小橫桿懸挑非常規腳手架的應用及安全性能研究

【摘 要】外立面施工腳手架采用小橫桿懸挑的布置方式，合理布置排數，可同時滿足外立面改造拆除和幕墻施工的使用要求，減少架體拆改，節約工期。使用Midas/Gen軟件對小橫桿懸挑腳手架進行計算分析并結合現場實際使用情況，表明搭設高度為20 m的小橫桿懸挑非常規腳手架，在小橫桿懸挑長度小于等于1 m時，其架體穩定性及懸挑小橫桿撓度和穩定性符合規范要求，確定小橫桿最大懸挑長度應定為1 m，當懸挑長度大于600 mm時，應增加斜撐保證小橫桿懸挑段的穩定。此方法為外立面改造施工腳手架的搭設設計提供了參考。

【關鍵詞】外立面改造； 腳手架； 懸挑小橫桿； 懸挑長度； MIDAS/Gen

【中圖分類號】TU731.2【文獻標志碼】A

0 引言

城市街道的提升改造中很重要的一部分是對沿街老舊建筑破損及雜亂的外立面進行改造，新建外立面裝飾多為幕墻且幕墻線條多為不規則造型且突出原墻面較多。對原外立面裝飾進行拆除及新建外立面裝飾時，搭設落地式鋼管腳手架做為操作平臺及防護是比較節約成本和能保證工期、安全的一種方式。

如何對施工腳手架進行合理的設計，使其在保證穩定性的同時，盡量滿足外立面拆除和外墻裝飾施工的使用要求，減少架體拆改，提升施工速度是本文所要研究的內容。

1 工程概況

成都成華區建設路提升改造項目主要涉及外立面更新改造約26 000 m2，樓棟均為3層，最高處為19 m高，外立面新施作裝飾主要為幕墻裝飾，幕墻突出原墻面長度為0.3～1.2 m，大部分幕墻均突出墻面長度較長，且現場原有建筑屋面老舊，路面交通復雜，基本無使用吊籃的條件，使用腳手架進行外立面改造施工是該項目首選。

2 落地式施工腳手架方案設計與比選

2.1 方案設計

施工腳手架需要輔助完成外立面拆除和幕墻施工的工作。且外立面新施作幕墻突出墻面較多，根據此特點進行腳手架方案設計，共提出兩個方案。

2.1.1 方案一

架體首先滿足外立面拆除的需要，離墻距離設置為300 mm，同時考慮后期幕墻施工的需要，根據幕墻面材突出墻面的距離，設置腳手架排數為三排或四排；在外立面拆除施工完成后，施工幕墻時，邊施工邊拆除內部一排或兩排腳手架，保證面材安裝的空間。具體布置方式示意如圖1所示。

2.1.2 方案二

為減少腳手架拆改，在方案一的基礎上進行腳手架搭設時減少腳手架排數，采用懸挑小橫桿做為操作平臺，腳手架離墻距離根據幕墻面材突出原墻面長度調整為0.5～1.5 m，小橫桿懸挑長度為0.3～1 m。在外立面拆除完成后，施作幕墻時僅需調整小橫桿即可保證幕墻面材的安裝空間。具體布置方式如圖2所示。

2.2 方案比選

對方案一和方案二優缺點、經濟性、適用性進行比較，比較結果見表1。

表中經濟性一列，方案二采用小橫桿懸挑作為施工平臺，節約搭設腳手架面積為3 700 m2，減少拆改腳手架面積為1 000 m2，按照腳手架搭設及拆改45元/m2價格計算，采用方案二，共節約211 500元。

從表1中可以看出方案二在適用性和經濟性方面都具有優勢，針對其相對不穩定和安全防護及管理要求高的缺點，可通過計算分析和采取有效措施和方法進行優化和避免。

綜上所述，應優先選擇方案二進行施工腳手架的搭設。

3 施工腳手架計算分析

3.1 模型建立

使用Midas Gen軟件對小橫桿懸挑非常規腳手架進行分析計算，主要對架體的整體穩定性，小橫桿撓度，強度和剛度進行計算分析。腳手架搭設參數如表2所示。

分別對小橫桿懸挑長度為300 mm、400 mm、500 mm、600 mm、700 mm、800 mm、900 mm及1 000 mm狀態下的腳手架進行計算分析。

由于是在既有結構上搭設腳手架，且外立面改造均只改造沿街一側，所以整個腳手架在縱向上的搭設方式為兩端開口，且整段腳手架存在對稱性，所以在建立模型以進行有限元計算時，僅取出該段腳手架中間最具有代表性的整體坐標軸X軸方向上的6跨來建立模型。

為了很好的體現扣件式腳手架體系僅在兩個豎向平面內的半剛性性質，依據文獻［1］將扣件簡化成實心柱狀短桿，且利用釋放梁端部約束設定計算模型節點的邊界條件來模擬節點的半剛性性質。參照文獻［2］進行的“直角扣件抗扭剛度試驗”所得出的不同扣件螺栓擰緊力矩條件下扭轉剛度模型參數，選擇扣件擰緊力矩為50 N·m下的扭轉剛度54.07 kN·m/rad來對模型中具有半剛性屬性的節點進行扭轉剛度的設置。

文獻［1］和文獻［3］通過對軟件（有限元）計算結果與規范及試驗值比較，說明了利用Midas/Gen模擬鋼管腳手架是可操作的且所得到的數據較規范法更加保守可靠，同時也更加精確。

使用表2的架體搭設參數進行腳手架的計算，根據JGJ 130-2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》［4］，鋼管類型為48 mm×3.0 mm，連墻件施工活荷載取為2.0 kN/m2，同時考慮2層施工；腳手板荷載取為0.30 kN/m2，按照鋪設2層計算；基本風壓取為0.20 kN/m2，高度變化系數1.28，體型系數1。大橫桿在小橫桿上面，相當于小橫桿是大橫桿的支座，架體上腳手板、施工荷載等豎向荷載可以簡化為作用在橫桿上的均布荷載，荷載參數簡化后如表3所示。

3.2 計算結果分析

計算模型如圖3所示。

腳手架為開口腳手架，在腳手架端部設置橫向斜撐。偏安全考慮，不考慮剪刀撐的影響。連墻件通過限制節點上的Y軸方向的位移實現，腳手架底部通過限制節點上Z軸方向的位移與實際情況保持一致。

3.2.1 立桿與水平桿桿強度計算結果

立桿穩定性的計算需考慮風荷載和偏心荷載的影響，計算公式如式（1）。

σ=NmaxφA+MmaxW≤f（1）

式中：Nmax為計算立桿段最大軸向力設計值；i為計算立桿的截面回轉半徑，i=1.6cm；k為計算長度附加系數，取1.55；u為計算長度系數，由腳手架的構造參數確定，u=1.500；l0為計算長度（m），l0=kuh=1.55×1.5×1.8=3.118 m；A為立桿凈截面面積，A=4.214cm2；W為立桿凈截面模量（抵抗矩），W=4.493cm3； "λ為長細比，為3118/16=196；λ0為允許長細比（k取1），為2700/16=169＜210長細比驗算滿足要求；φ為軸心受壓立桿的穩定系數，由長細比l0/i的結果查表得到0.190；Mmax為計算立桿段由風荷載設計值及偏心荷載設計值產生的彎矩；σ為鋼管立桿受壓強度計算值 （MPa）；f為鋼管立桿抗壓強度設計值，f=205 MPa。

立桿最大軸力，最大彎矩、受壓強度計算值及水平桿最大彎曲彎曲應力如表4所示。

通過上表比較可以看出，在腳手架扣件擰緊力矩為50 N·m的情況下，小橫桿挑出長度為300～1 000 mm時，立桿穩定性計算和水平桿抗彎強度均小于鋼管抗壓及抗彎強度設計值。說明腳手架立桿和縱、橫桿在此范圍內是基本安全的。其中當小橫桿挑出長度為1 000 mm時，立桿抗壓強度計算值為193.6 MPa，接近鋼管的抗壓強度設計值，所以當小橫桿挑出長度為1 000 mm時，需對此范圍內的腳手架增加連墻件的設置或其他措施，減少立桿的計算長度，從而增強立桿的穩定性。

3.2.2 水平桿撓度計算結果

根據規范［4］，腳手架水平桿容許撓度為l/150與10 mm，其中l為受彎構件的跨度。本次腳手架縱距為1 500 mm，所以水平桿的容許撓度為10 mm。在不同小橫桿挑出長度下水平桿的最大變形量如表5所示。

通過對比上表結果可知，水平桿最大撓度均小于容許撓度，且有較大的安全余量，所以在此范圍內水平桿是安全的。

3.2.3 挑出小橫桿計算結果

由于腳手架采用挑出小橫桿上鋪跳板做為操作平臺，所以需對挑出小橫桿進行強度和撓度計算。根據規范［4］，腳手架懸挑受彎桿件容許撓度為l/400，其中l為懸挑桿件懸伸長度的2倍。挑出小橫桿強度計算結果如表6所示。

比較上表數據可得，懸挑小橫桿最大彎曲應力均小于鋼管抗彎強度設計值，所以在此范圍內，挑出小橫桿的安全性是可保證的。

挑出小橫桿撓度計算結果見表7。

根據表中數據繪制挑出小橫桿長度與容許撓度及挑出小橫桿最大撓度關系曲線圖，如圖4所示。

根據表7和圖4可得，當小橫桿挑出長度小于700 mm時，小橫桿最大撓度小于容許撓度值，當小橫桿挑出長度不小于700 mm時，小橫桿最大撓度大于容許撓度值，所以當小橫桿挑出長度不小于700 mm時，挑出小橫桿已不滿足正常使用的要求。

針對此問題采用斜撐對挑出小橫桿進行加固（圖2）。當小橫桿挑出長度大于600 mm小于700 mm時，雖然其最大撓度小于容許撓度，但其撓度值偏大且已接近容許撓度，所以本次腳手架當小橫桿挑出長度不小于600 mm時，設置斜撐對挑出小橫桿進行加固。

加固后挑出小橫桿撓度計算結果見表8。

由表8可知，設置斜撐顯著減少了挑出小橫桿的最大撓度，使其均小于容許撓度且有較大的安全余量，滿足正常使用的要求，所以采用斜撐加固挑出小橫桿的方法是可行的。

4 結論

本文根據成都成華區建設路提升改造項目外立面改造新做幕墻裝飾特點，進行施工腳手架設計及方案比選。利用Midas/Gen軟件，在借鑒前人研究成果的基礎上對腳手架進行了計算分析，根據計算結果對架體進行加固，保證了整架的穩定性和安全性。

（1）設計了一種小橫桿懸挑非常規腳手架做為此次外立面改造的施工腳手架，可有效減少腳手架排數和腳手架拆改量，節約成本，節約工期。

（2）小橫桿懸挑非常規腳手架立桿穩定性及水平桿強度滿足規范要求，架體的安全性得到驗證。

（3）當懸挑小橫桿懸挑長度不小于600 mm時，應增加斜撐加固懸挑小橫桿，減少懸挑小橫桿撓度，滿足正常使用的要求。

參考文獻

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［作者簡介］楊勇（1991—），男，本科，工程師，從事建筑施工工作。