非常規(guī)懸挑腳手支架的設(shè)計與優(yōu)化

上海國際建設(shè)總承包有限公司 上海 200092

1 工程概況

延福大廈位于上海市黃浦區(qū)，建于1997年，主樓地上36 層、地下2 層、建筑高度112 m，總建筑面積31 343.9 m2。該樓為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，內(nèi)核為筒形剪力墻，外圍為異型框架結(jié)構(gòu)，外墻為黏土填充墻+外貼裝飾面磚，無墻體保溫層。

某公司于2011年9月開始對該大樓實施整體改造，本次改造涉及原結(jié)構(gòu)拆除與加固、立面外觀造型更換、建筑功能與節(jié)能等多項內(nèi)容，計劃工期710個日歷日。

本次整體改造的重點內(nèi)容之一為：拆除原外框架所有填充墻和飾面后，外立面采用鋁質(zhì)金屬板幕墻體系替代，使得本樓在滿足現(xiàn)行節(jié)能設(shè)計的前提下外觀更具現(xiàn)代感。

新建金屬板幕墻為外掛體系，飾面板完成面距外框架結(jié)構(gòu)最遠(yuǎn)處400 mm。典型層平面布置和節(jié)點見圖1、圖2。

圖1 改建后典型層的平面示意

圖2 節(jié)點示意

該項目地處上海市延安東路和福建中路鬧市路口，建筑物外立面與周邊道路人行道最近距離不足7 m，外圍主干道位于立面墜物半徑范圍之內(nèi)。用地紅線范圍內(nèi)總面積約為 3 160 m2，改造前建筑物占地面積1 790 m2，現(xiàn)場施工場地狹小。實施本次外立面改造之立面拆除作業(yè)、外框結(jié)構(gòu)加固和外幕墻體系施工時期的安全防護(hù)措施成為確保本工程施工場內(nèi)外安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2 外腳手架初步設(shè)計[1-5]

受場內(nèi)條件限制，本工程不設(shè)塔吊，主樓3F起選擇搭設(shè)懸挑腳手架。除特殊部位拆除用腳手架另行設(shè)計之外，本案主要考慮建筑外墻大面積拆除、外框結(jié)構(gòu)加固和幕墻施工3 種不同工況下懸挑腳手架功能需求和構(gòu)造形式。

結(jié)合建筑層數(shù)、層高、體型系數(shù)和風(fēng)荷載取值等參數(shù)，21F以下懸挑腳手架單挑搭設(shè)高度控制在18.6 m以內(nèi)（計算取值20 m）；21F以上懸挑腳手架單挑搭設(shè)高度控制在15.5 m以內(nèi)（計算取值18.6 m）。對應(yīng)于懸挑水平鋼梁分別設(shè)置于3F、9F、15F、21F、26F、31F。因建筑物外圍呈異形圓弧狀，加之避讓較大截面的框架柱，腳手架水平懸挑鋼梁呈不規(guī)則放射狀。平面布置如圖3所示，主要控制尺寸為懸臂端間距小于1 700 mm，并以此為最大值來記取腳手架計算中立桿間距的取值。該布置形式的水平懸挑鋼梁需設(shè)置79 根/挑，以6 挑計算共需設(shè)置474 根。

圖3 腳手架懸挑鋼梁平面布置

在確定搭設(shè)高度和立桿縱距等基本條件后，該懸挑腳手架有以下2 種設(shè)計方案可供選擇：

方案一：外腳手架滿足外立面拆除、外框架加固2 個階段的需求，新建外幕墻階段選用吊籃施工；

方案二：外腳手架同時滿足外立面拆除、外框架加固和新建外幕墻體系3 個階段的施工要求。

對上述2 種方案分析發(fā)現(xiàn)，外腳手架在功能性與安全性方面各有利弊。方案一中外腳手架內(nèi)立桿離墻距離能控制在250 mm左右，水平懸挑鋼梁的設(shè)置和架體構(gòu)造均能滿足規(guī)范要求，架體安全可靠。但外幕墻施工階段，外框結(jié)構(gòu)較長時間呈無立面防護(hù)施工狀態(tài)，且在該狀態(tài)下室內(nèi)裝飾無法與外幕墻穿插施工，對整個項目安全與進(jìn)度控制不利；方案二外腳手架一次搭設(shè)后，使用期貫穿整個立面改造施工過程，建筑物外立面防護(hù)措施全周期有效，最大限度的排除了立面施工時期對外界環(huán)境造成的不利因素。不足之處為：外腳手架內(nèi)立桿離墻距離在滿足幕墻施工需求的同時已遠(yuǎn)超規(guī)范規(guī)定，對于外腳手架體和懸挑水平鋼梁構(gòu)造需特殊處理。

經(jīng)過綜合考量，項目最終選擇立面防護(hù)較為周全的方案二為本工程外腳手架體系。下文就選用該方案后，對架體設(shè)計難點之處以及所采取的應(yīng)對措施作一定的歸納，以作探討。

3 懸挑腳手架非常規(guī)構(gòu)造

3.1 特殊離墻間距條件下的架體構(gòu)造

懸挑腳手架內(nèi)立桿離墻間距以幕墻施工階段飾面板離墻最大距離和必要施工間距為控制值（400 mm+200 mm），同時考慮原建筑外墻拆除后的結(jié)構(gòu)偏差因素，內(nèi)立桿離墻間距計算取值650 mm；為避讓框架梁平面尺寸，作為懸挑鋼梁受力約束點的第1道螺栓卡箍設(shè)置于外墻面向內(nèi)400 mm處，水平鋼梁懸挑計算長度達(dá)2 200 mm；建筑物內(nèi)錨固計算長度3 000 mm左右，水平鋼梁構(gòu)件總長度在5.4 m左右。

由于該架體內(nèi)立桿離墻間距過大，常規(guī)隔離笆已無法保證架體使用過程中防止墜物的功能。

為切實起到防護(hù)作用，在雙排外腳手架內(nèi)立桿內(nèi)側(cè)（位于結(jié)構(gòu)邊柱內(nèi)）增加1 道立桿，與外腳手架內(nèi)立桿通過增設(shè)小橫桿相連，然后每層鋪設(shè)竹笆，形成可靠隔離層如圖4所示。

3.2 懸挑水平鋼梁的受力分析

使用PKPM安全計算軟件對腳手架立桿穩(wěn)定性計算結(jié)果：

不考慮風(fēng)荷載時，立桿最大軸心壓力設(shè)計值N=10.21 kN，σ=127.05 N/mm2＜205.00 N/mm2；考慮風(fēng)荷載時，立桿最大軸心壓力設(shè)計值N=9.74 kN，σ=202.15 N/mm2＜205.00 N/mm2立桿穩(wěn)定性均滿足設(shè)計要求。

圖4 非常規(guī)懸挑腳手架體示意

取單立桿最大軸心壓力設(shè)計值N=10.21 kN為荷載，內(nèi)立桿荷載取值2N（考慮隔離架荷載因素）。使用理正結(jié)構(gòu)設(shè)計工具箱對上述構(gòu)造的水平鋼梁進(jìn)行輔助受力分析。

受力計算結(jié)果為：若采用18a#工字鋼作為水平鋼梁時，σ=267.94 N/mm2＞215.00 N/mm2且水平鋼梁懸臂端最大撓度Vmax=43.96 mm＞4 400/250，水平鋼梁強(qiáng)度和撓度均無法滿足要求；若采用不加設(shè)斜撐支桿方式，水平鋼梁取值至25a#工字鋼時懸臂端撓度Vmax=14.62 mm＜4 400/250方能滿足設(shè)計要求。

以25a#工字鋼線密度37.84 kg/m計算，單根懸挑鋼梁重量約在205 kg。在本工程僅靠人力的現(xiàn)場運輸及安拆條件下，存在較大的施工障礙和安全隱患。

因此，在構(gòu)造簡潔的直接懸挑方式無法實施的情況下，以18a#工字鋼為水平桿件加設(shè)斜撐支桿成為該懸挑支架滿足受力需求的解決之道。

3.3 設(shè)置斜撐支桿的構(gòu)造與計算

本建筑層高3.1 m，按傳統(tǒng)斜撐支桿增設(shè)方式構(gòu)造如圖5所示。

圖5 傳統(tǒng)懸挑鋼梁及斜撐設(shè)置示意

懸挑腳手架立桿位置與荷載取值保持不變，水平鋼梁選用18#工字鋼（質(zhì)量荷載0.29 kN/m），斜撐支桿選用12.6#槽鋼。相當(dāng)于增設(shè)1 個鉸支座。

3.3.1 水平鋼梁受力計算

支座反力：

各支座對鋼梁的支撐反力由左至右分別為：

R1=44.20 kN，R2=6.94 kN，R3=－0.71 kN；

抗彎強(qiáng)度：

最大彎矩Mmax=11.20 kN·m；

f=M/（1.05W）+N/A=11.20×106/（1.05×1.85×105）+N/A=73.51 N/mm2＜215.00 N/mm2，水平鋼梁抗彎計算強(qiáng)度滿足要求。

懸挑撓度：

連續(xù)梁均布荷載和集中荷載共同作用下，懸臂端最大撓度Vmax=1.605 mm＜2 000/250。

水平鋼梁撓度設(shè)計值滿足規(guī)范中容許撓度值。

整體穩(wěn)定性計算：

σ=11.20×106/（0.929×1.85×106）=65.17 N/mm2＜215.00 N/mm2；水平鋼梁的穩(wěn)定性滿足要求。

3.3.2 斜撐支桿受力計算

軸力計算：

支桿軸力RD1=R1·sinα=46.04 kN；

強(qiáng)度驗算：

以12.6#槽鋼作為受力構(gòu)件，容許壓力按下式計算：

=183.40 N/mm2＜215.00 N/mm2；受壓斜桿穩(wěn)定性滿足要求。

焊縫計算：

斜撐桿若采用焊接方式與墻體預(yù)埋件連接，對接焊縫強(qiáng)度計算公式如下：

σ=46 039.29/1 569.00=29.34 N/mm2＜185.00 N/mm2；對接焊縫的抗拉或抗壓強(qiáng)度計算滿足要求。

4 斜撐支桿的優(yōu)化設(shè)計

4.1 斜撐支桿受力分析

從上述斜撐支桿受力計算可以看出，由于α角度較為接近直角，斜撐支桿計算軸力較小，焊縫強(qiáng)度有較大余量可利用；而斜撐支桿本身卻受長細(xì)比影響受壓穩(wěn)定性趨于材質(zhì)強(qiáng)度上限附近。因此，可以在減小支桿α角度和縮短支桿長度上尋找突破口，對該斜撐構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到充分發(fā)揮材質(zhì)強(qiáng)度和節(jié)約材料的目的。

通過閱讀相關(guān)結(jié)構(gòu)圖紙及現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)，本建筑外圍弧形框架梁截面統(tǒng)一高度為500 mm左右。如能在框架梁外側(cè)面高度范圍內(nèi)設(shè)置斜撐，則能有效減小斜撐過大問題。

4.2 優(yōu)化后的斜撐支桿受力復(fù)核

軸力復(fù)核：支桿軸力RD1=R1·sinα=93.44 kN；強(qiáng)度復(fù)核：σ=93.44×103/（0.82×15.69×102）=72.63 N/mm2＜215.00 N/mm2；受壓斜桿穩(wěn)定性滿足要求。

焊縫復(fù)核：σ=93 438.80/1 569.00=59.55 N/mm2＜185.0 N/mm2；對接焊縫的抗拉或抗壓強(qiáng)度計算滿足要求。

4.3 支撐桿件構(gòu)造的二次優(yōu)化

由于初次優(yōu)化構(gòu)造中的斜撐支桿下支點直接作用于框架梁側(cè)底端，需通過設(shè)置梁側(cè)后置埋件才能與之焊接；且上支點作用于水平鋼梁底部，必須仰焊才能焊接。實際施工過程中將產(chǎn)生大量的現(xiàn)場施焊作業(yè)，若因操作困難導(dǎo)致焊接質(zhì)量下降將直接影響懸挑腳手架的安全性。與此同時，大量的現(xiàn)場焊接作業(yè)也制約了懸挑鋼梁的安拆周期，更嚴(yán)重的是增加了火災(zāi)風(fēng)險系數(shù)。

為此，有必要在初次優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對支撐桿件構(gòu)造作進(jìn)一步改進(jìn)，以減少斜撐支桿設(shè)置過程中的現(xiàn)場焊接工作量。

二次優(yōu)化設(shè)想在框架梁外側(cè)面處增設(shè)豎向短桿（替代梁側(cè)埋件）與斜撐支桿和水平鋼梁焊接形成直角三角形狀，構(gòu)造如圖6所示。

圖6 二次優(yōu)化后的懸挑鋼梁及斜撐示意

該構(gòu)造短桿底部緊貼框架梁側(cè)底部，斜撐支桿傳遞的水平分力直接由混凝土框架梁承受，對豎向短桿上支座不產(chǎn)生彎矩作用；豎向短桿上支座至承受斜撐支桿傳遞的垂直分力，該垂直分力小于斜撐支桿軸力RD1，因此焊縫強(qiáng)度也滿足設(shè)計值。

美團(tuán)點評 CEO王興曾說過，“按每人一頓飯10元計算，一年在餐飲上的消費至少1萬元。作為一門入口的生意，14億人帶來的就是14萬億元的市場?！?/p>

二次優(yōu)化后的構(gòu)造可以在水平懸挑鋼梁架設(shè)前，通過在樓層內(nèi)預(yù)制的形式完成直角三角形撐的全部焊接工作。優(yōu)點有三：一、可以在水平懸挑鋼梁架設(shè)前完成支架焊接，加快了水平挑架層的安拆速度；二、在預(yù)制過程中避免了仰焊作業(yè)的產(chǎn)生，起到了確保焊縫質(zhì)量的作用；三、極大減少了腳手架上動火作業(yè)量，有利于預(yù)防火災(zāi)事故的發(fā)生。

5 實施要點與成效

5.1 實施要點

結(jié)合直角三角撐的設(shè)計過程，在實際的施工中以下2 個關(guān)鍵點需引起特別重視：

5.1.1 重視焊接質(zhì)量、控制焊縫長度

理論焊縫應(yīng)力σ是在滿足焊縫厚度和長度基礎(chǔ)上得出的，現(xiàn)場焊縫的質(zhì)量將直接對實際焊縫應(yīng)力產(chǎn)生影響。若焊縫厚度和長度不達(dá)標(biāo)，將大大增加焊縫應(yīng)力，嚴(yán)重者甚至?xí)^焊縫強(qiáng)度設(shè)計值，破壞支撐構(gòu)造，從而對懸挑腳手架產(chǎn)生難以挽回的損毀。因此，在懸挑鋼梁直角三角撐的預(yù)制中檢查和控制焊縫質(zhì)量必須放在第一位；

5.1.2 重視豎向短桿側(cè)面與梁側(cè)間隙處理

豎向短桿的設(shè)計作用僅為替代梁側(cè)埋件，無法承受斜撐傳遞荷載后對短桿上支座產(chǎn)生的彎矩作用。因此，短桿側(cè)面底部必須緊貼框架梁側(cè)。在實際的施工過程中往往因為梁側(cè)平整度等原因的偏差，而造成短桿側(cè)面與梁側(cè)存在一定的間隙。該間隙雖然微小但確足以對整個支撐構(gòu)造產(chǎn)生破壞。

5.2 實施成效

5.2.1 施工周期

懸挑腳手架搭設(shè)期間，該構(gòu)造形式的水平懸挑鋼梁以3 d/挑左右的時間完成安裝，相比動輒7 d左右的傳統(tǒng)支撐方式節(jié)約工期4 d/挑，以6挑計算共節(jié)約24 d工期。

5.2.2 安全效益

該水平懸挑鋼梁具備構(gòu)造簡便、自重輕盈特性，適用于人力運輸和安拆工況，在實施過程中未造成高處墜落等安全事故；同時，因搭設(shè)過程動火作業(yè)量的大幅減少，未給本工程造成任何火患事件。

5.2.3 經(jīng)濟(jì)效益

經(jīng)計算，該水平懸挑鋼梁構(gòu)造比起選用25a工字鋼節(jié)約用鋼量40%左右；比傳統(tǒng)斜撐設(shè)置方式節(jié)約用鋼量15%，起到了較好的降本增效作用。

6 結(jié)語

本文在非常規(guī)施工條件下探索和優(yōu)化的懸挑鋼梁直角三角撐構(gòu)造，在滿足規(guī)范的前提下，為項目的順利創(chuàng)造了良好的條件，取得良好的綜合效益。該構(gòu)造有利于控制較大懸挑幅度鋼梁的懸臂撓度，同樣也適合在普通懸挑腳手架中運用。