新型外腳手架連墻件的對比分析與計算應用研究

斯旭東

(上海殷行建設集團有限公司，上海 200082)

0 引 言

自20世紀80年代以來，我國的建筑工程領域開始大量使用扣件式鋼管腳手架，經過數十年的發展，各種形式的腳手架在中國建筑工程市場各自發揮了巨大作用，歸結起來，目前市場上約70%為扣件式鋼管腳手架，還有各地方大力推廣的諸如碗扣式腳手架、盤扣式腳手架等，剩下的就是應用在少數特殊領域的傳統竹木結構腳手架。不管何種類型的腳手架，作為建筑工程外腳手架使用時，達到一定搭設高度，必須使用連墻件將架體與建筑結構可靠相連，以保證外腳手架的結構安全和穩定。連墻件是保證架體側向穩定的重要構件，是作業腳手架設計計算的主要假定條件，對作業腳手架連墻件設置做出規定的目的是控制作業腳手架失穩破壞形態，保證架體達到專項施工方案設計規定的承載力。

連墻件的重要性顯而易見，尤其是近十年來全國各地高層建筑如雨后春筍一般拔地而起，腳手架受到的水平方向拉力和壓力隨著高度的增高而不斷增加。在混凝土結構施工階段，外圍護墻往往尚未施工，結構為敞開狀態，再加上外腳手架的密目安全網等因素，造成了結構施工階段外腳手架受到的水平風荷載較大。

國內外發生的單排或者雙排腳手架倒塌事故，基本上都是由于連墻件設置不足或者被拆掉而未及時補救引起的。因此，連墻件的計算是扣件式鋼管腳手架計算的重要部分。

1 連墻件的常見形式及優缺點

1.1 預埋鋼管剛性連墻件

1.1.1 構造形式

預埋鋼管剛性連墻件為最常見也是使用最普遍的連墻件形式，一般做法：將長約500 mm的鋼管預埋于結構最外邊的梁內，用短鋼管將外腳手架與預埋鋼管扣件連接，如圖1所示。

圖1 預埋鋼管連墻件大樣圖

1.1.2 優點分析

預埋鋼管連墻件的主要優點：

(1) 構造簡單，易于操作，因為采用了與外腳手架相同的材料，通用性強，對于外圍不規則結構有著較好的適應性。

(2) 安全性好，只要按照要求擰緊的直角扣件，其抗滑承載力能夠滿足大多數情況下風荷載產生的壓力和拉力。

1.1.3 缺點分析

相較于預埋鋼管連墻件的主要優點而言，其缺點也很明顯：施工后期拆除、修補耗時耗力，每個連墻件都會在外墻上形成一個較大的孔洞，在墻體施工過程中無法封閉，等到外架拆除時，需要先將預埋的短鋼管用氧氣乙炔割除，再封閉外墻孔洞，然后粉刷連墻件處的外墻面，最后掛網施工外墻膩子、涂料。由上述可知，每個連墻件孔洞可謂是麻雀雖小，五臟俱全，外墻的每一道施工工序都不能落下。而在外架拆除階段，受制于工期及安全因素，這么多的工序往往是一兩天內就要完成的，從而導致連墻件孔洞處墻體材料不密實，很容易形成外墻滲漏點。而外墻的滲漏對工程后期的保修非常不利，需要耗費大量的人力物力。

1.2 軟拉硬撐連墻件

1.2.1 構造形式

軟拉硬撐式連墻件通過柔性材料(如鋼絲繩)承受外腳手架的拉力，通過剛性材料(如鋼管)承受外腳手架的壓力。軟拉硬撐式連墻件適用范圍：不適宜預埋鋼管的外腳手架、構造簡單，高度較低的外腳手架。該種形式的連墻件在實際工程中運用不多。其構造形式如圖2所示。

圖2 軟拉硬撐式連墻件大樣圖

1.2.2 優點分析

軟拉硬撐連墻件的主要優點：無須在結構梁中預埋鋼管，所以也就不需要在拆除外腳手架時修補外墻，對于預防外墻滲漏是有利的。

1.2.3 缺點分析

軟拉硬撐連墻件的主要缺點：

(1) 因該形式的連墻件將抗拉和抗壓分置于鋼絲繩和鋼管，其安全性能相對不足，所以適用場景有限制，只能應用于高度較低、較為簡單的外腳手架。

(2) 操作便利性不足。每個連墻件需要在混凝土結構中施工膨脹螺栓，調整鋼絲繩的長度及卡扣，再加上短鋼管頂撐。

1.3 抱箍式連墻件

1.3.1 構造形式

抱箍式連墻件是將外腳手架與結構框架柱以鋼管抱箍的形式相連接。適用范圍較少，主要適用于超高結構，無法將鋼管預埋于梁內的情形。其構造形式如圖3所示。

圖3 抱箍式連墻件大樣圖

1.3.2 優點分析

抱箍式連墻件的主要優點：

(1) 安全性好，其結構基本上等同于預埋鋼管連墻件，能充分發揮鋼管的抗拉和抗壓能力。

(2) 施工靈活，在部分超高結構中，往往沒有結構梁可用于外腳手架的連墻件預埋，采取抱箍式連墻件是個很好的選擇，高低調節也很方便。

1.3.3 缺點分析

抱箍式連墻件的缺點基本上跟預埋鋼管連墻件大同小異，都需要在外圍護墻體施工時預留連墻件孔洞，待外腳手架拆除時才能補上孔洞，留下了外墻的滲漏隱患。抱箍式連墻件在施工便利性上也略顯不足，抱箍的施工較為煩瑣。

1.4 后置螺栓連墻件

1.4.1 構造形式

后置螺栓連墻件采用端部焊接了鋼板的短鋼管作為連墻件，用預埋螺栓或穿梁螺桿將連墻件固定于混凝土結構上。后置螺栓式連墻件的適用面較廣，只要是混凝土結構基本上都能適用。其構造形式如圖4所示。

圖4 螺栓式連墻件大樣圖

1.4.2 優點分析

后置螺栓連墻件的主要優點：

(1) 克服了預埋鋼管連墻件、抱箍式連墻件需要在外墻預留孔洞的不足，有效消除了因外腳手架引起的外墻滲漏隱患。

(2) 適用面較廣，只要是混凝土結構均可適用，施工靈活。

1.4.3 缺點分析

后置螺栓連墻件的缺點：

(1) 工序復雜，需要焊接鋼板，鋼板上開螺栓孔，膨脹螺栓鉆孔等工序，也導致成本較高，相較其他形式連墻件不夠經濟。

(2) 安全性受限制因素較多，膨脹螺栓的施工質量、數量等因素都會影響到連墻件的抗拔作用力。

2 預埋扁鐵式連墻件

本文著重介紹的連墻件形式為預埋扁鐵式連墻件，該形式的連墻件結合了上述幾種連墻件的優點，在保證連墻件抗拉和抗壓承載力的同時，兼顧了施工便利性、經濟性，同時也消除了因外腳手架連墻件引起的外墻滲漏隱患。

2.1 預埋扁鐵式連墻件的構造及主要優點

2.1.1 構造形式

預埋扁鐵式連墻件的構造簡單，由一根400 mm長的40×4鍍鋅扁鐵和短鋼管組成。鍍鋅扁鐵端部開孔，直徑12 mm，將扣件的螺栓穿過鍍鋅扁鐵預開孔洞，從而將鍍鋅扁鐵和短鋼管連接起來。為保證鍍鋅扁鐵的錨固性能，將扁鐵彎折90°，在結構施工時，將扁鐵連墻件預埋至結構梁內。待結構達到50%強度，將連墻件與外腳手架相連。短鋼管頂緊結構面，承受水平壓力，鍍鋅扁鐵承受水平拉力。其構造形式如圖5、圖6所示。

圖5 連墻件大樣圖

圖6 連墻件大樣圖(局部放大圖)

2.1.2 優點分析

預埋扁鐵式連墻件的優點：

(1) 扁鐵預埋于結構梁上側角部，既不影響梁側模支模，也不影響外圍護墻施工，無須在連墻件處留孔，從根本上消除了因外腳手架引起的外墻滲漏問題。

(2) 施工便利，靈活方便：扁鐵的加工只需要切割和鉆孔；結構混凝土澆搗前固定于梁側模板；外腳手架搭設時可將連墻件直接相連，無須其他工具；拆除外腳手架時用手持切割機將外露的扁鐵割除即可。

(3) 安全性好。短鋼管和扁鐵的抗壓抗拉強度能夠抵抗絕大多數工程情況下的水平風荷載作用力。

(4) 通用性強。只要是鋼筋混凝土結構，均可采用預埋扁鐵式連墻件。

2.2 預埋扁鐵式連墻件受力計算

下面以本人親歷的上海市浦東新區曹路基地南擴區B07-03地塊配套初中工程為例，對預埋扁鐵式連墻件各項受力性能進行計算論證。

2.2.1 工程概況

曹路基地南擴區B07-03地塊配套初中工程位于上海市浦東新區曹路鎮，東面為B07-04地塊，西臨龔華路，南臨秦家港路，北面為已建高層住宅小區。本工程由一棟教學樓、一棟綜合樓、一棟體育館、一棟實驗樓以及連廊、門衛、垃圾房、變電站組成。各子項技術指標見表1。

表1 子項技術指標

本工程建筑設計施工年限50年，抗震7度設防，按照綠色建筑一星級設計。1#連廊為短肢剪力墻結構，抗震等級三級，其余各建筑單體均為框架結構，教學樓、綜合樓、實驗樓、體育館及2#連廊抗震等級為二級，門衛、變電站和垃圾房抗震等級為三級。工程基礎采用樁基+承臺形式，無地下室。

2.2.2 穩定性驗算

(1)基本參數計算：

采用的連墻件為40×4鍍鋅扁鋼、鋼管為48×3.2，均為Q235材質，抗拉、抗壓強度設計值f=205 N/mm2

① 連墻件風荷載標準值計算(按腳手架頂部高度計算)

水平風荷載標準值為：

Wk=0.7μzμsω0

(1)

式中查表可得：

μz=0.92，μs=0.693，ω0=0.55

故:

Wk=0.7×0.92×0.693×0.55=0.245 kN/m2

每個連墻件的覆蓋面積內腳手架外側的迎風面積為：

Aw= 4.5×3.8=17.1 m2

風荷載產生的連墻件軸向力設計值為：

Nlw=1.4WkAw

=1.4×0.245×17.1=5.87kN

(2)

根據《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》(JGJ 130-2011),連墻件約束腳手架平面外變形所產生的軸向力為：

N0= 3.0 kN

連墻件軸向力設計值:

Nl=Nlw+N0=5.87+3=8.87 kN

② 鍍鋅扁鋼開孔處抗拉強度驗算：

開孔處截面面積：

Ac=(40-12)×4=112 mm2

鍍鋅扁鋼抗拉強度為：

σ=Nl/Ac≤0.85f=174.25 N/mm2

(3)

σ= 8 870/112=79.20≤174.25

故：鍍鋅扁鋼開孔處抗拉強度滿足要求。

(2)鍍鋅扁鐵錨固長度驗算：

近似法：鍍鋅扁鐵截面積為40×4=160 mm2，近似于φ14圓鋼截面積，將鍍鋅扁鐵近似于φ14圓鋼進行錨固長度La1驗算：

(4)

(3)握裹力計算法：

按照鍍鋅扁鋼與混凝土水泥漿之間的握裹力計算錨固長度：

需要滿足：

Asf≤S×u×La2

(5)

式中：u為混凝土對鍍鋅扁鋼的平均握裹力，取混凝土標準抗壓強度的10%，即3N/mm2;S為鍍鋅扁鋼周長。

(6)

錨固長度取max{La1,La2}=132 mm

實際采用錨固長度250 mm>132 mm，故：錨固長度滿足要求。

(4)短鋼管抗壓穩定性驗算：

Nl/φA≤0.85f=174.25 N/mm2

(7)

由長細比l/i=400/15.9的結果查表得到φ=0.949；

A=4.5 cm2

故：短鋼管穩定性滿足要求。

(5)扣件抗滑承載力驗算：

扣件抗滑移應滿足：

Nlw≤Rc

(8)

式中：Rc為扣件抗滑移承載力設計值，直角扣件取8.0 kN。

Nlw=5.87 kN<8.0 kN

故：扣件抗滑承載力滿足要求。

3 結論與建議

總結起來，以安全性、施工便利性、外墻滲漏隱患、適用范圍以及經濟性五個方面分別評價各個形式的外腳手架連墻件，按照一般、較好、好三個評價標準，評價結果見表2。

表2 外腳手架連墻件評價表

從表2看出，預埋扁鐵式連墻件在各項評價指標中均有較好的表現，作為外腳手架連墻件有較好的優勢，可以為施工單位提高施工效率，減少因外腳手架連墻件引起的外墻滲漏等質量通病，節省了工程成本。預埋扁鐵式連墻件是建筑工程外腳手架搭設提質增效的有力工具。