新型桁架式承重懸挑架在裝配式建筑中的應用

王曉研，解 丹

(北京城建十六建筑工程有限責任公司，北京 100089)

0 引言

裝配式建筑因具有部件化、工業化、產業化等特點深受國內建筑市場的認可，隨著國家對裝配式建筑支持政策的不斷出臺，裝配式建筑的標準、技術、產品、監管等體系不斷完善，其效益、質量及品質也不斷加強。建筑方式的轉變會帶來施工技術的改變，預制構件工廠化無法采用傳統現澆結構工字梁懸挑架的做法，因傳統做法需預留較多孔洞，會影響整體裝配式構件施工效率，大量的孔洞也會給裝配式結構外墻保溫、防水等造成不可避免的質量隱患，且傳統工字梁錨固長度過長，陽角復雜。

針對裝配式外墻防護，采用桁架式承重懸挑架，通過在預制外墻中預留螺栓孔洞，將三角架通過螺栓固定在預制外墻中，解決裝配式墻體外防護問題。桁架式承重懸挑架體積小、用鋼量少、質量小、搬運便利、安裝及拆卸方便、工人勞動強度小，可減少塔式起重機工作量、提高工效、消除拆除安全隱患，產品質量可控、安全可靠性高、經濟性高。但桁架式承重懸挑架應用于裝配式墻體時，由于中間保溫層對螺栓的承載力與現澆結構不同，存在復雜的受力關系，需對裝配式外墻進行系統的計算與受力分析，同時結合現場使用及試驗情況進行驗證，確保這一體系在裝配式外墻使用中的安全性。螺栓連接作為桁架式承重懸挑架的重要連接形式，很難預防或發現螺栓的疲勞破壞，需對螺栓重點受力部位加強關注與研究。

1 工程概況

某項目建筑功能主要為住宅、配套設施、幼兒園及地下車庫。住宅采用裝配式結構，地下2層，地上10～15層，鋼筋混凝土預制構件包括3，4層以上外墻、部分內墻、疊合板、空調板、陽臺板及樓梯梯段板等，鋼筋混凝土結構預制率>40%，預制裝配率>50%。

2 桁架式承重懸挑架體系

本工程以桁架式承重懸挑架作為外防護腳手架的基礎，如圖1所示。懸挑架為三角桁架結構，主材立桿采用□80×4，橫桿、斜桿采用□70×4，腹桿采用□50×4，選用Q235B級鋼材；鋼管間采用焊接連接。懸挑架上部鋪設I16，由穿墻螺栓固定在墻上，并采用U形筋固定型鋼，為上部腳手架提供支撐。

圖1 桁架式承重懸挑架

3 桁架式承重懸挑架加載試驗

對懸挑架進行加載試驗(見圖2)，驗證三角架加載值為設計使用荷載時混凝土夾心墻板外葉墻和窗洞附近混凝土的承載情況。考慮到窗洞附近是薄弱點，須驗證懸挑架在常規安裝距離范圍內加載是否滿足要求，因此設計2榀距混凝土夾心墻窗口底部400mm、水平兩側各100mm的三角架，2榀三角架水平間距為1 700mm，按上部承擔4根(內、外立桿各2組)步距1 500mm、縱距1 500mm、橫距900mm的8層腳手架立桿(218m)荷載計算(即縱向3m范圍內總荷載)，考慮荷載基本組合值及重要性系數后取30kN。計劃加載方案為：以6kN為荷載梯級逐級對稱加載，接近極限后以3kN為梯級進行加載。實際加載方案為：0→24kN→30kN→36kN→42kN→52kN→64kN→76kN。每級荷載加載完畢后，靜置一段時間，觀測墻體、窗洞、三角架螺栓孔等荷載較大處的混凝土狀況，重點關注是否出現裂縫及壓潰情況。

圖2 桁架式承重懸挑架加載試驗

加載值為64kN時，在墻體、窗洞、三角架螺栓孔位置均未發現裂縫，且三角架未出現明顯變形,說明三角架滿足該使用條件，且存在一定的安全儲備，滿足規范要求的試驗綜合安全系數>1.5。加載至76kN時，外葉墻窗口兩側均發現開裂(見圖3)。

圖3 外葉墻窗口裂縫

三角架上部螺栓受拉力和豎向剪切力的共同作用，外葉墻在窗洞角落處因應力集中首先出現拉裂縫。螺栓在豎向偏心剪力作用下，螺栓孔靠近外側局部會有較大壓力，在豎向荷載作用下先出現裂縫。

4 螺栓在保溫及外葉墻板懸挑150mm工況分析

4.1 裝配式預制外墻概況

外墻采用預制混凝土夾心保溫外墻板，內葉墻板為200mm厚C30混凝土，中間為90mm厚擠塑聚苯保溫板，外葉墻板為60mm厚C30混凝土。本項目中應用于預制外墻板的不銹鋼保溫拉結件系統由承重拉結件和限位拉結件構成，外葉墻自重和地震荷載等由承重拉結件承擔。承重拉結件規定塑性延伸強度(屈服強度)≥380MPa，抗拉強度≥600MPa；在內、外葉墻中錨固深度應≥50m。板型保溫連接件剖面如圖4所示。

圖4 板型保溫連接件剖面

4.2 螺栓在保溫位置純懸挑

1)選取最大反力點

該位置螺栓分擔6根腳手架立桿傳遞的總荷載，約18.5kN。荷載基本組合(恒荷載組合系數1.3，活荷載組合系數1.5)下對應的螺栓反力值如表1所示，最大螺栓反力值拉力為37.17kN，剪力為23.19kN，螺栓拉剪組合驗算為：

表1 各節點荷載值情況

2)螺栓懸挑模型

選取4.8級普通T30螺栓，假設螺栓與保溫及外葉墻板及外葉墻板重疊部位存在150mm懸空，即保溫不參與受力計算，建立螺栓懸挑模型如圖5所示。邊界條件為預制外墻構件中200mm厚混凝土內葉墻，螺栓受x，z2個方向(垂直螺栓方向)的位移約束，螺母受y方向(沿螺栓方向)位移約束。

圖5 螺栓懸挑模型

螺栓等效應力計算結果如圖6所示。由圖6可知，考慮螺栓在保溫及外葉墻板位置純懸挑且不參與受力的情況下，螺栓最大等效應力為1 664.1MPa， 超過4.8級螺栓的強度(400MPa)。

圖6 螺栓等效應力(單位：Pa)

4.3 改進分析模型

外葉墻板對螺栓提供支撐，荷載由拉結件傳遞給內葉墻。若按懸挑考慮，則螺栓強度不滿足要求。若不考慮夾心保溫板受力狀態，即將螺栓中間90mm考慮為懸挑狀態，則螺栓強度不滿足要求。但實際上螺栓的受力條件不是純懸挑狀態，考慮到預制外墻實際由60mm厚外葉墻板、90mm厚保溫板、200mm厚內葉墻板共同受力，通過保溫連接件可將三者形成一個整體進行受力分析螺栓受力如圖7所示。

圖7 螺栓受力(單位：Pa)

帶窗口板型不銹鋼連接件布置如圖8所示。根據連接件承載能力及其布置情況，墻板制作時采用160型、120型連接件作為豎向抗剪連接件，每塊墻板布置2個抗剪連接件，考慮鋼材抗力分項系數1.4，恒荷載分項系數1.3。對于160型連接件，其抗剪強度標準值為48.72kN，使用該連接件的最大墻板(2.89m×2.89m)為實心墻，其外葉墻自重為2.89×2.89×0.06×25=12.53kN，因此，單個連接件存在48.72/1.4-12.53/2×1.3=26.66kN的抗剪承載力儲備；同理，對于120型連接件，其單個連接件承載力標準值為36.54kN，采用120型抗剪連接件的最大墻體為帶窗洞墻，墻體尺寸為3.21m×2.89m，窗洞尺寸為2.1m×1.4m，其外葉墻自重為(3.21×2.89-2.1×1.4)×0.06×25=9.51kN，得單個豎向拉結件有36.54/1.4-9.51/2×1.3=19.92kN的抗剪承載力儲備。綜上，單個連接件有約20kN的抗剪承載力儲備，每塊墻板布置2個豎向受剪連接件，可提供足夠的承載力。

圖8 帶窗口板型不銹鋼拉結件布置

考慮外葉墻為60mm厚C30混凝土，根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》(2015年版)，其螺栓孔處局部抗壓強度為1.35×1×1×14.3×30×60/1 000=34.75kN，大于為螺栓提供的支撐力23.74kN，外葉墻不會發生局部受壓破壞。

5 桁架式承重懸挑腳手架優化方案

5.1 調整腳手架參數降低荷載

結合目前懸挑腳手架方案和受力模型分析情況，優化懸挑腳手架方案，減少腳手架部分荷載，降低三角桁架及穿墻螺栓的受力。計劃將懸挑腳手架立桿橫距從900mm調整為750mm，增大安全系數。

5.2 設置雙道鋼絲繩增加安全儲備

取最不利位置及轉角位置，即2.1m三角架采取加強措施，設置雙道鋼絲繩，其中1道作為安全儲備，為避免螺栓在材料、荷載分布、應力幅度等因素下發生疲勞強度破壞，此處螺栓不周轉使用。

5.3 增加對外掛架受力較大部位的監測

實際施工時，懸挑腳手架各部件可能存在計算模型和受力分析無法考慮的狀況，在應力集中區域布置監測設備，對架體搭設過程中的架體撓度和螺栓拉力進行監測，并與數值模擬結果進行對比分析。監測測量精度可達0.005°，規范中型鋼懸挑腳手架的設計撓度限值為1/250，即最大角度變形為0.23°，其測量精度可滿足架體撓度的測量要求。

5.4 加強對墻體位移的監測

懸挑腳手架每層架體搭設后，針對三角桁架變形、螺栓松動等情況進行檢查。同時加強對墻體位移的監測，確保混凝土結構安全。

6 結語

以桁架式承重懸挑架為研究體系，結合項目實際應用情況，從體系的工作原理、施工技術、螺栓受力等方面進行研究，通過對該體系進行試驗分析、數值模擬、現場監測等，不斷優化受力計算模型，使有限元分析趨于合理化，同時不斷優化調整現場施工方案，使整體防護體系更加安全合理。實踐證明，桁架式承重懸挑腳手架施工標準化、工具化，符合裝配式建筑綠色施工要求，隨著未來裝配式建筑的不斷發展，桁架式承重懸挑腳手架外墻防護結構在裝配式體系中將具有廣闊的應用前景。