裝配式混凝土建筑外掛腳手架穩(wěn)定性分析

鐘 晨，朱旭峰，陳野平

1.安徽新華學(xué)院，安徽 合肥 230088; 2.建筑結(jié)構(gòu)安徽省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（安徽新華學(xué)院），安徽 合肥 230088；3.中國能源建設(shè)集團(tuán)安徽電力建設(shè)第一工程有限公司，安徽 合肥 230088；4.合肥建工集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230088

關(guān)鍵字：裝配式建筑 外掛腳手架 有限元 穩(wěn)定性分析

1 引言

裝配式建筑是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、外圍護(hù)系統(tǒng)、內(nèi)裝系統(tǒng)、設(shè)備與管理系統(tǒng)的主要部分采用預(yù)制部品部件集成，且預(yù)制構(gòu)件通過可靠連接方式建造的建筑。與傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)建筑相比，具有質(zhì)量好、效率高、工期省、節(jié)能環(huán)保、改善勞動(dòng)等優(yōu)勢(shì)［1］。近年來，隨著我國建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的持續(xù)推進(jìn)，越來越多的高層建筑選擇裝配式混凝土結(jié)構(gòu)，建筑工業(yè)化成為當(dāng)前一個(gè)重要趨勢(shì)。除了裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系、設(shè)計(jì)、材料外，施工技術(shù)也是保證其安全、質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)［2］。外掛腳手架通過穿墻螺栓附著于外墻上，具有方便拆裝、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、重復(fù)利用率高等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前廣泛使用的腳手架形式［3］。

2 外掛腳手架工藝原理

外掛腳手架由三個(gè)部分所組成：腳手板、三角支撐架和臨邊防護(hù)架，如圖1所示。

腳手板骨架采用50mm×50mm×3mm的方鋼管焊接而成，上鋪點(diǎn)焊3mm的花紋鋼板，縱、橫方鋼管利用M10螺栓套管連接，套管和外掛吊裝環(huán)的位置應(yīng)與三角支撐架錯(cuò)開布置。

圖1 外掛提升式腳手架示意圖

三角支撐架是外掛腳手架主要的承重構(gòu)件，由水平橫桿、豎向立桿和斜向支撐組成，內(nèi)部采用10#槽鋼焊接連成整體，加勁桿選用6.3#槽鋼增加穩(wěn)定性。三角支撐架的兩端各有一個(gè)著墻支座，每個(gè)支座上預(yù)留兩個(gè)穿墻螺栓孔，便于與外墻體用穿墻螺栓連接。當(dāng)腳手板懸挑過大時(shí)，常在三角支撐架的加勁桿與預(yù)制外墻體內(nèi)側(cè)通道之間增設(shè)一道加強(qiáng)斜撐，以及在墻底角部設(shè)置角碼，兩者相互聯(lián)系可共同提高整個(gè)外掛腳手架的穩(wěn)定性［4-5］。

1.8 m的臨邊防護(hù)高度可有效防止施工人員墜落事故的發(fā)生，防護(hù)骨架采用40mm×40mm×3mm的方鋼管焊接，套管連接方式與腳手板相同，防護(hù)骨架內(nèi)側(cè)點(diǎn)焊25mm×25mm×2.5mm的鐵絲方格防護(hù)網(wǎng)片，外側(cè)焊接200mm高踢腳板。

3 外掛腳手架施工技術(shù)

對(duì)進(jìn)場(chǎng)的三角支撐架、腳手板、臨邊防護(hù)架等進(jìn)行全面檢查，確保鋼管及其配件的規(guī)格和質(zhì)量均合格。

（1）起吊三角支撐架。將預(yù)制三角架掛在塔式起重機(jī)掛鉤上，1人于地面指揮，2人站在落地腳手架上，1人在樓層室內(nèi)指揮，1人負(fù)責(zé)樓層操作面安全旁站。將三角架慢速吊至安裝位置附件，距離約0.5m，站在落地腳手架上的架子工扶正三角架，并調(diào)整好垂直度，配合指揮緩慢將臨邊防護(hù)架靠近預(yù)制外墻體，并將臨邊防護(hù)架與預(yù)制外墻體上預(yù)留孔洞對(duì)孔。

（2）安裝三角支撐架。由2人在室內(nèi)將穿墻螺栓連同三角架從墻內(nèi)側(cè)插入預(yù)留孔，在沒有擰緊所有臨邊防護(hù)架螺栓前，不能移動(dòng)塔吊。在穿墻螺栓外側(cè)使用開口銷固定好穿墻螺母，內(nèi)側(cè)用雙螺母緊固，穿墻螺桿露出螺母應(yīng)不少于三扣，從而將三角支撐架固定在主體結(jié)構(gòu)上。將外三角架單元所有螺栓擰緊后，邊緩慢松鉤邊觀察整個(gè)受力體系是否有異常。按照上述步驟依次完成首層一圈外掛腳手架，完成后確保一圈封閉。二層操作同一層，外側(cè)操作人員站立位置為首層外三角架。

（3）檢查三角支撐架緊固情況。本層三角架安裝完畢后，使用扭力扳手逐個(gè)檢查穿墻螺栓是否鎖緊到位，確保安全穩(wěn)固。

（4）安裝走道板、護(hù)欄。將走道板和護(hù)欄一并起吊安裝到三角支撐架上，并用卡扣、螺母將其固定于三角架上方。

（5）安裝安全警示標(biāo)志。待首層安裝完成后，懸掛上安全警示牌和限重牌，標(biāo)識(shí)允許荷載等內(nèi)容。

（6）驗(yàn)收。首先由施工單位自檢，合格后由項(xiàng)目部安全、質(zhì)量部門聯(lián)合檢查，在檢查合格后再由項(xiàng)目經(jīng)理、技術(shù)總監(jiān)等各相關(guān)單位負(fù)責(zé)人共同驗(yàn)收，驗(yàn)收合格后懸掛驗(yàn)收合格牌，方可投入使用。

（7）周轉(zhuǎn)吊裝。采用塔吊分段整體提升方式，將組合后單段架體、護(hù)欄及架體平臺(tái)為單元整體提升。一般情況下，配備兩套外掛腳手架周轉(zhuǎn)。在每棟樓作業(yè)層的下一層預(yù)制外墻安裝一套外掛腳手架，對(duì)作業(yè)層臨邊施工人員進(jìn)行防護(hù)，作業(yè)層的預(yù)制外墻吊裝時(shí)同步安裝另一套外掛腳手架，作為上一層施工的防護(hù)架，即第N層外防護(hù)架提升至第N+2層安裝［4］。

4 外掛腳手架有限元分析

采用通用有限元軟件ABAQUS，建立外掛腳手架模型。三角支撐架、腳手板、腳手板骨架、臨邊防護(hù)均采用S4R殼單元模擬，材料屬性均為鋼材，取值為彈性模量Es=2.06×105N/mm2，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85×10-9t/mm3。截面尺寸如下：三角支撐架橫桿、立桿和斜桿都為100mm×48mm×5.3mm的槽鋼，加勁桿為63mm×40mm×4.8mm的槽鋼；腳手板骨架為50mm×50mm×3mm的方鋼管，腳手板用3mm厚的鋼板；臨邊防護(hù)骨架為40mm×40mm×3mm的方鋼管；穿墻螺栓按實(shí)際受力狀態(tài)用鉸接模擬［6］。

建立外掛腳手架標(biāo)準(zhǔn)模型尺寸如圖2所示：三角支撐架立桿800mm，三角架橫桿600mm，腳手板跨中長度1600mm，腳手板邊跨長度600mm，腳手板寬度600mm，臨邊防護(hù)骨架高1800mm。邊界條件按鉸接來模擬三角支撐架立桿上的四個(gè)穿墻螺栓實(shí)際受力情況［7］。

外掛腳手架主要承受的是和作用在腳手板上的豎向荷載，包括構(gòu)件自重、施工荷載以及冬季的雪荷載等，以及建筑主體上的水平風(fēng)荷載。

圖2 外掛架有限元模型

建立外掛式腳手架各構(gòu)件的自重荷載標(biāo)準(zhǔn)值，如表1所示。

表1 外掛腳手架構(gòu)件自重荷載

根據(jù)《腳手架安全技術(shù)規(guī)范》JGJ130-2011，考慮施工荷載和風(fēng)荷載，對(duì)腳手板施加豎直向下2.5kN/m2的面荷載，建筑主體由內(nèi)向外施加垂直于臨邊防護(hù)網(wǎng)面的面荷載0.73kN/m2為風(fēng)荷載［6］。模型中荷載布置方式均采用均布荷載，如圖3所示。

基本風(fēng)壓采用10年一遇且≮0.3kN/m2，基本風(fēng)壓設(shè)定為w0=0.3kN/m2，地面粗糙類別C類，建筑總高度按90m。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012，取風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz=1.43，風(fēng)荷載局部體型系數(shù):μs=1.0，風(fēng)振系數(shù)βz=1.71，可計(jì)算出作用在臨邊防護(hù)水平風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：

圖3 外掛架邊界條件及荷載布置

4.1 外掛腳手架模態(tài)分析

在標(biāo)準(zhǔn)尺寸外掛腳手架基礎(chǔ)上，分別對(duì)臨邊防護(hù)骨架里無水平加勁桿、居中設(shè)置一道水平加勁桿、等距設(shè)置兩道水平加勁桿的模型分別進(jìn)行數(shù)值分析，得到外掛腳手架前六階模態(tài)如圖4所示。從表2模態(tài)分析結(jié)果看，在地震情況下第一主振型以平動(dòng)為主，較為合理。

圖4 外掛架模態(tài)分析

表2 外掛架前六階振型情況

4.2 標(biāo)準(zhǔn)尺寸外掛腳手架模擬分析

在標(biāo)準(zhǔn)尺寸外掛腳手架基礎(chǔ)上，首先分別對(duì)臨邊防護(hù)骨架里無水平加勁桿、居中設(shè)置一道水平加勁桿、等距設(shè)置兩道水平加勁桿的模型分別進(jìn)行數(shù)值分析，得到如下圖5的應(yīng)力與變形云圖。由表3數(shù)據(jù)可知，居中設(shè)置一道水平加勁桿時(shí)，峰值應(yīng)力較小，兩道水平加勁桿次之，無水平加勁桿峰值應(yīng)力最大。經(jīng)分析，外掛腳手架對(duì)水平風(fēng)荷載非常敏感，等距增加兩道水平加勁桿時(shí)，其提供的抗側(cè)剛度非常有限，且兩道水平加勁桿受風(fēng)面均多承擔(dān)了風(fēng)荷載，增加了水平力。故建議設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮水平風(fēng)荷載的影響，可沿臨邊防護(hù)高度方向居中設(shè)置一道水平加勁桿。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)模型防護(hù)骨架水平加勁桿設(shè)置分析

表3 標(biāo)準(zhǔn)模型防護(hù)骨架水平加勁桿設(shè)置模擬分析數(shù)據(jù)

其次對(duì)安裝三角支撐架的穿墻螺栓進(jìn)行受力分析，模擬結(jié)果見圖6。其中右上角位置的螺栓為1號(hào)，其余2～4號(hào)按順時(shí)針編號(hào)，即1、3號(hào)為上部螺栓，軸向受拉；2、3號(hào)為下部螺栓，軸向受壓。三角支撐架局部模擬分析結(jié)果見圖7，可見螺栓處的應(yīng)力及沿三個(gè)整體坐標(biāo)系方向的位移數(shù)據(jù)。由于本次分析外掛腳手架各部件均采用三維殼單元進(jìn)行分析，具有空間剛度，在外力作用下，三角支撐架發(fā)生微小的水平偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致穿墻螺栓產(chǎn)生了一定的水平剪力，如表4所示。

圖6 外掛腳手架穿墻螺栓受力分析

圖7 三角支撐架局部模擬分析

表4 標(biāo)準(zhǔn)模型防護(hù)骨架水平加勁桿設(shè)置模擬分析數(shù)據(jù)

再對(duì)連接臨邊防護(hù)一側(cè)腳手板骨架鋼材厚度進(jìn)行變參數(shù)分析，厚度分別取3.0mm、3.5mm、4.0mm、4.5mm、5.0mm，應(yīng)力云圖和最大應(yīng)力見圖8、表5。通過分析可知，隨著連接臨邊防護(hù)一側(cè)腳手板骨架鋼材厚度增加，最大應(yīng)力逐步減小。

圖8 改變連接臨邊防護(hù)一側(cè)腳手板骨架鋼材厚度模擬分析

表5 改變連接臨邊防護(hù)一側(cè)腳手板骨架鋼材厚度模擬分析數(shù)據(jù)

最后，在外側(cè)腳手板骨架連接臨邊防護(hù)兩端且平行于臨邊防護(hù)骨架內(nèi)側(cè)位置（圖9所示），通過焊接各增加一道3mm厚的加勁鋼板后，進(jìn)行模擬分析的應(yīng)力云圖見圖10。通過分析可知，增加兩塊加勁板可有效減小最大應(yīng)力，而增加的鋼材質(zhì)量卻非常少，可有效控制成本增加。加勁板位于臨邊防護(hù)骨架內(nèi)側(cè)下對(duì)最大應(yīng)力稍小于位于臨邊防護(hù)骨架外側(cè)下，從方便施工角度，建議在外側(cè)腳手板骨架兩端口部增加。

圖9 連接臨邊防護(hù)的腳手板骨架內(nèi)增加加勁板(t=3mm)示意圖

圖10 連接臨邊防護(hù)的腳手板骨架增加加勁板(t=3mm)模擬分析

表6 連接臨邊防護(hù)的腳手板骨架增加加勁板(t=3mm)模擬分析數(shù)據(jù)

4.3 穿墻螺栓的承載力驗(yàn)算

將三角支撐架和預(yù)制外墻體連接在一起的穿墻螺栓同時(shí)受拉和剪力作用，螺栓內(nèi)徑為d=8.37mm，對(duì)于4.6級(jí)、4.8級(jí)鋼材的C級(jí)普通螺栓，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為170MPa，抗剪強(qiáng)度為140MPa。由表4可進(jìn)行穿墻螺栓承載力驗(yàn)算：

（1）穿墻螺栓單獨(dú)受拉時(shí)，M10螺栓抗拉承載力設(shè)計(jì)值為：

（2）穿墻螺栓單獨(dú)受剪時(shí)，M10螺栓抗剪承載力為：

（3）同時(shí)受剪和受拉

螺栓1：水平拉力 Nt1=1510N，剪力Nv1=760N。

M10螺栓滿足要求。

螺栓2：水平壓力 Nt2=1329N，剪力Nv2=1599N。

M10螺栓滿足要求。

螺栓3：水平拉力 Nt3=1537N，剪力Nv3=720N。

M10螺栓滿足要求。

螺栓4：水平壓力 Nt4=1358N，剪力Nv4=1633N。

M10螺栓滿足要求。

5 結(jié)論

由以上模擬分析和螺栓承載力驗(yàn)算可知：（1）在最不利工況下，外掛架各構(gòu)件應(yīng)力水平正常，不會(huì)發(fā)生整體傾覆；（2）可在臨邊防護(hù)骨架里沿防護(hù)高度方向居中設(shè)置一道水平加勁桿，可降低其峰值應(yīng)力；（3）對(duì)外側(cè)腳手板骨架的兩端平行于臨邊防護(hù)骨架的位置，通過焊接各增加一道3mm厚的加勁鋼板，可在少量增加成本的基礎(chǔ)上獲得穩(wěn)定性能的提升。

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)外掛腳手架的應(yīng)用，達(dá)到了提速降本增效的目的，而且在保證工程質(zhì)量、降低施工風(fēng)險(xiǎn)方面也具備優(yōu)勢(shì)，符合當(dāng)前綠色建造的趨勢(shì)。模擬計(jì)算結(jié)果顯示，施工外掛腳手架本身安全穩(wěn)定，并具有較大的安全儲(chǔ)備，驗(yàn)證了外掛腳手架設(shè)計(jì)的安全可靠性。