超長懸挑結構外墻腳手架施工技術研究

曹 靖

(中國葛洲壩集團第二工程有限公司，四川 成都 610091)

0 引言

隨著人們對建筑效果、造型、使用空間以及施工成本提出不同的需求，使得建筑結構形式及平面布置更加多樣復雜，特別是懸挑結構的應用更加廣泛，需要搭設高度很高或支撐結構較長的腳手架。對于超長懸挑陽臺結構外墻腳手架施工，目前施工技術及研究較少，大多還是采用傳統懸挑工字鋼結構，為此需要根據項目實際進行創新，選用一種安全可靠，經濟可行的外架結構形式，確保施工安全。本文結合工程實例，綜合考慮施工工期及成本，通過方案比較和結構計算，設計懸挑腳手架結合鋼絲繩卸荷的結構體系，保證超長懸挑結構外墻腳手架施工，為類似工程提供實例參考。

1 工程概況

洋浦國際航運大廈項目位于海南省洋浦經濟開發區，規劃建設2棟綜合性大廈，總建筑面積104 285.96 m2，2棟樓建筑高度為97.2 m及97.3 m，框架核心筒結構。商務辦公樓及酒店辦公樓除局部樓板為現澆混凝土外，其余為預制裝配式疊合板+現澆混凝土樓板結構，板厚主要為130 mm和160 mm，預制裝配式疊合板厚度為60 mm，樓層層高4.2～5.4 m，商務辦公樓懸挑陽臺最大懸挑長度為2.1 m，在第9層及15層收腰，酒店辦公樓陽臺最大懸挑長度3.8 m，在第9層及14層收腰。因本工程陽臺懸挑長度較大，最大懸挑長度達到3.8 m，且陽臺逐層收縮，外墻腳手架施工難度及風險高，須對腳手架結構形式創新設計。建筑效果圖如圖1所示。

2 方案設計

2.1 方案選擇

方案1：采用整體落地式鋼管腳手架。由于該工程主樓周邊為地下室車庫，主樓施工階段，地庫尚未施工，根據施工規范，架體高寬比不大于3，該工程搭設高度最高為102.8 m，地面寬度至少為34.3 m，周邊地庫無法施工，且鋼管用量巨大，綜合施工成本及安全因素，此方案不適用于該工程。

圖1 整體效果圖

方案2：采用懸挑式鋼管腳手架。此方案能有效減少對鋼管用量及對架體基礎限制，但考慮雙排0.8 m腳手架長度及腳手架與外墻間距0.25 m，根據施工規范，錨固段長度不低于懸挑段1.25倍，工字鋼總長度將不低于懸挑長度+錨固段長度=(0.8+0.25+3.8)+(0.8+0.25+3.8)×1.25=10.9 m，工字鋼不易安裝且占地面積大嚴重影響后續樓內施工，此方案不適用于本工程。

方案3：采用懸挑式鋼管腳手架結合底部工字鋼支撐形式。考慮懸挑陽臺配筋較少，設計承受荷載較低，且懸挑工字鋼鋼管腳手架搭設高度較高，架體重量大，懸挑結構加荷較大，對主體結構有嚴重隱患，此方案不適用于本工程。

方案4：采用懸挑腳手架結合鋼絲繩卸荷的結構體系。根據受力分析，在收腰層采用鋼絲繩對懸挑工字鋼卸荷，將懸挑結構受力改為鋼絲繩卸荷受力，同時根據受力計算，跟隨架體搭設高度，在相應樓層增加鋼絲繩與鋼管架連接卸荷，將整體架體荷載較為均勻地傳遞給結構樓層。采用此方案安全系數高，施工難度及成本較低，且能縮短外架搭設工期。最終經專家論證，確定采用此方案。

2.2 方案總體思路

根據樓層結構特點，工字鋼懸挑扣件式鋼管腳手架搭設高度介于26.15～37.50 m。每段架體分1～3次進行卸荷，卸荷所采用的鋼絲繩均為6×19(a)型。商務辦公樓懸挑腳手架局部自第3層樓層開始搭設(標高8.65 m)，其他自第10層樓層開始搭設(標高40.15 m)的方案，主要為2次懸挑，局部為3次懸挑。

第一次從第3層(標高8.65 m)至第10層(標高39.90 m)，共7層，懸挑高度31.25 m；第二次從第10層(標高40.15 m)至第16層(標高66.30 m)，共6層，懸挑高度26.15 m；第三次從第16層(標高66.55 m)至腳手架頂(標高102.70 m)，共8層，懸挑高度36.15 m。

酒店辦公樓懸挑腳手架局部自第3層樓層開始搭設(標高10.70 m)，其他自第10層樓層開始搭設(標高48.55 m)的方案，主要為2次懸挑，局部為3次懸挑。第一次從第3層(標高10.80 m)至第10層(標高48.30 m)，共7層，懸挑高度37.60 m；第二次從第10層(標高48.55 m)至第15層(標高75.30 m)，共5層，懸挑高度26.75 m；第二次從第15層(標高40.15 m)至腳手架頂(標高102.80 m)，共6層，懸挑高度27.25 m。

3 結構荷載計算

卸荷采用的鋼絲繩選用6×19(a)型，鋼絲繩公稱抗拉強度不得小于1 570 N/mm2(纖維芯)，直徑為16 mm，懸挑工字鋼應采用16號工字鋼，外墻腳手架的計算依據《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》(JGJ130-2011)、《建筑施工模板安全技術規范》(JGJ162-2008)、《混凝土結構設計規范》(GB50010-2010)、《建筑結構荷載規范》(GB 50009-2012)、《鋼結構設計標準》(GB 50017-2017)、《建筑施工腳手架安全技術統一標準》(GB51210-2016)等規范進行計算。考慮到舊鋼管及市場鋼管的供貨情況，所有鋼管均按A48×2.8 mm鋼管進行驗算，以確保安全。以酒店辦公樓最大懸挑3.8 m，第三挑搭設高度27.25 m為例。

3.1 鋼絲繩卸荷計算

卸荷鋼絲繩驗算參數見表1。

第1次卸荷驗算：

α1=arctan(HS/LS1)=arctan(4 740/2 550)=61.721°

α2=arctan(HS/LS2)=arctan(4 740/3 350)=54.749°

鋼絲繩豎向分力標準值，不均勻系數KX取1.5。

由于腳手架所使用的鋼絲繩應采用荷載標準值按容許應力法進行設計計算，計算鋼絲繩豎向分力標準值時，立桿所受力按上面計算取標準值。

表1 卸荷鋼絲繩驗算參數表

P1=Kf×KX×N×hj(n+1)/H×HL/1a=0.45×1.5×6.326×16.25/27.25×2.4/1.2=5.093 kN

P2=Kf×KX×N×hj(n+1)/H×HL/1a=0.45×1.5×7.312×16.25/27.25×2.4/1.2=5.886 kN

鋼絲繩軸向拉力標準值：

T1=P1/sinα1=5.093/sin61.721°=5.783 kN

T2=P2/sinα2=5.886/sin54.749°=7.208 kN

卸荷鋼絲繩的最大軸向拉力標準值[Fg]=max[T1，T2]=7.208 kN

繩夾數量：n=1.667[Fg]/(2T)=1.667×7.208/(2×15.19)=1個≤[n]=4個

花籃螺栓驗算：

σ=[Fg]×103/(π×de2/4)=7.208×103/(π×122/4)=63.733 N/mm2≤[ft]=170 N/mm2

鋼絲繩：查表得，鋼絲繩破斷拉力總和：Fg=161.462 kN

[Fg]’=α×Fg/k=0.85×161.462/9=15.249 kN≥[Fg]=7.208 kN

吊環最小直徑dmin=(4A/π)1/2=(4×[Fg]/([f]π))1/2=(4×7.208×103/(65π))1/2=12 mm

d=20≥dmin

3.2 懸挑梁驗算

主梁離地高度為75.55 m，間距1 200 mm，采用U型錨固螺栓固定再樓板上，錨固螺栓直徑d為18 mm，主梁為16號工字鋼，主梁建筑物外懸挑長度Lx為5 100 mm，主梁建筑物內錨固長度Lm為600 mm，主梁外錨固點到建筑物邊緣的距離a為100 mm，主梁合并根數nz為1。懸挑梁基本參數見表2，懸挑梁支撐點參數見表3，懸挑梁驗算參數見表4。

表2 懸挑粱基本參數表

表3 懸挑粱支撐點參數表

表4 懸挑粱驗算參數表

1)荷載標準值：

q′=gk=0.205=0.205 kN/m

第1排：F′1=F1′/nz=3.682/1=3.682 kN

第2排：F′2=F2′/nz=3.682/1=3.682 kN

荷載設計值：

q=1.3×gk=1.3×0.205=0.267 kN/m

第1排：F1=F1/nz=7.038/1=7.038 kN

第2排：F2=F2/nz=7.038/1=7.038 kN

σmax=γ0Mmax/W=1×0.357×106/141 000=2.533 N/mm2≤[f]=215 N/mm2

2)抗剪驗算：

τmax=γ0Qmax/(8Izδ)[bh02-(b-δ)h2]=1×0.675×1 000×[88×1602-(88-6)×140.22]/(8×11 300 000×6)=0.798 N/mm2

τmax=0.798 N/mm2≤[τ]=125 N/mm2

3)撓度驗算：

νmax=0.094 mm≤[ν]=2×lx/250=2×5 100/250=40.8 mm

由于案例編制需多部門合作，成立案例編審委員會。確定案例編寫人員（主要是基礎護理學任課教師，且均來自臨床，具有豐富的臨床實踐和教學經驗），入庫案例項目（基礎護理實驗課所開設的操作項目），決定案例的入選和更新，安排案例的校對與修訂。組織人員參加學習、培訓，明確工作目標和要求，轉變教學觀念，適應護理教學改革。

4)支座反力計算：

設計值：R1=-0.515 kN，R2=1.235 kN，R3=8.109 kN，R4=6.77 kN

標準值：R′1=-0.396 kN，R′2=0.948 kN，R′3=4.504 kN，R′4=3.476 kN

根據受力計算，卸荷采用6×19(a)型鋼絲繩，鋼絲繩公稱抗拉強度不得小于1 570 N/mm2(纖維芯)，直徑為16 mm，工字鋼采用16號工字鋼，滿足要求。

4 具體施工方法

懸挑架立桿縱距為1.20 m，排距(橫距)為0.80 m，步距為1.80 m，每段架體分1～3次進行卸荷，卸荷所采用的鋼絲繩均為6×19(a)型，鋼絲繩公稱抗拉強度不得小于1 570 N/mm2(纖維芯)，直徑為16 mm，卸荷系數均為0.45。因建筑外形變化的原因，距外墻間距(梁邊)不等，最小處采用0.25 m，水平桿外伸長度為0.15 m。外排兩縱向水平桿之間設置2根扣件式鋼管水平防身欄桿，上下間距為0.60 m，外排架內側設全封閉密目安全網，不大于10 m鋪設腳手板、擋腳板和水平兜網，實際施工時所有鋼管的規格不得小于A48×2.8 mm，所有懸挑梁均采用16#工字鋼，如圖2及圖3所示。

圖2 商務辦公樓單體外墻腳手架立面情況及懸挑陽臺懸挑工字鋼節點效果圖

圖3 酒店辦公樓陽臺懸挑3.8 m工字鋼立面圖

5 施工工藝流程及技術要點

5.1 施工工藝流程

工字鋼懸挑鋼管腳手架搭設工藝流程：水平懸挑—縱向掃地桿—立桿—橫向掃地桿—小橫桿—大橫桿—剪刀撐—連墻件—鋪腳手板—扎防護欄桿—扎安全網。

鋼絲繩卸載工藝流程：固定鋼絲繩的預埋件在懸挑層以上第二層樓面開始設置，鋼絲繩牢固連接在內外主節點上，用花籃螺栓統一拉緊，各鋼絲繩松緊一致，受力一致。

5.2 施工工藝要點

根據搭設高度，分3次懸挑，在樓板鋼筋綁扎同時，需要開始預埋錨固件安裝，根據構造要求及結構受力分析，每條工字鋼上采用3個φ18 mm的U型圓鋼作為懸挑工字鋼的連接件。其中1根直接埋設在結構梁內，其他2根采用在預制疊合板上鉆孔，預埋2組φ25 mm PVC塑料套管，待安裝懸挑梁時從板底穿過U型錨固螺栓。3根U型錨固螺栓的中心點連成一條線并必須與外墻面垂直。U型錨固螺栓閉合端高出結構混凝土面一定高度(應滿足工字鋼插入U型錨固螺栓后，鋼梁鋼壓板及螺母、螺母墊片能夠安裝)。在上一層澆筑梁板混凝土時，在上一層相應部位預埋φ20 mm吊環，便于后續安裝卸荷鋼絲繩。

5.2.2 懸挑工字鋼安裝

懸挑工字鋼安裝前，由專業焊工配合架子工在工字鋼上表面設置立桿部位焊接定位筋，高度不小于200 mm。同時，在懸挑工字鋼下焊接定位筋，高度不小于150 mm，便于卸荷鋼絲繩定位并防止卸荷鋼絲繩位移。待混凝土澆筑完成并達到一定強度后，才能開始安裝工字鋼。

首先將工字鋼固定，再多人配合將工字鋼緩慢插入U型錨固螺栓之中，并及時安放鋼壓板，待上一層預埋吊環混凝土達到強度后，立即安裝卸荷斜拉鋼絲繩。懸挑梁穿過柱或剪力墻時，采用在柱或墻上預埋鋼板后焊接形式，如圖4所示。

圖4 柱或剪力墻工字鋼焊接圖

5.2.3 立桿固定

懸挑工字鋼安裝牢固后，組織報驗，驗收通過后開始立桿安裝，由專業架子工將合格鋼管逐個安裝在定位筋上，安裝時需要2人配合，在距工字鋼上表面不高于200 mm處安裝掃地桿，將立桿底部連成一體。

6 結語

施工中對懸挑梁的撓度進行監測，撓度監測值均在允許范圍之內，未發現異常。并在2021年經歷海南“盧碧”“獅子山”“圓規”等多次臺風(最大為12級臺風)影響，架體均未發生安全問題。采用懸挑腳手架結合鋼絲繩卸荷的組合體系對超長懸挑陽臺外墻腳手架精心設計，不僅有效節約工字鋼用量，降低了工程成本，保障了施工安全及施工工期，此外也可依據項目實際情況，經受力計算后選擇合適鋼絲繩和工字鋼進行靈活布置，滿足各種復雜形式的懸挑結構外墻腳手架搭設要求，可在類似工程中推廣應用。