裝配式混凝土建筑外掛腳手架穩定性分析

鐘 晨，朱旭峰，陳野平

1.安徽新華學院，安徽 合肥 230088; 2.建筑結構安徽省普通高校重點實驗室（安徽新華學院），安徽 合肥 230088；3.中國能源建設集團安徽電力建設第一工程有限公司，安徽 合肥 230088；4.合肥建工集團有限公司，安徽 合肥 230088

關鍵字：裝配式建筑 外掛腳手架 有限元 穩定性分析

1 引言

裝配式建筑是結構系統、外圍護系統、內裝系統、設備與管理系統的主要部分采用預制部品部件集成，且預制構件通過可靠連接方式建造的建筑。與傳統現澆結構建筑相比，具有質量好、效率高、工期省、節能環保、改善勞動等優勢［1］。近年來，隨著我國建筑業高質量發展的持續推進，越來越多的高層建筑選擇裝配式混凝土結構，建筑工業化成為當前一個重要趨勢。除了裝配式混凝土結構體系、設計、材料外，施工技術也是保證其安全、質量的重要環節［2］。外掛腳手架通過穿墻螺栓附著于外墻上，具有方便拆裝、經濟環保、重復利用率高等優點，成為當前廣泛使用的腳手架形式［3］。

2 外掛腳手架工藝原理

外掛腳手架由三個部分所組成：腳手板、三角支撐架和臨邊防護架，如圖1所示。

腳手板骨架采用50mm×50mm×3mm的方鋼管焊接而成，上鋪點焊3mm的花紋鋼板，縱、橫方鋼管利用M10螺栓套管連接，套管和外掛吊裝環的位置應與三角支撐架錯開布置。

圖1 外掛提升式腳手架示意圖

三角支撐架是外掛腳手架主要的承重構件，由水平橫桿、豎向立桿和斜向支撐組成，內部采用10#槽鋼焊接連成整體，加勁桿選用6.3#槽鋼增加穩定性。三角支撐架的兩端各有一個著墻支座，每個支座上預留兩個穿墻螺栓孔，便于與外墻體用穿墻螺栓連接。當腳手板懸挑過大時，常在三角支撐架的加勁桿與預制外墻體內側通道之間增設一道加強斜撐，以及在墻底角部設置角碼，兩者相互聯系可共同提高整個外掛腳手架的穩定性［4-5］。

1.8 m的臨邊防護高度可有效防止施工人員墜落事故的發生，防護骨架采用40mm×40mm×3mm的方鋼管焊接，套管連接方式與腳手板相同，防護骨架內側點焊25mm×25mm×2.5mm的鐵絲方格防護網片，外側焊接200mm高踢腳板。

3 外掛腳手架施工技術

對進場的三角支撐架、腳手板、臨邊防護架等進行全面檢查，確保鋼管及其配件的規格和質量均合格。

（1）起吊三角支撐架。將預制三角架掛在塔式起重機掛鉤上，1人于地面指揮，2人站在落地腳手架上，1人在樓層室內指揮，1人負責樓層操作面安全旁站。將三角架慢速吊至安裝位置附件，距離約0.5m，站在落地腳手架上的架子工扶正三角架，并調整好垂直度，配合指揮緩慢將臨邊防護架靠近預制外墻體，并將臨邊防護架與預制外墻體上預留孔洞對孔。

（2）安裝三角支撐架。由2人在室內將穿墻螺栓連同三角架從墻內側插入預留孔，在沒有擰緊所有臨邊防護架螺栓前，不能移動塔吊。在穿墻螺栓外側使用開口銷固定好穿墻螺母，內側用雙螺母緊固，穿墻螺桿露出螺母應不少于三扣，從而將三角支撐架固定在主體結構上。將外三角架單元所有螺栓擰緊后，邊緩慢松鉤邊觀察整個受力體系是否有異常。按照上述步驟依次完成首層一圈外掛腳手架，完成后確保一圈封閉。二層操作同一層，外側操作人員站立位置為首層外三角架。

（3）檢查三角支撐架緊固情況。本層三角架安裝完畢后，使用扭力扳手逐個檢查穿墻螺栓是否鎖緊到位，確保安全穩固。

（4）安裝走道板、護欄。將走道板和護欄一并起吊安裝到三角支撐架上，并用卡扣、螺母將其固定于三角架上方。

（5）安裝安全警示標志。待首層安裝完成后，懸掛上安全警示牌和限重牌，標識允許荷載等內容。

（6）驗收。首先由施工單位自檢，合格后由項目部安全、質量部門聯合檢查，在檢查合格后再由項目經理、技術總監等各相關單位負責人共同驗收，驗收合格后懸掛驗收合格牌，方可投入使用。

（7）周轉吊裝。采用塔吊分段整體提升方式，將組合后單段架體、護欄及架體平臺為單元整體提升。一般情況下，配備兩套外掛腳手架周轉。在每棟樓作業層的下一層預制外墻安裝一套外掛腳手架，對作業層臨邊施工人員進行防護，作業層的預制外墻吊裝時同步安裝另一套外掛腳手架，作為上一層施工的防護架，即第N層外防護架提升至第N+2層安裝［4］。

4 外掛腳手架有限元分析

采用通用有限元軟件ABAQUS，建立外掛腳手架模型。三角支撐架、腳手板、腳手板骨架、臨邊防護均采用S4R殼單元模擬，材料屬性均為鋼材，取值為彈性模量Es=2.06×105N/mm2，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85×10-9t/mm3。截面尺寸如下：三角支撐架橫桿、立桿和斜桿都為100mm×48mm×5.3mm的槽鋼，加勁桿為63mm×40mm×4.8mm的槽鋼；腳手板骨架為50mm×50mm×3mm的方鋼管，腳手板用3mm厚的鋼板；臨邊防護骨架為40mm×40mm×3mm的方鋼管；穿墻螺栓按實際受力狀態用鉸接模擬［6］。

建立外掛腳手架標準模型尺寸如圖2所示：三角支撐架立桿800mm，三角架橫桿600mm，腳手板跨中長度1600mm，腳手板邊跨長度600mm，腳手板寬度600mm，臨邊防護骨架高1800mm。邊界條件按鉸接來模擬三角支撐架立桿上的四個穿墻螺栓實際受力情況［7］。

外掛腳手架主要承受的是和作用在腳手板上的豎向荷載，包括構件自重、施工荷載以及冬季的雪荷載等，以及建筑主體上的水平風荷載。

圖2 外掛架有限元模型

建立外掛式腳手架各構件的自重荷載標準值，如表1所示。

表1 外掛腳手架構件自重荷載

根據《腳手架安全技術規范》JGJ130-2011，考慮施工荷載和風荷載，對腳手板施加豎直向下2.5kN/m2的面荷載，建筑主體由內向外施加垂直于臨邊防護網面的面荷載0.73kN/m2為風荷載［6］。模型中荷載布置方式均采用均布荷載，如圖3所示。

基本風壓采用10年一遇且≮0.3kN/m2，基本風壓設定為w0=0.3kN/m2，地面粗糙類別C類，建筑總高度按90m。根據《建筑結構荷載規范》GB50009-2012，取風壓高度變化系數μz=1.43，風荷載局部體型系數:μs=1.0，風振系數βz=1.71，可計算出作用在臨邊防護水平風荷載標準值為：

圖3 外掛架邊界條件及荷載布置

4.1 外掛腳手架模態分析

在標準尺寸外掛腳手架基礎上，分別對臨邊防護骨架里無水平加勁桿、居中設置一道水平加勁桿、等距設置兩道水平加勁桿的模型分別進行數值分析，得到外掛腳手架前六階模態如圖4所示。從表2模態分析結果看，在地震情況下第一主振型以平動為主，較為合理。

圖4 外掛架模態分析

表2 外掛架前六階振型情況

4.2 標準尺寸外掛腳手架模擬分析

在標準尺寸外掛腳手架基礎上，首先分別對臨邊防護骨架里無水平加勁桿、居中設置一道水平加勁桿、等距設置兩道水平加勁桿的模型分別進行數值分析，得到如下圖5的應力與變形云圖。由表3數據可知，居中設置一道水平加勁桿時，峰值應力較小，兩道水平加勁桿次之，無水平加勁桿峰值應力最大。經分析，外掛腳手架對水平風荷載非常敏感，等距增加兩道水平加勁桿時，其提供的抗側剛度非常有限，且兩道水平加勁桿受風面均多承擔了風荷載，增加了水平力。故建議設計時應重點考慮水平風荷載的影響，可沿臨邊防護高度方向居中設置一道水平加勁桿。

圖5 標準模型防護骨架水平加勁桿設置分析

表3 標準模型防護骨架水平加勁桿設置模擬分析數據

其次對安裝三角支撐架的穿墻螺栓進行受力分析，模擬結果見圖6。其中右上角位置的螺栓為1號，其余2～4號按順時針編號，即1、3號為上部螺栓，軸向受拉；2、3號為下部螺栓，軸向受壓。三角支撐架局部模擬分析結果見圖7，可見螺栓處的應力及沿三個整體坐標系方向的位移數據。由于本次分析外掛腳手架各部件均采用三維殼單元進行分析，具有空間剛度，在外力作用下，三角支撐架發生微小的水平偏轉，導致穿墻螺栓產生了一定的水平剪力，如表4所示。

圖6 外掛腳手架穿墻螺栓受力分析

圖7 三角支撐架局部模擬分析

表4 標準模型防護骨架水平加勁桿設置模擬分析數據

再對連接臨邊防護一側腳手板骨架鋼材厚度進行變參數分析，厚度分別取3.0mm、3.5mm、4.0mm、4.5mm、5.0mm，應力云圖和最大應力見圖8、表5。通過分析可知，隨著連接臨邊防護一側腳手板骨架鋼材厚度增加，最大應力逐步減小。

圖8 改變連接臨邊防護一側腳手板骨架鋼材厚度模擬分析

表5 改變連接臨邊防護一側腳手板骨架鋼材厚度模擬分析數據

最后，在外側腳手板骨架連接臨邊防護兩端且平行于臨邊防護骨架內側位置（圖9所示），通過焊接各增加一道3mm厚的加勁鋼板后，進行模擬分析的應力云圖見圖10。通過分析可知，增加兩塊加勁板可有效減小最大應力，而增加的鋼材質量卻非常少，可有效控制成本增加。加勁板位于臨邊防護骨架內側下對最大應力稍小于位于臨邊防護骨架外側下，從方便施工角度，建議在外側腳手板骨架兩端口部增加。

圖9 連接臨邊防護的腳手板骨架內增加加勁板(t=3mm)示意圖

圖10 連接臨邊防護的腳手板骨架增加加勁板(t=3mm)模擬分析

表6 連接臨邊防護的腳手板骨架增加加勁板(t=3mm)模擬分析數據

4.3 穿墻螺栓的承載力驗算

將三角支撐架和預制外墻體連接在一起的穿墻螺栓同時受拉和剪力作用，螺栓內徑為d=8.37mm，對于4.6級、4.8級鋼材的C級普通螺栓，抗拉強度設計值為170MPa，抗剪強度為140MPa。由表4可進行穿墻螺栓承載力驗算：

（1）穿墻螺栓單獨受拉時，M10螺栓抗拉承載力設計值為：

（2）穿墻螺栓單獨受剪時，M10螺栓抗剪承載力為：

（3）同時受剪和受拉

螺栓1：水平拉力 Nt1=1510N，剪力Nv1=760N。

M10螺栓滿足要求。

螺栓2：水平壓力 Nt2=1329N，剪力Nv2=1599N。

M10螺栓滿足要求。

螺栓3：水平拉力 Nt3=1537N，剪力Nv3=720N。

M10螺栓滿足要求。

螺栓4：水平壓力 Nt4=1358N，剪力Nv4=1633N。

M10螺栓滿足要求。

5 結論

由以上模擬分析和螺栓承載力驗算可知：（1）在最不利工況下，外掛架各構件應力水平正常，不會發生整體傾覆；（2）可在臨邊防護骨架里沿防護高度方向居中設置一道水平加勁桿，可降低其峰值應力；（3）對外側腳手板骨架的兩端平行于臨邊防護骨架的位置，通過焊接各增加一道3mm厚的加勁鋼板，可在少量增加成本的基礎上獲得穩定性能的提升。

裝配式混凝土結構外掛腳手架的應用，達到了提速降本增效的目的，而且在保證工程質量、降低施工風險方面也具備優勢，符合當前綠色建造的趨勢。模擬計算結果顯示，施工外掛腳手架本身安全穩定，并具有較大的安全儲備，驗證了外掛腳手架設計的安全可靠性。