，由于懸挑型鋼穩(wěn)定性主要通過(guò)螺栓與結(jié)構(gòu)混凝土的握裹力提供，規(guī)范要求主體混凝土必須達(dá)到一定強(qiáng)度才能進(jìn)行懸挑構(gòu)件的安裝，根據(jù)相關(guān)規(guī)范[2]規(guī)定：安裝懸挑鋼梁時(shí)，對(duì)應(yīng)的主體結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值不應(yīng)低于10 MPa；搭設(shè)腳手架時(shí)，對(duì)應(yīng)的主體結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值不應(yīng)低于15 MPa。懸挑梁式腳手架底部傳力構(gòu)件為懸挑鋼梁。懸挑型鋼錨固到建筑物的樓板處，并且用斜拉鋼絲繩將主體結(jié)構(gòu)與主梁的外端上方進(jìn)行連接，根據(jù)規(guī)范要求：懸挑主梁錨固段長(zhǎng)度不應(yīng)小于懸挑長(zhǎng)度的1.25倍，且每根主梁端部都應(yīng)通過(guò)鋼絲繩與上部結(jié)構(gòu)拉結(jié)達(dá)到卸荷目的，這種形式腳手架極大的保證懸挑型鋼的穩(wěn)定性，但是用鋼量成倍增加且還需要在剪力墻預(yù)留出很大洞口。對(duì)以上兩種形式腳手架進(jìn)行靜力學(xué)性能分析，根據(jù)分析結(jié)果可以用來(lái)指導(dǎo)腳手架的施工，很好的避免安全事故的發(fā)生。

2 花籃腳手架與普通型鋼懸挑腳手架力學(xué)性能分析

某一住宅項(xiàng)目為地下2層，地上16層，4層以下采用落地式腳手架，4層以上采用懸挑腳手架，其中標(biāo)準(zhǔn)層層高為3.3 m,每六層樓懸挑一次架體高度18 m。其中兩種懸挑腳手架參數(shù)：主梁為16號(hào)工字鋼，雙排腳手架橫距0.85 m、步距為1.8 m、縱距1.2 m，連墻件布置為兩步三跨，腳手板為沖壓鋼且鋪設(shè)方式為一步一設(shè)，基本風(fēng)壓取為0.3 kN/m2，具體腳手架搭設(shè)參數(shù)見(jiàn)圖1，懸挑梁式腳手架剖面圖見(jiàn)圖2。

2.1 力學(xué)模型簡(jiǎn)化

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[2，3]花籃式腳手架主梁主要以結(jié)構(gòu)錨固點(diǎn)和上拉桿連接點(diǎn)為支撐點(diǎn)，可以簡(jiǎn)化為伸臂梁計(jì)算模型如圖3所示；懸挑梁式腳手架主梁主要以結(jié)構(gòu)內(nèi)錨固點(diǎn)為支撐點(diǎn)，可以將其簡(jiǎn)化為懸臂梁計(jì)算模型，如圖4所示。

其中,N內(nèi)為腳手架內(nèi)立桿軸向力設(shè)計(jì)值；N外為腳手架外立桿軸向力設(shè)計(jì)值；Lc為花籃架主梁結(jié)構(gòu)支撐點(diǎn)距上拉桿支撐點(diǎn)距離;Lc1為建筑內(nèi)錨固點(diǎn)之間的距離;Lc2為主梁的懸挑長(zhǎng)度;q為型鋼梁自重線(xiàn)荷載標(biāo)準(zhǔn)值。

2.2 懸挑腳手架主梁力學(xué)性能分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)[4]知識(shí)可知，在兩種懸挑主梁上腳手架搭設(shè)參數(shù)相同的情況下，其上部架體傳至不同懸挑主梁節(jié)點(diǎn)力是相同的，通過(guò)計(jì)算的q=0.25 kN/m,N內(nèi)=N外=10.9 kN，圖5為花籃腳手架計(jì)算簡(jiǎn)圖，圖6為懸挑梁式腳手架計(jì)算簡(jiǎn)圖。

2.2.1懸挑主梁截面正應(yīng)力驗(yàn)算

結(jié)合力學(xué)知識(shí)畫(huà)出懸挑主梁彎矩圖，如圖7所示為花籃腳手架彎矩圖，圖8所示為懸挑梁式腳手架彎矩圖(單位:kN·m)。

由正應(yīng)力公式為σmax=γ0Mmax/W，其中,γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，參考規(guī)范統(tǒng)一取1.0；W為主梁截面抵抗矩，16號(hào)工字鋼取141 cm3；Mmax為主梁截面最大彎矩設(shè)計(jì)值，將上述數(shù)據(jù)分別代入公式得到花籃腳手架主梁正應(yīng)力為14.291 MPa，懸挑梁式腳手架主梁正應(yīng)力為113.307 MPa，均小于鋼材抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215 MPa。

2.2.2懸挑主梁截面剪應(yīng)力驗(yàn)算

結(jié)合力學(xué)知識(shí)畫(huà)出懸挑主梁彎矩圖，如圖9所示為花籃腳手架剪力圖，圖10所示為懸挑梁式腳手架剪力圖(單位:kN)。

2.2.3懸挑主梁撓度驗(yàn)算

結(jié)合力學(xué)知識(shí)畫(huà)出懸挑主梁變形曲線(xiàn)圖，圖11為花籃腳手架變形圖，圖12為懸挑梁式腳手架變形圖(單位:kN)。

懸挑鋼梁容許撓度計(jì)算公式為2×lx/250，其中,lx為鋼梁懸挑長(zhǎng)度，將1 200 mm代入公式得，鋼梁容許撓度值為9.6 mm，0.071與4.41均小于9.6。

2.2.4懸挑腳手架上拉桿受力分析

1)花籃架上拉桿由鋼筋和花籃螺栓組成，表1為上拉桿材料參數(shù)。

表1 上拉桿材料參數(shù)

a.上拉桿強(qiáng)度驗(yàn)算。

上拉桿件傾角α1=arctanL1/L2=arctan(3 300/1 050)=72.35°，上拉桿件支座力設(shè)計(jì)值為RS1=nzR2=1×12.005=12.005 kN。

主梁軸向力設(shè)計(jì)值NSZ1=RS1/tanα1=12.005/tan72.35°=3.82 kN。

上拉桿件軸向力設(shè)計(jì)值為:

NS1=γ0RS1/sinα1=1×12.005/sin72.35°=12.598 kN。

上拉桿件的最大軸向拉力設(shè)計(jì)值：

NS=max[NS1…NSi]=12.598 kN。

軸心受拉穩(wěn)定性計(jì)算：

σ=NS/A=12.598×103/201.1=62.645 N/mm2≤f=205 N/mm2符合要求。

b.花籃螺栓驗(yàn)算。

σ=NS/(π·e2/4)=12.598×103/(π×122/4)=111.39 N/mm2≤[ft]=170 N/mm2符合要求。

2)懸挑梁式腳手架鋼絲繩受力計(jì)算。

吊拉鋼絲繩受力計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖13。

選用6×19直徑14 mm抗拉強(qiáng)度為1 700 MPa的鋼絲繩，鋼絲繩總斷面積為72.49 mm2,鋼絲繩破斷拉力為1.23×105N，彈性模量E=8×104MPa。

a.吊拉鋼絲繩的受拉力:

Fs=(2N+q·1.2)/sin72.35°=(2×10.9+0.25×1.2)/sin72.35°=23.26 kN。

b.吊拉鋼絲繩變形計(jì)算。

由圖13知吊拉鋼絲繩與懸挑鋼梁72.35°夾角時(shí)長(zhǎng)度：

S=1 200/sin72.35°=1 263 mm。

鋼絲繩變形量為：

ΔS=FsS/(EA)=(23.36×103×1 263)/

(8×104×72.49)=4.98 mm。

c.由于鋼絲繩的拉長(zhǎng)變形，懸挑鋼梁端豎向位移為：

υ=ΔS·sin72.35°=4.73 mm<9.6 mm符合規(guī)定。

d.吊拉鋼絲繩預(yù)緊力的確定。

本工程懸挑鋼梁端部的撓度容許值為9.6 mm，則鋼絲繩的變形量為：

ΔS=9.6/sin72.35°=10.1 mm。

有10.1 mm>4.98 mm相當(dāng)于鋼絲繩處于失效狀態(tài)，此時(shí)只需要固定鋼絲繩增加預(yù)緊力。

2.2.5計(jì)算結(jié)果的分析

表2 力學(xué)性能分析值

將以上計(jì)算結(jié)果匯總到表2力學(xué)性能分析值、圖14為力學(xué)性能對(duì)比圖，由表2和圖14分析可以得到花籃式腳手架主梁在彎矩、剪力、撓度三個(gè)力學(xué)指標(biāo)上均小于懸挑梁式腳手架主梁相應(yīng)值。

3 結(jié)語(yǔ)

基于花籃腳手架和懸挑梁式腳手架懸挑主梁的靜力學(xué)分析，在主體結(jié)構(gòu)混凝土達(dá)到一定設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，花籃腳手架各項(xiàng)力學(xué)性能優(yōu)于懸挑梁式腳手架，基于實(shí)際施工而言，花籃腳手架鋼材耗用量小，通用性好，但是懸挑工字鋼固定端處理需考慮螺栓、鋼板及混凝土三者之間的相互作用，并且在進(jìn)行懸挑工字鋼承載力驗(yàn)算時(shí)，斜拉桿也參與計(jì)算；普通懸挑腳手架在施工現(xiàn)場(chǎng)易用性較好，但規(guī)范要求錨固段長(zhǎng)度是懸挑段長(zhǎng)度的1.25倍，鋼材消耗量成倍增加，在剪力墻處需提前預(yù)留洞口，方便工字鋼后期錨固，在受力方面，懸挑工字鋼主梁較花籃架主梁受到的彎矩、剪力等內(nèi)力要大，這就要求主梁截面需加大，建筑施工中可以選用小截面型鋼作為花籃腳手架的懸挑主梁；規(guī)范中規(guī)定卸荷鋼絲繩不參與懸挑鋼梁的受力計(jì)算，鋼絲繩的設(shè)置可以減小懸挑鋼梁的端部撓度，對(duì)懸挑腳手架安全性至關(guān)重要。