新型外腳手架連墻件的對比分析與計算應用研究

斯旭東

(上海殷行建設集團有限公司，上海 200082)

0 引 言

自20世紀80年代以來，我國的建筑工程領域開始大量使用扣件式鋼管腳手架，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，各種形式的腳手架在中國建筑工程市場各自發(fā)揮了巨大作用，歸結(jié)起來，目前市場上約70%為扣件式鋼管腳手架，還有各地方大力推廣的諸如碗扣式腳手架、盤扣式腳手架等，剩下的就是應用在少數(shù)特殊領域的傳統(tǒng)竹木結(jié)構(gòu)腳手架。不管何種類型的腳手架，作為建筑工程外腳手架使用時，達到一定搭設高度，必須使用連墻件將架體與建筑結(jié)構(gòu)可靠相連，以保證外腳手架的結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定。連墻件是保證架體側(cè)向穩(wěn)定的重要構(gòu)件，是作業(yè)腳手架設計計算的主要假定條件，對作業(yè)腳手架連墻件設置做出規(guī)定的目的是控制作業(yè)腳手架失穩(wěn)破壞形態(tài)，保證架體達到專項施工方案設計規(guī)定的承載力。

連墻件的重要性顯而易見，尤其是近十年來全國各地高層建筑如雨后春筍一般拔地而起，腳手架受到的水平方向拉力和壓力隨著高度的增高而不斷增加。在混凝土結(jié)構(gòu)施工階段，外圍護墻往往尚未施工，結(jié)構(gòu)為敞開狀態(tài)，再加上外腳手架的密目安全網(wǎng)等因素，造成了結(jié)構(gòu)施工階段外腳手架受到的水平風荷載較大。

國內(nèi)外發(fā)生的單排或者雙排腳手架倒塌事故，基本上都是由于連墻件設置不足或者被拆掉而未及時補救引起的。因此，連墻件的計算是扣件式鋼管腳手架計算的重要部分。

1 連墻件的常見形式及優(yōu)缺點

1.1 預埋鋼管剛性連墻件

1.1.1 構(gòu)造形式

預埋鋼管剛性連墻件為最常見也是使用最普遍的連墻件形式，一般做法：將長約500 mm的鋼管預埋于結(jié)構(gòu)最外邊的梁內(nèi)，用短鋼管將外腳手架與預埋鋼管扣件連接，如圖1所示。

圖1 預埋鋼管連墻件大樣圖

1.1.2 優(yōu)點分析

預埋鋼管連墻件的主要優(yōu)點：

(1) 構(gòu)造簡單，易于操作，因為采用了與外腳手架相同的材料，通用性強，對于外圍不規(guī)則結(jié)構(gòu)有著較好的適應性。

(2) 安全性好，只要按照要求擰緊的直角扣件，其抗滑承載力能夠滿足大多數(shù)情況下風荷載產(chǎn)生的壓力和拉力。

1.1.3 缺點分析

相較于預埋鋼管連墻件的主要優(yōu)點而言，其缺點也很明顯：施工后期拆除、修補耗時耗力，每個連墻件都會在外墻上形成一個較大的孔洞，在墻體施工過程中無法封閉，等到外架拆除時，需要先將預埋的短鋼管用氧氣乙炔割除，再封閉外墻孔洞，然后粉刷連墻件處的外墻面，最后掛網(wǎng)施工外墻膩子、涂料。由上述可知，每個連墻件孔洞可謂是麻雀雖小，五臟俱全，外墻的每一道施工工序都不能落下。而在外架拆除階段，受制于工期及安全因素，這么多的工序往往是一兩天內(nèi)就要完成的，從而導致連墻件孔洞處墻體材料不密實，很容易形成外墻滲漏點。而外墻的滲漏對工程后期的保修非常不利，需要耗費大量的人力物力。

1.2 軟拉硬撐連墻件

1.2.1 構(gòu)造形式

軟拉硬撐式連墻件通過柔性材料(如鋼絲繩)承受外腳手架的拉力，通過剛性材料(如鋼管)承受外腳手架的壓力。軟拉硬撐式連墻件適用范圍：不適宜預埋鋼管的外腳手架、構(gòu)造簡單，高度較低的外腳手架。該種形式的連墻件在實際工程中運用不多。其構(gòu)造形式如圖2所示。

圖2 軟拉硬撐式連墻件大樣圖

1.2.2 優(yōu)點分析

軟拉硬撐連墻件的主要優(yōu)點：無須在結(jié)構(gòu)梁中預埋鋼管，所以也就不需要在拆除外腳手架時修補外墻，對于預防外墻滲漏是有利的。

1.2.3 缺點分析

軟拉硬撐連墻件的主要缺點：

(1) 因該形式的連墻件將抗拉和抗壓分置于鋼絲繩和鋼管，其安全性能相對不足，所以適用場景有限制，只能應用于高度較低、較為簡單的外腳手架。

(2) 操作便利性不足。每個連墻件需要在混凝土結(jié)構(gòu)中施工膨脹螺栓，調(diào)整鋼絲繩的長度及卡扣，再加上短鋼管頂撐。

1.3 抱箍式連墻件

1.3.1 構(gòu)造形式

抱箍式連墻件是將外腳手架與結(jié)構(gòu)框架柱以鋼管抱箍的形式相連接。適用范圍較少，主要適用于超高結(jié)構(gòu)，無法將鋼管預埋于梁內(nèi)的情形。其構(gòu)造形式如圖3所示。

圖3 抱箍式連墻件大樣圖

1.3.2 優(yōu)點分析

抱箍式連墻件的主要優(yōu)點：

(1) 安全性好，其結(jié)構(gòu)基本上等同于預埋鋼管連墻件，能充分發(fā)揮鋼管的抗拉和抗壓能力。

(2) 施工靈活，在部分超高結(jié)構(gòu)中，往往沒有結(jié)構(gòu)梁可用于外腳手架的連墻件預埋，采取抱箍式連墻件是個很好的選擇，高低調(diào)節(jié)也很方便。

1.3.3 缺點分析

抱箍式連墻件的缺點基本上跟預埋鋼管連墻件大同小異，都需要在外圍護墻體施工時預留連墻件孔洞，待外腳手架拆除時才能補上孔洞，留下了外墻的滲漏隱患。抱箍式連墻件在施工便利性上也略顯不足，抱箍的施工較為煩瑣。

1.4 后置螺栓連墻件

1.4.1 構(gòu)造形式

后置螺栓連墻件采用端部焊接了鋼板的短鋼管作為連墻件，用預埋螺栓或穿梁螺桿將連墻件固定于混凝土結(jié)構(gòu)上。后置螺栓式連墻件的適用面較廣，只要是混凝土結(jié)構(gòu)基本上都能適用。其構(gòu)造形式如圖4所示。

圖4 螺栓式連墻件大樣圖

1.4.2 優(yōu)點分析

后置螺栓連墻件的主要優(yōu)點：

(1) 克服了預埋鋼管連墻件、抱箍式連墻件需要在外墻預留孔洞的不足，有效消除了因外腳手架引起的外墻滲漏隱患。

(2) 適用面較廣，只要是混凝土結(jié)構(gòu)均可適用，施工靈活。

1.4.3 缺點分析

后置螺栓連墻件的缺點：

(1) 工序復雜，需要焊接鋼板，鋼板上開螺栓孔，膨脹螺栓鉆孔等工序，也導致成本較高，相較其他形式連墻件不夠經(jīng)濟。

(2) 安全性受限制因素較多，膨脹螺栓的施工質(zhì)量、數(shù)量等因素都會影響到連墻件的抗拔作用力。

2 預埋扁鐵式連墻件

本文著重介紹的連墻件形式為預埋扁鐵式連墻件，該形式的連墻件結(jié)合了上述幾種連墻件的優(yōu)點，在保證連墻件抗拉和抗壓承載力的同時，兼顧了施工便利性、經(jīng)濟性，同時也消除了因外腳手架連墻件引起的外墻滲漏隱患。

2.1 預埋扁鐵式連墻件的構(gòu)造及主要優(yōu)點

2.1.1 構(gòu)造形式

預埋扁鐵式連墻件的構(gòu)造簡單，由一根400 mm長的40×4鍍鋅扁鐵和短鋼管組成。鍍鋅扁鐵端部開孔，直徑12 mm，將扣件的螺栓穿過鍍鋅扁鐵預開孔洞，從而將鍍鋅扁鐵和短鋼管連接起來。為保證鍍鋅扁鐵的錨固性能，將扁鐵彎折90°，在結(jié)構(gòu)施工時，將扁鐵連墻件預埋至結(jié)構(gòu)梁內(nèi)。待結(jié)構(gòu)達到50%強度，將連墻件與外腳手架相連。短鋼管頂緊結(jié)構(gòu)面，承受水平壓力，鍍鋅扁鐵承受水平拉力。其構(gòu)造形式如圖5、圖6所示。

圖5 連墻件大樣圖

圖6 連墻件大樣圖(局部放大圖)

2.1.2 優(yōu)點分析

預埋扁鐵式連墻件的優(yōu)點：

(1) 扁鐵預埋于結(jié)構(gòu)梁上側(cè)角部，既不影響梁側(cè)模支模，也不影響外圍護墻施工，無須在連墻件處留孔，從根本上消除了因外腳手架引起的外墻滲漏問題。

(2) 施工便利，靈活方便：扁鐵的加工只需要切割和鉆孔；結(jié)構(gòu)混凝土澆搗前固定于梁側(cè)模板；外腳手架搭設時可將連墻件直接相連，無須其他工具；拆除外腳手架時用手持切割機將外露的扁鐵割除即可。

(3) 安全性好。短鋼管和扁鐵的抗壓抗拉強度能夠抵抗絕大多數(shù)工程情況下的水平風荷載作用力。

(4) 通用性強。只要是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，均可采用預埋扁鐵式連墻件。

2.2 預埋扁鐵式連墻件受力計算

下面以本人親歷的上海市浦東新區(qū)曹路基地南擴區(qū)B07-03地塊配套初中工程為例，對預埋扁鐵式連墻件各項受力性能進行計算論證。

2.2.1 工程概況

曹路基地南擴區(qū)B07-03地塊配套初中工程位于上海市浦東新區(qū)曹路鎮(zhèn)，東面為B07-04地塊，西臨龔華路，南臨秦家港路，北面為已建高層住宅小區(qū)。本工程由一棟教學樓、一棟綜合樓、一棟體育館、一棟實驗樓以及連廊、門衛(wèi)、垃圾房、變電站組成。各子項技術指標見表1。

表1 子項技術指標

本工程建筑設計施工年限50年，抗震7度設防，按照綠色建筑一星級設計。1#連廊為短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震等級三級，其余各建筑單體均為框架結(jié)構(gòu)，教學樓、綜合樓、實驗樓、體育館及2#連廊抗震等級為二級，門衛(wèi)、變電站和垃圾房抗震等級為三級。工程基礎采用樁基+承臺形式，無地下室。

2.2.2 穩(wěn)定性驗算

(1)基本參數(shù)計算：

采用的連墻件為40×4鍍鋅扁鋼、鋼管為48×3.2，均為Q235材質(zhì)，抗拉、抗壓強度設計值f=205 N/mm2

① 連墻件風荷載標準值計算(按腳手架頂部高度計算)

水平風荷載標準值為：

Wk=0.7μzμsω0

(1)

式中查表可得：

μz=0.92，μs=0.693，ω0=0.55

故:

Wk=0.7×0.92×0.693×0.55=0.245 kN/m2

每個連墻件的覆蓋面積內(nèi)腳手架外側(cè)的迎風面積為：

Aw= 4.5×3.8=17.1 m2

風荷載產(chǎn)生的連墻件軸向力設計值為：

Nlw=1.4WkAw

=1.4×0.245×17.1=5.87kN

(2)

根據(jù)《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規(guī)范》(JGJ 130-2011),連墻件約束腳手架平面外變形所產(chǎn)生的軸向力為：

N0= 3.0 kN

連墻件軸向力設計值:

Nl=Nlw+N0=5.87+3=8.87 kN

② 鍍鋅扁鋼開孔處抗拉強度驗算：

開孔處截面面積：

Ac=(40-12)×4=112 mm2

鍍鋅扁鋼抗拉強度為：

σ=Nl/Ac≤0.85f=174.25 N/mm2

(3)

σ= 8 870/112=79.20≤174.25

故：鍍鋅扁鋼開孔處抗拉強度滿足要求。

(2)鍍鋅扁鐵錨固長度驗算：

近似法：鍍鋅扁鐵截面積為40×4=160 mm2，近似于φ14圓鋼截面積，將鍍鋅扁鐵近似于φ14圓鋼進行錨固長度La1驗算：

(4)

(3)握裹力計算法：

按照鍍鋅扁鋼與混凝土水泥漿之間的握裹力計算錨固長度：

需要滿足：

Asf≤S×u×La2

(5)

式中：u為混凝土對鍍鋅扁鋼的平均握裹力，取混凝土標準抗壓強度的10%，即3N/mm2;S為鍍鋅扁鋼周長。

(6)

錨固長度取max{La1,La2}=132 mm

實際采用錨固長度250 mm>132 mm，故：錨固長度滿足要求。

(4)短鋼管抗壓穩(wěn)定性驗算：

Nl/φA≤0.85f=174.25 N/mm2

(7)

由長細比l/i=400/15.9的結(jié)果查表得到φ=0.949；

A=4.5 cm2

故：短鋼管穩(wěn)定性滿足要求。

(5)扣件抗滑承載力驗算：

扣件抗滑移應滿足：

Nlw≤Rc

(8)

式中：Rc為扣件抗滑移承載力設計值，直角扣件取8.0 kN。

Nlw=5.87 kN<8.0 kN

故：扣件抗滑承載力滿足要求。

3 結(jié)論與建議

總結(jié)起來，以安全性、施工便利性、外墻滲漏隱患、適用范圍以及經(jīng)濟性五個方面分別評價各個形式的外腳手架連墻件，按照一般、較好、好三個評價標準，評價結(jié)果見表2。

表2 外腳手架連墻件評價表

從表2看出，預埋扁鐵式連墻件在各項評價指標中均有較好的表現(xiàn)，作為外腳手架連墻件有較好的優(yōu)勢，可以為施工單位提高施工效率，減少因外腳手架連墻件引起的外墻滲漏等質(zhì)量通病，節(jié)省了工程成本。預埋扁鐵式連墻件是建筑工程外腳手架搭設提質(zhì)增效的有力工具。