懸挑外腳手架底部支撐體系的設(shè)計(jì)改進(jìn)

譚紅軍

（湖南中天建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，湖南 株洲 421000）

建筑外腳手架是建筑工程施工中不可或缺的施工安全防護(hù)措施之一。傳統(tǒng)懸挑外腳手架下部主要支撐一般采用固定在混凝土樓蓋上的工字鋼或H 型鋼。懸挑型鋼穿過(guò)后砌的外隔墻，不得不預(yù)留大量的施工洞，后期拆除型鋼支撐后再進(jìn)行施工洞封堵。一旦施工工藝監(jiān)管不到位，就極易造成外墻滲漏。

外墻滲漏一直是建筑行業(yè)的質(zhì)量通病之一，為防止這一質(zhì)量通病的發(fā)生，政府相關(guān)職能部門(mén)和建設(shè)單位一直要求設(shè)計(jì)單位和施工單位從方案設(shè)計(jì)、施工工藝到后期維護(hù)全過(guò)程進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，以保障建筑外墻使用功能的完整性，維護(hù)業(yè)主的合法權(quán)益。同時(shí)，施工單位也在不斷改進(jìn)外腳手架施工工藝。

除了外墻滲漏之外，這種傳統(tǒng)的懸挑型鋼支撐體系，還存在如下不可避免的弊端：

（1）鋼材用量大，增加能耗，不利于節(jié)能減排，與現(xiàn)行國(guó)家環(huán)保政策相悖。

（2）型鋼的后端荷載方向向上，與樓板正常使用時(shí)的荷載相反，建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)一般不考慮該荷載，對(duì)樓板結(jié)構(gòu)不利；在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中的陽(yáng)角處，工字鋼安裝相對(duì)集中，造成部分工字鋼從邊緣構(gòu)件中穿過(guò)導(dǎo)致縱向鋼筋偏位，甚至將暗柱縱向鋼筋打斷，對(duì)主體結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生一定的影響。

（3）后期在進(jìn)行墻體砌筑、內(nèi)外墻裝修、地面工程施工時(shí)，型鋼安裝位置施工不得不預(yù)留大量的收尾工序，不利于安全文明施工；外墻預(yù)留的大量臨時(shí)施工洞口，在外架拆除后需要進(jìn)行專(zhuān)業(yè)封堵，存在外墻滲水隱患，導(dǎo)致使用功能缺陷，造成質(zhì)量事故，后期修復(fù)成本極高。

（4）在高空進(jìn)行拆除工字鋼作業(yè)時(shí)，需要塔吊配合施工，不但拆除困難，而且存在一定的安全隱患；如操作人員操作不當(dāng)，導(dǎo)致發(fā)生高空墜落和物體打擊事故，極易出現(xiàn)生產(chǎn)安全事故。

1 懸挑外腳手架斜拉支撐體系簡(jiǎn)介

懸挑外腳手架斜拉支撐體系是將固定在樓板上的較長(zhǎng)的工字鋼或H 型鋼改為短工字鋼或H 型鋼，并將其固定在主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件上，同時(shí)在型鋼的前端設(shè)置斜拉桿，形成穩(wěn)定的三角形外支撐受力體系。懸挑外腳手架斜拉支撐體系具體的構(gòu)造做法如圖1 所示。

圖1 斜拉支撐體系懸挑腳手架構(gòu)造示意圖

該體系主要由支撐型鋼、斜拉桿、上吊件及預(yù)埋螺栓組成，如圖2 ～5 所示。關(guān)鍵構(gòu)件是支撐型鋼和斜拉桿。

圖2 支撐型鋼

圖3 斜拉桿

圖4 支撐型鋼預(yù)埋螺栓

圖5 上吊件及預(yù)埋螺栓

2 關(guān)鍵構(gòu)件受力分析

下面以某工程實(shí)例對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件（型鋼和斜拉桿）進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。

2.1 工程簡(jiǎn)介

某住宅工程，建筑面積約13500m2，工程造價(jià)約2430 萬(wàn) 元（ 按1800 元/m2計(jì)）。 地 面 以 上32 層，1 層地下室，地下室頂部覆土厚度1.5m，總建筑高度98.4m。首層室內(nèi)外高差0.30m，層高5.1m，其他標(biāo)準(zhǔn)層層高3.0m。采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)最低為C25，外側(cè)梁截面為200mm×550mm。外腳手架采用斜拉支撐體系外懸挑雙排鋼管扣件式外腳手架，架體正常使用高度18m（考慮到架體搭設(shè)的需要，在進(jìn)行斜拉支撐體系安全性驗(yàn)算時(shí)，按24m/8 層計(jì)算荷載）；架體形式同傳統(tǒng)外懸挑腳手架，從三層開(kāi)始起挑，支撐型鋼采用14# 工字鋼（H=140mm，B=80mm，腹板厚度tn=5.5mm，t=9.1mm，R=7.5mm），斜拉桿采用φ=20mm 的HRB300 普通鍍鋅圓鋼，鋼管扣件式腳手架采用φ48mm×3.0mm 的Q235 鋼管；架體結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.1。該工程外腳手架搭設(shè)分段層次如表1 所示。

表1 懸挑腳手架分段層次表

2.2 支撐型鋼受力分析

（1）型鋼強(qiáng)度驗(yàn)算。

型鋼與主體結(jié)構(gòu)采用螺栓連接。經(jīng)計(jì)算，該型鋼承受最大彎矩為7.2kN·m。

水平鋼梁采用14 號(hào)工字鋼，強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017-2017）表4.4.1，水平支撐梁的設(shè)計(jì)強(qiáng)度f(wàn)=215.0N/mm2，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

（2）型鋼穩(wěn)定性驗(yàn)算。

水平鋼梁采用14 號(hào)型鋼，穩(wěn)定性計(jì)算公式如下：

式中：ψb為均勻彎曲的受彎構(gòu)件整體穩(wěn)定系數(shù)。查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017-2017）附錄得到ψb=2.00。由于ψb大于0.6，按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017-2017）附錄C 其值ψb'=1.07-0.282÷ψb=0.929。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到強(qiáng)度σ=1.1×7.2×106÷（0.929× 102000.00）=83.58N/mm2。σ ＜[f]，滿(mǎn)足要求。

（3）預(yù)埋螺栓強(qiáng)度驗(yàn)算。

經(jīng)計(jì)算，該處的受力螺栓承受的剪力最大值為17.2kN，斜拉桿拉力最大值為42.32kN；該處采用2 根φ14 普通C 級(jí)螺栓，螺栓同時(shí)承受剪力和拉力，每根螺栓承受的剪力為8.6kN，拉力為18.829kN。

查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017-2017）表4.4.6螺栓連接強(qiáng)度指標(biāo),得4.8 級(jí)C 級(jí)普通φ20 螺栓的強(qiáng)度指標(biāo)為：=140N/mm2，=170N/mm2，=140×3.14×7×7=21540N，= 170×3.14×7×7=26155N。

單個(gè)螺栓承受的設(shè)計(jì)剪力為8.6kN，拉力設(shè)計(jì)值為9.41kN，代入式（3）：

求得應(yīng)力比=0.5374 ＜1，滿(mǎn)足要求。

2.3 斜拉桿受力分析

（1）斜拉桿強(qiáng)度驗(yàn)算。

斜拉桿采用d=20mm 的HRB300 圓鋼制作，經(jīng)計(jì)算，該斜拉桿承受的拉力Nmax=40.418kN。

可得σ=40.418×1000÷（3.14×102）=128.72N/mm2。小于抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值270N/mm2，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

（2）耳板強(qiáng)度驗(yàn)算。

連接耳板采用兩塊100mm×90mm×8mm 的Q235鋼板，如圖6 所示。

圖6 耳板焊接構(gòu)造圖

耳板承受最大拉力為40.418kN，每塊耳板承受剪力為20.209kN。 故fv=20.209÷8÷（80-23.5）=44.71N/mm2＜=140N/mm2。耳板強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

（3）上吊件螺栓強(qiáng)度驗(yàn)算。

采用1 根直徑20mm 的普通Q235 的螺栓連接，該螺栓可直接承受連接件的剪切和拉應(yīng)力，查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017-2017）表4.4.6 螺栓連接強(qiáng)度指標(biāo)，得4.8 級(jí)C 級(jí)普通φ20 螺栓的強(qiáng)度指標(biāo)為：fvb=140N/mm2，ftb=170N/mm2，Nvb=140×3.14×10×10=43960N，Ntb=170×3.14×10×10=53380N。

該螺栓承受的最大設(shè)計(jì)剪力為36000N，拉力設(shè)計(jì)值為18330N，代入式（3），求得應(yīng)力比為0.8879 ＜1。滿(mǎn)足要求。

3 項(xiàng)目應(yīng)用對(duì)比分析

根據(jù)懸挑腳手架斜拉支撐體系在工程實(shí)踐中的應(yīng)用，文章從安全性、經(jīng)濟(jì)性、適用性、綠色施工、建筑節(jié)能等方面將之與進(jìn)行傳統(tǒng)的懸挑外腳手架支撐體系對(duì)比分析。

3.1 安全性

（1）支撐體系的安全性：這兩種腳手架支撐體系的安全性均能滿(mǎn)足架體安全的需要。

（2）安裝拆除的安全性：斜拉支撐體系由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件較小，工人在進(jìn)行安裝拆除時(shí)，更加方便安全，減小了高處墜落的安全風(fēng)險(xiǎn)。

（3）對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的完整性破壞：傳統(tǒng)的懸挑型鋼支撐體系在穿過(guò)剪力墻時(shí)，有可能對(duì)主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)性不利影響，破壞了主體結(jié)構(gòu)完整性。

3.2 經(jīng)濟(jì)性

（1）用鋼量：一般傳統(tǒng)的懸挑型鋼平均用鋼量為76kg/根，斜拉支撐型鋼用量為35.676kg/根，減少型鋼用量約54%。

（2）后期封堵外墻成本：按60 元/處的工程直接計(jì)算，單棟住宅工程預(yù)留施工洞約500 處，可節(jié)約直接工程成本約3.0 萬(wàn)元。

（3）塔吊臺(tái)班：采用斜拉支撐體系，垂直運(yùn)輸?shù)乃跖_(tái)班僅需要1 小時(shí)/懸挑層，整體住宅完工臺(tái)班用量不足2 個(gè)臺(tái)班；而采用傳統(tǒng)的懸挑支撐體系，型鋼安裝、拆除加上垂直運(yùn)輸至少需要15 個(gè)臺(tái)班，按1000 元/臺(tái)班計(jì)價(jià)（含人工費(fèi)、塔吊租金、電費(fèi)等），斜拉支撐體系可節(jié)約機(jī)械臺(tái)班費(fèi)用約1.3 萬(wàn)元。

（4）材料運(yùn)輸成本：斜拉支撐體系的運(yùn)輸量?jī)H為傳統(tǒng)型鋼的一半，可節(jié)約運(yùn)輸成本約0.18 萬(wàn)元。

（5）安裝拆除人工成本：斜拉支撐體系安裝拆除時(shí)，僅需要2 人即可進(jìn)行操作，而傳統(tǒng)的懸挑支撐體系需要3 人，而且需要塔吊配合，每層懸挑可節(jié)約6 個(gè)工日左右，整棟住宅下來(lái)，可節(jié)約約30 個(gè)工日，按300元/工日計(jì)算，人工成本相對(duì)于傳統(tǒng)支撐體系，可節(jié)約人工成本約0.9 萬(wàn)元。

（6）工期節(jié)約綜合成本：采用斜拉支撐體系，可節(jié)約工期約20d，按5000 元/d 計(jì)，可節(jié)約工期綜合成本10 萬(wàn)元。

合計(jì)節(jié)約工程直接成本約15.38 萬(wàn)元，節(jié)約成本占工程總造價(jià)的0.63%，而且還不考慮后期因預(yù)留施工洞封閉不到位造成外墻滲漏產(chǎn)生的維修增加的成本。

3.3 適用性

（1）模板完整性：懸挑支撐體系需要在模板上開(kāi)口，而采用斜拉支撐體系只需要在螺栓預(yù)埋的位置鉆孔即可，保證了模板的完整性。

（2）安裝的便利性：采用斜拉支撐體系，安裝和拆除時(shí)，兩個(gè)人配合即可完成操作，懸挑支撐體系安裝拆除時(shí)需要3 人操作，而且還要塔吊配合才能完成。

（3）對(duì)懸挑層地面、墻面工程的影響：采用懸挑支撐體系，樓地面和墻面不得不留下大量的收尾工作，現(xiàn)場(chǎng)衛(wèi)生也不好清理。

（4）對(duì)樓梯間通行的影響：懸挑支撐體系，當(dāng)懸挑型鋼傳樓樓梯間時(shí)，阻斷上下交通，對(duì)通行不利；而斜拉支撐體系不存在此類(lèi)問(wèn)題。

（5）對(duì)材料堆場(chǎng)的影響：由于斜拉支撐體系型鋼構(gòu)件尺寸較小，如及時(shí)安排，幾乎不占用施工場(chǎng)地，而懸挑支撐體系由于安裝拆除的工期影響，不可避免存在短期內(nèi)占用場(chǎng)地的現(xiàn)象，特別是后期拆除又需要在室外附屬工程趕工的情況下，對(duì)場(chǎng)地的影響顯得尤為突出。

3.4 綠色施工

采用斜拉支撐體系，用鋼量?jī)H為懸挑支撐體系的46%左右，且斜拉支撐體系的型材可以周轉(zhuǎn)重復(fù)使用，可作為綠色施工技術(shù)之一，有利于節(jié)能減排。

3.5 對(duì)使用功能的影響

懸挑支撐體系破壞了外墻的完整性，存在外墻滲漏隱患；而斜拉支撐體系不存在此類(lèi)問(wèn)題。

4 結(jié)論

根據(jù)斜拉支撐體系在工程實(shí)踐中的應(yīng)用結(jié)果，通過(guò)與傳統(tǒng)懸挑支撐體系的比較分析，可以清晰地看到，在高層建筑懸挑外腳手架采用斜拉支撐體系，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。具體而言：安全性方面，在保證架體安全的前提下，減少了安全事故隱患，降低了工程安全事故的風(fēng)險(xiǎn)；經(jīng)濟(jì)性方面，節(jié)約了工程直接成本；在進(jìn)度上縮短了工期；適用性方面，操作簡(jiǎn)便，更利于安裝拆除；使用功能方面，在施工工藝上徹底解決了傳統(tǒng)懸挑支撐體系的外墻滲漏隱患；節(jié)能減排方面，因鋼材用量大量減少，可節(jié)約大量能源，減少?gòu)U棄物的排放，同時(shí)可作為綠色施工技術(shù)措施之一。

鑒于上述原因，大量推廣建筑懸挑外腳手架斜拉支撐體系在工程實(shí)踐中應(yīng)用，具有十分重要的意義。