超長懸挑腳手架的設(shè)計和施工

王水利

WANG Shuili

(五洋建設(shè)集團股份有限公司，浙江 杭州310009)

1 工程概況

杭政儲出(2009)63 號地塊，位于杭州經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)金沙湖區(qū)塊，由3 棟19 層住宅及3 層地下室組成，總建筑面積為118741. 58 m2，建筑高度94.55 m，建筑主體結(jié)構(gòu)為框架剪力墻形式。結(jié)構(gòu)3層起采用躍層式設(shè)計，標準層層高4.78 m，其中夾層高度2.39 m。標準層外挑飄板厚200 mm，外挑最長尺寸2.3 m，最短尺寸0.3 m，層間夾層外挑飄板厚200 mm，外挑最長尺寸2.55 m，最短尺寸0.3 m，外形呈不規(guī)則狀，見圖1。外墻裝飾面采用40 mm厚巖棉板+抗裂砂漿+高級外墻涂料。

2 施工難點

本工程外腳手架采用落地式雙排腳手架和懸挑式雙排腳手架相結(jié)合，3 層以下外腳手架采用落地式雙排腳手架，3 層及以上采用懸挑式雙排腳手架，主要考慮滿足主體施工及裝飾裝修階段兩種不同工況下施工使用需求及相應(yīng)構(gòu)造形式。

圖1 建筑物外立面示意圖

由于外挑飄板為懸挑結(jié)構(gòu)，且標準層與夾層外挑飄板處邊線垂直投影不在同一條線上，因此懸挑腳手架內(nèi)立桿離墻距離應(yīng)從標準層與夾層外挑飄板最大挑出端處起算。若水平懸挑鋼梁錨固點設(shè)置在外挑飄板上，則必須對外挑飄板進行加固處理，此措施必將造成施工成本增加，延長工期。因而水平懸挑鋼梁只能錨固在樓層板或梁上，考慮外墻裝飾裝修施工面空間、腳手架設(shè)置參數(shù)及構(gòu)造要求，腳手架內(nèi)立桿離墻面的距離取0.3 m，橫距取0.85 m，并按照外挑飄板外挑最長尺寸2.55 m 計，水平懸挑鋼梁懸挑端長度達到了3.9 m，而普通懸挑腳手架水平懸挑鋼梁懸挑端長度一般在1.2～1.5 m，因此懸挑腳手架的施工是本工程重點、難點，需重點控制水平懸挑鋼梁遠端的最大撓度和整體穩(wěn)定性。

3 方案初步設(shè)計

根據(jù)建筑外圍結(jié)構(gòu)、外立面裝飾工藝、建筑層數(shù)、層高、風(fēng)荷載及施工荷載等因素［1］，懸挑式雙排腳手架共4 挑，即3～6 層、7～11 層、12～16 層、17層至屋面，懸挑工字鋼梁擱置于3F、7F、12F、17F，懸挑架單挑搭設(shè)高度最高為19.2 m。

考慮主體施工及裝飾裝修階段操作空間、結(jié)構(gòu)施工偏差等因素［1］，腳手架內(nèi)立桿離墻面的距離取0.3 m，立桿縱距1.5 m，橫距0.85 m，步距1.8 m?？v向水平桿在上，橫向水平桿上的縱向水平桿為2根。連墻件隨層(間距2. 39 m)，水平兩跨(間距3 m)設(shè)置一道。懸挑鋼梁采用工字鋼，間距1.5 m布置，即懸臂端間距控制在1.5 m 以內(nèi)(部分陰、陽角部位懸挑鋼梁上擱置點焊12.6#工字鋼作為次梁支設(shè)立桿)，取該值作為立桿間距計算相應(yīng)荷載，布置形式較為規(guī)則，需設(shè)置120 根/挑，4 挑共計480根，懸挑梁平面布置及架體見圖2、圖3。鋼梁錨固點采用φ16 mm 的HPB300U 形鋼筋拉環(huán)預(yù)埋。腳手板采用竹笆腳手板，每步一設(shè)。

圖2 懸挑鋼梁平面布置示意圖

圖3 腳手架架體示意圖

4 懸挑腳手架構(gòu)造及受力分析

根據(jù)上述腳手架設(shè)置參數(shù)及外挑飄板尺寸，水平懸挑鋼梁最長懸挑長度達3 900 mm，建筑物內(nèi)錨固計算長度取2 400 mm，懸挑工字鋼總長度為6 600 mm左右。

4.1 懸挑鋼梁受力分析

本工程使用品茗安全計算軟件對懸挑腳手架進行受力分析計算，立桿穩(wěn)定性計算結(jié)果如下:

不考慮風(fēng)荷載作用時，單立桿的最大軸心壓力設(shè)計值N = 1.2(NG1K+NG2K)+1.4ΣNQK= 10.89 kN，最大軸心壓力標準值N = NG1K+ NG2K+ ΣNQK=8.756 kN，σ = 136.614 N/mm2≤［f］= 205 N/mm2;

考慮風(fēng)荷載作用時，單立桿的最大軸心壓力設(shè)計值N =1.2(NG1K+NG2K)+0.9 ×1.4ΣNQK=10.622 kN，最大軸心壓力標準N = NG1K+NG2K+ΣNQK= 8.756 kN，σ = 184.944 N/mm2≤=205 N/mm2，立桿穩(wěn)定性均滿足相應(yīng)設(shè)計規(guī)范要求。

各排立桿傳至梁上荷載設(shè)計值取單立桿的最大軸心壓力設(shè)計值N = 10.89 kN，對懸挑鋼梁進行受力分析，計算結(jié)果如下:

若采用16#工字鋼懸挑梁，σmax= 534.366 N/mm2＞= 215 N/mm2，vmax= 202.706 mm ＞= 2 × 3 900/250 =31.2 mm，即懸挑梁抗彎強度及懸挑臂端最大撓度均不滿足要求。

若懸挑端不加設(shè)斜撐支桿，則懸挑梁需采用32a#工字鋼方能滿足設(shè)計要求:σ = 113.09 N/mm2＜= 215 N/mm2，vmax= 21.365 mm ＜=2 ×3 900/250 = 31.2 mm。32a# 工字鋼自重線密度為53.78 kg/m，單根懸挑鋼梁最大重量約為355 kg，材料購置費用較高，且現(xiàn)場運輸及安拆難度大，特別是高空作業(yè)，存在較大的安全隱患。

因此，在結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式簡單的直接懸挑方式無法實施的情況下，采用16#工字鋼作為懸挑梁，加設(shè)槽鋼斜撐支桿解決受力及安拆等問題。

4.2 加設(shè)斜撐支桿構(gòu)造及受力分析

本工程層高4.78 m，層間夾層層高2.39 m，按下?lián)纬Ｒ?guī)斜撐支桿方式，具體支設(shè)位置及尺寸見圖4。

圖4 斜撐設(shè)置示意圖

懸挑腳手架立桿搭設(shè)形式、荷載值等其他參數(shù)不變，懸挑鋼梁選用16#工字鋼，其自重線密度為20.92 kg/m，斜撐采用12.6#槽鋼，相當于增設(shè)1 個鉸支座。

4.2.1 懸挑鋼梁受力分析215 N/mm2，vmax=3.472 mm ＜［v］=2×3900/ 250=

16#工字鋼懸挑梁，σ =66.456N/mm2＜=31.2 mm，懸挑梁抗彎強度及懸挑臂端最大撓度均滿足要求。

4.2.2 斜撐支桿受力分析

懸挑鋼梁斜撐支桿處支座反力R = 26.352 kN，

斜撐角度β = arctan(2 390/2 950)= 39.013°，

下?lián)螚U軸向力N =26.352/sin39.013° =41.861 kN，

按繞X 軸軸心受壓穩(wěn)定性計算:

長細比λX= L0X/iX= 3 796.656/49.53 = 76.654，

σ1X= N/(φ1XA)=41 861.411/(0.707 ×1 569)=203.667 N/mm2≤f = 205 N/mm2，斜撐穩(wěn)定性滿足要求。

按繞Y 軸軸心受壓穩(wěn)定性計算:

長細比λY= L0Y/iY=3 796.656/15.67 =242.288，

σ1Y= N/(φ1YA)=41 861.411/(0.131 ×1 569)=37.737 N/mm2≤f = 205 N/mm2，斜撐穩(wěn)定性滿足要求。

斜撐12.6#槽鋼與懸挑主梁16#工字鋼對焊焊接，焊縫面積取斜撐12.6#槽鋼截面面積1 569 mm2。

對接焊縫驗算:

σ = N/(lWt)=41.861 ×103/1 569 =26.68 N/mm2≤fWC= 185 N/mm2，焊縫抗拉及抗壓強度滿足要求。

4.2.3 錨固點壓環(huán)鋼筋受力分析

錨固點壓環(huán)鋼筋受力:N = 4.299 kN

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB 50010—2010)》第9.7.6 條規(guī)定，在構(gòu)件的自重標準值作用下，每個吊環(huán)按2 個截面計算的鋼筋應(yīng)力不應(yīng)大于65 N/mm2。

壓環(huán)鋼筋驗算:

σ =2N/πd2=2 ×4.299 ×103/(3.14 ×162)=10.70 N/mm2≤［f］= 0.85 ×65 N/mm2(另一個壓環(huán)作為安全保險措施)，滿足要求。

4.3 鋼絲繩的設(shè)置及受力計算

每道懸挑工字鋼外端設(shè)置一道斜拉鋼索與上一層主體結(jié)構(gòu)梁拉結(jié)(夾層外挑飄板部分位置需預(yù)留孔穿鋼絲繩)，作為斜撐支桿失效時的安全保險措施(即斜撐支桿未破壞失效時，斜拉鋼索不起作用;但當斜撐支桿破壞失效時，斜拉鋼索作為懸挑主梁支點單獨計算)［2］。斜拉鋼索采用型號6 ×19(a)鋼絲繩，公稱抗拉強度1 570 MPa(鋼芯)，公稱直徑18 mm，最小破斷拉力181.0 kN［3］。鋼絲繩拉結(jié)采用φ20 mm 的HPB300U 形鋼筋預(yù)埋吊環(huán)。

4.3.1 懸挑鋼梁受力分析

由品茗計算軟件計算抗彎強度驗算，見圖5、圖6。

圖5 荷載分布簡圖

圖6 彎矩圖/(kN·m)

σ = M/W =6.82 ×106/141 000 =48.371 N/mm2≤［f］= 215 N/mm2，滿足要求。

最大撓度驗算:vmax= 2.102 mm ≤［v］ = 2 ×1/250 = 2 ×3 900/250 = 31.2 mm，滿足要求。

鋼絲繩上拉角度計算:

鋼絲繩處支座力:R = 19.033 kN。

懸挑鋼梁軸向力:

鋼絲繩軸向力:N2=R/sinα1=19.033/sin51.516°= 24.315 kN。

懸挑鋼梁穩(wěn)定性驗算:

壓彎構(gòu)件強度σ = M/(γW)+ N/A = 6.82 ×106/(1.05 × 141 × 103)+ 15.131 × 103/2 610 =51.865 N/mm2≤［f］= 215 N/mm2，滿足要求。

φb=0.853，σ = M/(φbWx)=6.82 ×106/(0.853 ×141 ×103)= 56.701 N/mm2≤［f］= 215 N/mm2，滿足要求。

4.3.2 鋼絲繩受力分析

鋼絲繩破斷拉力總和:Fg= 181.0 kN ×1.308 =236.748 kN，

［Fg］= α ×Fg/k =0.85×236.748/8 =25.154 kN ≥NS= 24.315 kN(鋼絲繩之間荷載不均勻系數(shù)α =0.85，鋼絲繩使用安全系數(shù)K = 8)，滿足要求。

4.3.3 錨固點壓環(huán)受力分析

錨固點壓環(huán)受力:N = 0.971 kN

壓環(huán)驗算:

σ =2N/πd2=2 ×0.971 ×103/(3.14 ×162)=2.42 N/mm2≤［f］=65 N/mm2(另一個壓環(huán)作為安全保險措施)，滿足要求。

4.3.4 鋼絲繩吊環(huán)受力分析

σ =2N/πd2=2 ×24.315 ×103/ (3.14 ×202)=38.72 N/mm2≤［f］= 65 N/mm2，滿足要求。

5 腳手架施工工藝流程及操作要點

5.1 施工工藝流程

腳手架施工工藝流程如下:預(yù)埋錨板→預(yù)埋U形拉環(huán)(上層吊環(huán))→安裝工字鋼懸挑梁→焊接斜撐→縱向掃地桿→立桿→橫向掃地桿→小橫桿→大橫桿(擱柵)→剪刀撐→連墻件→鋪腳手板→裝防護欄桿→扎安全網(wǎng)→張拉鋼絲繩。

5.2 操作要點

5.2.1 預(yù)埋錨板及U 形鋼筋拉環(huán)

(1)預(yù)埋錨板及拉環(huán)應(yīng)嚴格按照施工方案所定的位置、數(shù)量和型式正確設(shè)置。

(2)預(yù)埋錨板采用Q235 級鋼，錨板尺寸200 mm×200 mm×10 mm，錨筋采用2 排4 根φ16 mm HRB400 鋼筋，不應(yīng)采用冷加工鋼筋，直錨長度不小于30 d。直錨筋與錨板應(yīng)采用T 形焊接，當錨筋直徑不大于20 mm時宜采用壓力埋弧焊;當采用手工焊時，焊縫高度不宜小于6 mm，且對300 MPa 級鋼筋不宜小于0.5 d，對其他鋼筋不宜小于0.6 d，d 為錨筋的直徑。

(3)U 形鋼筋拉環(huán)應(yīng)預(yù)埋至混凝土梁、板底層鋼筋位置，并應(yīng)與混凝土梁、板底層鋼筋焊接或綁扎牢固，其錨固長度不應(yīng)小于30 d，見圖7。錨固位置設(shè)置在樓板上時，樓板的厚度不宜小于120 mm，如果樓板厚度小于120 mm 則應(yīng)采用加固措施。

圖7 預(yù)埋鋼筋拉環(huán)示意圖

5.2.2 安裝工字鋼懸挑梁

(1)懸挑梁應(yīng)嚴格按照施工方案所定的位置、懸挑和固定段長度、懸臂端間距設(shè)置。

(2)懸挑梁懸挑端應(yīng)設(shè)置能使腳手架立桿與鋼梁可靠固定的定位點，定位點離懸挑梁端部不應(yīng)小于100 mm。

(3)錨固懸挑梁的主體結(jié)構(gòu)混凝土強度等級不得低于C20。

(4)U 形鋼筋拉環(huán)、錨固螺栓與型鋼懸挑梁間隙應(yīng)用鋼楔或硬木楔楔緊。

(5)型鋼懸挑梁固定端應(yīng)采用不少于2 個U 形鋼筋拉環(huán)或錨固螺栓與建筑結(jié)構(gòu)梁板固定。

(6)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)混凝土強度必須達到設(shè)計強度75%后方可安裝型鋼懸挑梁。5.2.3 滿鋪腳手板及密目網(wǎng)

(1)腳手板應(yīng)每步鋪滿、鋪穩(wěn)、鋪平。竹笆腳手板應(yīng)按其主竹筋垂直于縱向水平桿方向鋪設(shè)，且應(yīng)對接平鋪，采用18#鉛絲雙股并聯(lián)4 角固定在縱向水平桿上。

(2)腳手架內(nèi)立桿距墻體凈距大于200 mm 時，應(yīng)鋪設(shè)站人板。在施工層及以下每隔3 步與建筑物之間應(yīng)進行水平封閉隔離，首層及頂層應(yīng)設(shè)置水平封閉隔離。

(3)腳手架外側(cè)應(yīng)采用合格的密目式安全網(wǎng)封閉，安全網(wǎng)應(yīng)采用18#鉛絲固定在腳手架外立桿內(nèi)側(cè)。5.2.4 桿件設(shè)置

(1)底部立桿必須設(shè)置縱橫向掃地桿，縱向掃地桿宜采用直角扣件固定在距底座上皮不大于200 mm 立桿上，橫向掃地桿也應(yīng)用直角扣件固定在縱向水平桿下方立桿上。

(2)立桿接長除在頂層頂部可采用搭接外，其余各層各步必須采用對接。采用對接時，對接扣件應(yīng)交錯布置，2 根相鄰立桿的接頭不應(yīng)設(shè)置在同步內(nèi)，同步內(nèi)隔一根立桿的2 個相隔接頭在高度方向錯開的距離不宜小于500 mm，且各接頭中心至主節(jié)點的距離不宜大于步距的1/3;搭接時搭接長度不小于1 m，且不少于3 只旋轉(zhuǎn)扣件緊固。端部扣件蓋板邊緣至立桿端距離不應(yīng)小于100 mm。

(3)縱向水平桿應(yīng)設(shè)置在立桿內(nèi)側(cè)，單根長度不應(yīng)小于3 跨。應(yīng)采用對接扣件連接或搭接，2 根相鄰縱向水平桿接頭不宜設(shè)置在同步或同跨;不同步或不同跨相鄰接頭在水平方向錯開距離不應(yīng)小于500 mm;各接頭中心至最近主節(jié)點的距離不應(yīng)大于縱距的1/3。搭接長度不應(yīng)小于1 m，應(yīng)等間距設(shè)置3 個旋轉(zhuǎn)扣件固定，端部扣件蓋板邊緣至搭接縱向水平桿桿端的距離不應(yīng)小于100 mm。

5.2.5 剪刀撐

(1)剪刀撐應(yīng)從底部邊角沿高度和長度方向連續(xù)設(shè)置至頂部。

(2)剪刀撐斜桿應(yīng)與立桿或橫向水平桿的伸出端進行連接。斜桿接長應(yīng)采用搭接，搭接長度不小于1 m，且不少于3 只旋轉(zhuǎn)扣件緊固，傾角為45°～60°(優(yōu)先采用45°)，每道剪刀撐跨越立桿根數(shù)為5～7 根，寬度不應(yīng)小于4 跨，且不應(yīng)小于6 m。

5.2.6 安裝鋼絲繩斜拉索

(1)鋼絲繩斜拉索每個端部繩卡不得少于3 個。

(2)鋼絲繩斜拉索與工字鋼懸挑梁的夾角不小于45°。

(3)鋼絲繩斜拉索出現(xiàn)斷絲嚴重、斷絲局部聚集、繩股斷裂、磨損或腐蝕嚴重不得使用［4］。

6 結(jié) 語

本工程超長懸挑腳手架采用工字鋼上拉下?lián)谓Y(jié)構(gòu)形式，有效解決了落地式腳手架無法滿足穩(wěn)定性要求及直接懸挑腳手架鋼梁撓度過大且安裝操作困難等不利因素，使施工安全得到保證，縮短了施工周期，降低了成本，取得了良好的綜合效益。

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