懸挑腳手架在抗震構造柱施工中的應用

朱文忠

上海奉賢建設發展（集團）有限公司 上海 201499

對懸挑式腳手架進行結構受力計算時，仍然主要采用結構簡化計算。該方式低估了型鋼及腳手鋼管的材料能力，也減弱對局部變形特征的考慮，將對施工實施方的材料及人員周轉造成影響。張偉等[1]對高層建筑中梁側懸挑腳手架采用有限元計算，有效節省了約56%的材料。方光秀等[2]將鋼梁和斜拉鋼絲繩組合，通過Ansys分析得出組合鋼絲繩的變形特征，提出定期張拉要求以指導施工。傅宇等[3]通過應力實測與有限元分析對比，提出型鋼變形導致結構重心前移增加變形，建議數值模擬時考慮相應折減。

1 工程概況

本文以上海奉賢區再生能源綜合利用中心為例，設計并驗證單榀獨立抗震框架結構懸挑腳手架的安全性能。如圖1所示，主廠房煙氣凈化車間內共設9處抗震構造框架柱，其中隨墻板結構已建設的有6處，設備安裝空場區內獨立抗震框架柱有3處，示例計算部位在設備安裝空場區域內。

圖1 主廠房煙氣凈化間平面

如圖2所示，單榀獨立抗震框架結構有2根1 600 mm×700 mm鋼筋混凝土柱（C35），柱心沿X軸間距7 000 mm，總高度均為46.2 m。沿高度方向每隔4～4.5 m分隔為一層，每層柱間有2道1 100 mm×300 mm鋼筋混凝土連接梁（C35），梁間由150 mm厚鋼筋混凝土板（C35）連成小平臺。

圖2 單榀獨立抗震框架結構

2 型鋼懸挑腳手架布設

2.1 懸挑型鋼參數

依據規范建議，全結構從第2層（8.5 m標高）向上分2段獨立搭設，懸挑高度分別為18.54、19.20 m，型鋼架體布置方式相同。小平臺段由中心對稱布置5根16#工字鋼承力梁，由2道壓環鋼筋固定在結構梁板上；柱陽角區域共設置3根16#工字鋼承力梁，端部由普通螺栓固定在柱內，工字鋼頂面上3 m高的柱內預埋普通螺栓，將拉桿（φ25 mm）通過吊耳板連接至結構柱內，所有連梁均采用10#槽鋼，型鋼布置方式如圖3所示。

圖3 懸挑型鋼立面布置

2.2 鋼管腳手架參數

腳手架橫距800 mm，縱距1 375 mm，步距1 800 mm，外排立桿距離工字鋼最外懸挑端為 150 mm，內排立桿距離結構邊為 300 mm。單挑的普通鋼管（φ48 mm×3 mm）約610根，鋼笆片（900 mm×800 mm）約220片，腳手板及木擋板一步一設，連墻件兩步一跨布設，如圖4所示。

圖4 單挑腳手架立面

3 有限元分析與驗算

3.1 模型與邊界條件

參考陳順霖[4]和梅德磊[5-6]等對結構邊界條件的研究成果，結構梁采用梁單元，小平臺采用帶厚度板單元。I16（16#工字鋼）主挑梁采用梁單元，陽角區I16在結構端部節點與結構柱節點采用剛性連接，簡化螺栓構造。小平臺處I16與結構連接梁采用剛性連接替代壓環鋼筋構造，考慮變形特征，剛節點的主節點在結構梁上，并分割結構梁單元，I16隨結構梁變形而從屬附加位移特征。由于拉桿與型鋼在端部連接為環式，桿件內部扭轉應力較小，因而采用桁架單元模型。鋼管腳手架則采用一般梁單元，鋼籬笆采用無厚度板單元，實際施工中橫桿與縱桿之間是扣件連接，且螺栓口強度均由壓力測定，可以將交錯節點等效為剛節點。同時單根鋼管長度約9 m，整個架體搭設完成后為超靜定結構，腳手架的等效梁端無需釋放約束。C10a型鋼連梁與I16主梁建模方式相同，不同點在于腳手架底部與槽鋼節點需釋放平面彎矩約束，模型如圖5所示。

圖5 計算模型示意

3.2 荷載組合

由于鋼籬笆采用無厚度板單元，故需附加板單元壓力，根據材料供應廠家出具產品相關文件，鋼籬笆自重為0.10 kN/m2。擋板自重0.17 kN/m2，按每步綜合折算至內圈梁上為51 N/m，密目網自重0.01 kN/m2，按每步綜合折算至外圈梁上為6 N/m。施工作業限定僅一層，在最頂層腳手板上施加300 N/m2的板單元壓力，如圖6所示。考慮架體搭設存在缺陷，所有鋼材自重取1.2倍放大系數作為變形補償。

圖6 荷載等效布置

3.3 分析驗算

3.3.1 懸挑主梁驗算

如圖7所示，I16懸挑主梁應力集中點均處在固節點部位。計算得：懸挑主梁最大應力、最大剪力均符合要求；小平臺鋼梁外伸端出現最大位移，最大位移符合要求。

圖7 I16懸挑主梁有限元分析結果

3.3.2 懸挑連梁驗算

如圖8所示，[10a懸挑連梁應力集中點位于焊接節點部位。計算得到：懸挑主梁最大應力、最大剪力、最大位移均符合要求。

圖8 C10a懸挑連梁有限元分析結果

3.3.3 腳手架桿件能力驗算

如圖9所示，腳手架桿系應力集中點在桿系底部。計算得：桿系最大應力、平面布置桿件最大剪力、最大位移均符合要求。

圖9 腳手架桿系有限元分析結果

3.3.4 扣件抗滑與立桿穩定驗算

如圖10（a）、圖10（b）所示，桿系水平向最大剪力分別為Fx＝0.5 kN、Fy＝0.7 kN，扣件抗滑承載力Rmax＝1.1[Fx, Fy]max＝0.77 kN，小于極限承載力的7.2 kN，符合要求。如圖10（c）所示，最大軸向壓力Pmax＝6.4 kN，臨界壓力為270 kN，軸力小于臨界壓力，滿足壓桿穩定要求。連墻件作為附屬加固結構，不參與懸挑持力能力計算。

圖10 立桿桿系有限元分析結果

3.3.5 拉桿與吊耳驗算

吊耳構造如圖11所示，初步擬定相關參數為：吊耳板厚12 mm，順受力方向吊孔邊距板邊緣最小距離65 mm，吊耳板抗拉強度設計值205 N/mm2，鋼拉桿與吊耳板連接焊縫焊腳尺寸8 mm，角焊縫強度設計值160 N/mm2，吊孔直徑25 mm，吊耳板兩側邊緣與吊孔邊緣凈距50 mm，吊耳板連接螺栓數量為1個，吊耳板抗剪強度設計值125 N/mm2，鋼拉桿與吊耳板連接焊縫總長度120 mm。

圖11 吊耳構造

如圖12所示，拉桿最大軸向拉力Ns＝9.2 kN，最大應力σmax＝18.9 N/mm2，小于許用應力的205 N/mm2，滿足穩定要求。花籃螺栓內應力σ＝24.2 N/mm2，小于許用內應力的170 N/mm2，滿足要求。經驗算，耳板構造、耳板孔凈截面處抗拉強度、端部截面抗拉強度、抗剪強度等均滿足要求。

圖12 拉桿內應力云圖

3.3.6 焊縫與螺栓驗算

拉桿與吊耳連接焊縫剪應力為13.5 N/mm2，小于許用剪應力的160 N/mm2，符合要求。單個普通螺栓抗剪承載力設計值為68.688 kN，大于單個普通螺栓所受應力的9.2 kN，滿足要求。

4 結語

1）經過驗算，擬定的懸挑設計方案符合承載能力要求，可應用于施工指導。

2）通過有限元計算結果分析得知，擱置的型鋼懸挑主梁在不考慮連接節點構造的情況下，承載能力僅發揮30%，懸挑型鋼能力未得到充分利用。

3）受建筑腳手架規范強制條文限制，構造要求決定了腳手架間距及布置形式，鋼管桿系承載能力被低估，但由于本文未建立節點構造的實體模型，缺乏充分的理論條件及相關專家論證，故不建議超越規范的限定要求。