鋼管外腳手架穩(wěn)定承載力研究及設(shè)計(jì)優(yōu)化

謝向陽(yáng)

(中國(guó)建筑工程(澳門(mén))有限公司，澳門(mén) 999078)

0 引言

由于城市土地價(jià)格等原因，超高層建筑的應(yīng)用在大城市成為一種趨勢(shì)。隨著建筑層數(shù)及總高度的增加，更為經(jīng)濟(jì)和安全的各類(lèi)型爬架開(kāi)始逐步取代傳統(tǒng)懸挑扣件式鋼管外腳手架。但對(duì)于外墻裝修復(fù)雜的超高層建筑，如采用外保溫或飾面磚的住宅、公寓等建筑，外墻裝修工序多、濕作業(yè)工程量大，如采用爬架兼作裝修外架，將不得不降低結(jié)構(gòu)施工速度來(lái)保證結(jié)構(gòu)與外裝修同步施工，或結(jié)構(gòu)完成后爬架下行進(jìn)行外裝修施工，或者爬架拆除后采用吊籃施工，這些方式均將對(duì)工期形成較大制約。因此，分段懸挑扣件式鋼管外腳手架以其結(jié)構(gòu)施工、外墻裝修互不影響的優(yōu)勢(shì)而仍將被長(zhǎng)期采用。

在鋼管外腳手架設(shè)計(jì)中，工程技術(shù)人員對(duì)腳手架桿件間距布置及連墻件設(shè)置方式對(duì)于規(guī)范允許承載計(jì)算結(jié)果的重要性有普遍認(rèn)識(shí)。但由于建筑設(shè)計(jì)越來(lái)越多元化、立面變化復(fù)雜程度越來(lái)越高，工程現(xiàn)場(chǎng)所遇到的實(shí)際工況常超出規(guī)范計(jì)算中所依據(jù)的簡(jiǎn)單構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)。因此，工程技術(shù)人員需對(duì)架體實(shí)際承載機(jī)制有一定了解，從而能靈活、安全地應(yīng)用規(guī)范并處理復(fù)雜工況。

本文對(duì)鋼管外腳手架穩(wěn)定承載機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)的初步分析，重點(diǎn)對(duì)鋼管外腳手架斜桿(剪刀撐)、連墻件的作用及效能進(jìn)行定性分析。

1 鋼管外腳手架穩(wěn)定承載機(jī)制

1.1 架體穩(wěn)定承載力與抗側(cè)移能力直接相關(guān)

在JGJ 130—2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》[1]和國(guó)外規(guī)范如BS 5975—2008[2]中，單、雙排腳手架穩(wěn)定性計(jì)算為鋼管外腳手架設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性工作，計(jì)算原理均基于兩端鉸接細(xì)長(zhǎng)壓桿的臨界力公式(Pcr=π2EI/l2)，EI對(duì)于水平承載的梁為抗彎剛度，對(duì)于豎向承載的壓桿則為抗側(cè)移剛度。即鋼管外腳手架立桿沿高度方向的各處抵抗水平方向的位移能力越強(qiáng)，立桿穩(wěn)定承載力越高。在GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[3]穩(wěn)定性計(jì)算部分，按結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度情況將框架劃分為無(wú)支撐純框架、強(qiáng)支撐框架、弱支撐框架，表明結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度與穩(wěn)定性計(jì)算直接相關(guān)。對(duì)于腳手架支撐體系，抗側(cè)移能力直接決定架體穩(wěn)定承載力。

由于架體在水平力作用下的側(cè)移模態(tài)，相較于豎向力作用下屈曲模態(tài)，能更直觀地分析和表述穩(wěn)定承載機(jī)制，因此，以下采用側(cè)移模態(tài)進(jìn)行圖示及說(shuō)明。

1.2 單元框格抗側(cè)移機(jī)制分類(lèi)及能力比較

2種抗側(cè)移類(lèi)型統(tǒng)一表述為純框架型(無(wú)斜桿)、支撐型(有斜桿)。文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)分析總結(jié)了腳手架架體中各類(lèi)桿件及節(jié)點(diǎn)約束抗側(cè)移機(jī)制，提出純框架型由立桿(柱)與水平桿(梁)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)約束抗側(cè)移，支撐桿型主要由立桿、水平桿、斜桿組成的三角形機(jī)構(gòu)抗側(cè)移。采用MIDAS軟件進(jìn)行建模分析，其中各扣件半剛性節(jié)點(diǎn)參數(shù)采用文獻(xiàn)[4]中多參數(shù)模擬方案。在頂部水平推力作用下，不同類(lèi)型框格單元抗側(cè)移能力如圖1所示，可知純框架型抗側(cè)移能力遠(yuǎn)低于支撐型。

圖1 不同類(lèi)型框格單元抗側(cè)移能力示意

1.3 整架中各類(lèi)構(gòu)件對(duì)抗側(cè)移能力的影響

各種架體構(gòu)造組合在相同水平推力作用下的側(cè)移量如表1所示。

表1直觀體現(xiàn)了純框架、豎向斜桿、水平斜桿、連墻件單獨(dú)及組合作用下的抗側(cè)移效果，與文獻(xiàn)[4]所闡述的機(jī)制及效能一致。

表1 不同構(gòu)造架體單元側(cè)移量

1)連墻件抗側(cè)移能力最強(qiáng)，但工程實(shí)踐中難以

做到逐個(gè)豎向平面(每跨)配置。

2)配置豎向斜桿的豎向平面具有較強(qiáng)抗側(cè)移能力。

3)無(wú)豎向斜桿的純框架抗側(cè)移能力最弱。

4)水平斜桿在各豎向平面存在抗側(cè)移能力不一致時(shí)起傳遞協(xié)調(diào)作用，當(dāng)各平面抗側(cè)移能力一致時(shí)則基本不起作用。

2 鋼管外腳手架構(gòu)件對(duì)承載力的作用

雙排鋼管外腳手架盡管為臨時(shí)工程結(jié)構(gòu)，但屬于較復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系，其穩(wěn)定承載力由架體縱橫跨距與步距、縱橫向斜撐、連墻件步距與跨距等多重因素綜合決定。

建立12跨(縱跨距1.5m、橫跨距0.9m)18步(步距1.8m)的18m寬、32.4m高雙排鋼管外腳手架完整架體模型(見(jiàn)圖2)，采用MIDAS中特征值屈曲分析模塊計(jì)算特征值屈曲因子λ，通過(guò)對(duì)比λ變化，定性分析各因素對(duì)架體穩(wěn)定承載力的影響情況。

圖2 完整架體構(gòu)造

屈曲計(jì)算類(lèi)型中xz代表限制y向位移、僅對(duì)架體縱向(平行于建筑物外墻)平面進(jìn)行屈曲分析；yz代表對(duì)橫向(垂直于外墻)平面的分析；3D代表架體xz，yz平面同時(shí)計(jì)算，即架體整體屈曲分析。

2.1 扶手桿、剪刀撐

在由立桿、大橫桿、小橫桿組成的①基本架體基礎(chǔ)上，分別及同時(shí)在外側(cè)xz平面增加②扶手桿(豎向間距0.6m)、③剪刀撐(每6跨通高設(shè)置)，對(duì)立桿xz，yz平面及3D整架進(jìn)行屈曲分析。在頂部均布豎向荷載作用下，屈曲因子λ計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同連墻件條件下不同架體構(gòu)造的各向λ變化

在無(wú)連墻件作用下，①基本架體立桿xz平面λ大于立桿yz平面，即yz平面為架體穩(wěn)定承載力瓶頸。其基本原理在于，同等截面尺寸的立桿水平桿組成的純框架，跨度越大抗側(cè)移剛度越大。

按2步3跨增設(shè)連墻件后，xz，yz平面、3D整架的λ均大幅度提高的同時(shí)，yz平面仍顯著弱于xz平面。

在常規(guī)連墻件設(shè)置條件下，xz平面外排立桿分別或同時(shí)增加水平扶手、剪刀撐，xz平面λ大幅度提高，yz平面λ基本不變甚至有所下降(自重增加)，架體總體λ僅發(fā)生小幅變化，甚至有所下降?？v向平面增設(shè)扶手桿、剪刀撐時(shí)，使xz平面抗側(cè)移能力有大幅度提高，但對(duì)yz平面抗側(cè)移能力無(wú)作用，反而由于自重增加導(dǎo)致架體穩(wěn)定承載力略有下降。

在無(wú)連墻件情況下，基本架體的λ為0.7，在按工程常規(guī)采用2步3跨設(shè)置連墻件后，λ達(dá)2.73，為前者的近4倍。連墻件設(shè)置與否導(dǎo)致穩(wěn)定承載力的變化，遠(yuǎn)大于剪刀撐、扶手設(shè)置與否所帶來(lái)的變化。連墻件作為基本無(wú)側(cè)移的剛性支撐點(diǎn)，對(duì)xz，yz平面均能提供較大的側(cè)向支撐力。

2.2 橫向斜桿(斜撐)

在2步3跨設(shè)置連墻件的條件下，按間隔6跨通高連續(xù)設(shè)置④橫向斜桿，xz平面λ基本不變、yz平面大幅度增加，但3D整架λ僅有小幅度增加。當(dāng)每跨設(shè)置橫向斜桿(嚴(yán)重影響通行、無(wú)實(shí)際工程意義)時(shí)，無(wú)論有無(wú)連墻件，屈曲均首先發(fā)生在xz平面，即其顯著提高yz平面抗側(cè)移能力。連墻件、橫向斜桿、扶手桿、剪刀撐對(duì)架體總體穩(wěn)定承載力的作用及邊際效應(yīng)情況如表3所示。

表3 不同構(gòu)造及橫向斜桿水平間隔下架體λ變化

2.3 連墻件設(shè)置

在每2步設(shè)置連墻件的條件下，隨著連墻件跨間隔的增加(每跨設(shè)置至每12跨設(shè)置)，架體λ降低，超過(guò)3跨設(shè)置后，降低幅度增大，如表4所示。

表4 不同連墻件水平間隔下架體λ變化

在每3跨設(shè)置連墻件條件下，隨著設(shè)置步間隔增加(每步設(shè)置至每9步設(shè)置)，架體λ明顯降低，在2步及以上設(shè)置時(shí)，架體穩(wěn)定承載力由yz平面穩(wěn)定性決定，如表5所示。

表5 不同連墻件豎向間隔下基本架體各向λ變化

2.4 分析小結(jié)

在雙排鋼管外腳手架工程實(shí)踐中，除基本架體桿件外，2步3跨連墻件、外側(cè)平面扶手桿(分別從架體穩(wěn)定承載和作業(yè)人員保護(hù)角度)屬于必須采取的措施。

1)立桿橫向(yz)平面抗側(cè)移能力大幅度低于縱向平面(xz)，為架體穩(wěn)定承載力的瓶頸。此外，鋼管外腳手架按均布施工荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，而實(shí)際工況下大多為局部荷載，對(duì)于每片僅2根立桿的yz平面而言，承載時(shí)狀況與規(guī)范設(shè)計(jì)荷載一致；對(duì)于每片存在多排立桿的xz平面，部分立桿可能并未承載，如文獻(xiàn)[4]指出的，架體局部承載的穩(wěn)定性高于均布承載，即xz平面工況承載基本低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。因此，xz平面安全儲(chǔ)備高于甚至遠(yuǎn)高于yz平面，工程實(shí)踐中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注yz平面構(gòu)造情況。

2)外側(cè)扶手桿、剪刀撐僅能增大非穩(wěn)定承載瓶頸的xz平面抗側(cè)移能力，對(duì)架體穩(wěn)定承載力的作用有限。其中，外側(cè)扶手桿因?qū)侔踩雷o(hù)功能性桿件不能取消，而外側(cè)橫向整體性布置的剪刀撐，由于扶手桿(必須設(shè)置)的存在，其對(duì)穩(wěn)定承載力的增加無(wú)作用，因此，建議規(guī)范中不宜過(guò)度強(qiáng)調(diào)其作用，甚至常規(guī)架體上可考慮取消。工程實(shí)踐中，塔式起重機(jī)附墻件、施工電梯附墻件、卸料平臺(tái)導(dǎo)致局部立桿斷開(kāi)的情況有時(shí)難以避免，此時(shí)應(yīng)設(shè)置局部剪刀撐，但此類(lèi)剪刀撐與規(guī)范所強(qiáng)調(diào)的整體性外側(cè)橫向剪刀撐的加強(qiáng)作用存在較大區(qū)別，建議規(guī)范針對(duì)不利工況作出相應(yīng)嚴(yán)格規(guī)定，尤其需強(qiáng)化斷點(diǎn)所在yz平面補(bǔ)強(qiáng)措施。

3)由于連墻件的存在，橫向斜桿在具備工程應(yīng)用可行性的設(shè)置密度條件下(間隔6跨)，對(duì)架體穩(wěn)定承載力的作用有限。但對(duì)于層高較高或其他原因?qū)е逻B墻件設(shè)置不得不超過(guò)2步的工況，采用橫向斜桿對(duì)yz平面進(jìn)行加強(qiáng)具有較強(qiáng)的實(shí)用意義。

4)連墻件設(shè)置對(duì)穩(wěn)定承載力影響較大，是架體穩(wěn)定承載力的決定性因素。從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)角度分析，2步3跨屬于較優(yōu)設(shè)置間隔。

3 超高層懸挑扣件式鋼管外腳手架設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 超高層懸挑外腳手架設(shè)計(jì)常見(jiàn)問(wèn)題

在指導(dǎo)超高層懸挑外腳手架設(shè)計(jì)計(jì)算的核心規(guī)范中[1]，立桿穩(wěn)定性、連墻件扣件抗滑移為較常見(jiàn)不能通過(guò)驗(yàn)算的項(xiàng)目，需進(jìn)行架體設(shè)計(jì)調(diào)整。尤其對(duì)于基準(zhǔn)風(fēng)壓值較高區(qū)域，如沿海地區(qū)，較高位置腳手架在組合風(fēng)荷載條件下架體的立桿穩(wěn)定性計(jì)算及連墻件扣件抗滑移驗(yàn)算成為架體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。因此，風(fēng)荷載為整個(gè)架體設(shè)計(jì)的控制性因素。

設(shè)定算例架體處于深圳地區(qū)(規(guī)范基本風(fēng)壓為0.45kPa)，懸挑底部離地175m(風(fēng)荷載高度變化系數(shù)μz約為2.03)、架體自身高度為25.2m，預(yù)設(shè)立桿步距1.8m、橫距0.9m。

算例架體不組合風(fēng)荷載時(shí)，立桿縱距1.5m(較優(yōu)工程實(shí)踐縱距為1.5m左右)、連墻件2步3跨滿足規(guī)范要求；組合風(fēng)荷載時(shí)，立桿縱距≤0.9m，且連墻件2步1跨設(shè)置(相當(dāng)于至少每個(gè)結(jié)構(gòu)層的每道立桿均必須設(shè)置連墻件)，這將導(dǎo)致懸挑工字鋼機(jī)構(gòu)及連墻機(jī)構(gòu)安裝、拆除及洞口修補(bǔ)等工作大幅度增加，給外墻施工帶來(lái)重大不利影響。

3.2 荷載效應(yīng)組合的優(yōu)化

JGJ 80—2016《建筑施工高處作業(yè)安全技術(shù)規(guī)程》[5]規(guī)定，6級(jí)以上強(qiáng)風(fēng)不得進(jìn)行高處作業(yè)。規(guī)范未對(duì)6級(jí)風(fēng)進(jìn)行具體說(shuō)明，通?？衫斫鉃橐詺庀笈_(tái)天氣預(yù)報(bào)為標(biāo)準(zhǔn)，即空曠地面10m高度2min平均風(fēng)速10.8～13.8m/s。工程實(shí)踐中一般作業(yè)面上出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)即會(huì)停止人員作業(yè)，強(qiáng)熱帶風(fēng)暴及以上預(yù)警后即采取撤出人員、移除作業(yè)面材料直至部分或全部拆解安全網(wǎng)等措施。

JGJ 130—2011中基本風(fēng)壓系按GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[6]中重現(xiàn)期10年對(duì)應(yīng)的風(fēng)壓值取值，該取值以預(yù)防 10年為重現(xiàn)期的10min平均風(fēng)速最大值為標(biāo)準(zhǔn)，深圳地區(qū)對(duì)應(yīng)取值為0.45kPa。按伯努利方程，該基準(zhǔn)風(fēng)壓換算為10min基本風(fēng)速約為26.8m/s。根據(jù)文獻(xiàn)[7]，按世界氣象組織(WMO)推薦值，基本風(fēng)速換算為國(guó)家氣象局風(fēng)力等級(jí)預(yù)報(bào)(按2min平均風(fēng)速最大值劃分)風(fēng)速約為28.2m/s，相當(dāng)于10～11級(jí)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴；換算為3s瞬時(shí)陣風(fēng)(陣風(fēng)因子1.43)為38.3m/s，風(fēng)力等級(jí)13級(jí)。

架體(縱距1.5m、連墻件2步3跨設(shè)置，鋼管壁厚3mm)在承受2層結(jié)構(gòu)裝修施工荷載(共6kN/m2)下，各類(lèi)條件組合的立桿穩(wěn)定性強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果如表6所示。

表6 不同風(fēng)力、荷載及安全網(wǎng)條件下立桿σ值

由表6可知，通過(guò)采取防風(fēng)措施，如惡劣氣候條件預(yù)報(bào)后，根據(jù)情況拆解部分或全部安全網(wǎng)，可避免采用極不經(jīng)濟(jì)便利的架體構(gòu)造方式。因此，對(duì)于基本風(fēng)壓較高地區(qū)，建議在立桿穩(wěn)定性計(jì)算階段采用如下方法。

1)采用永久荷載+0.9×(可變荷載+風(fēng)荷載)荷載效應(yīng)組合時(shí)，基本風(fēng)壓宜≤0.12kPa(6級(jí)強(qiáng)風(fēng)基本風(fēng)壓)；如采用規(guī)范基本風(fēng)壓，則可變荷載中不宜組合施工荷載。

2)針對(duì)極端氣候，可通過(guò)制訂防風(fēng)預(yù)案確定安全網(wǎng)的拆解規(guī)定，對(duì)應(yīng)調(diào)整風(fēng)荷載體形系數(shù)(μs)之后進(jìn)行驗(yàn)算。

以上方法在確保架體各工況安全的前提下，可避免不必要的過(guò)度冗余構(gòu)造，大幅度提高架體設(shè)計(jì)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和工程應(yīng)用便利性。

3.3 連墻件設(shè)置的優(yōu)化

根據(jù)規(guī)范條文，連墻件布置方式不同，對(duì)應(yīng)立桿穩(wěn)定性驗(yàn)算(計(jì)算長(zhǎng)度μ的選取)和連墻件扣件抗滑移驗(yàn)算將不同。其中，扣件抗滑移驗(yàn)算僅與迎風(fēng)面積及風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值相關(guān)，如不能通過(guò)驗(yàn)算，則需加密連墻件設(shè)置。而較高基本風(fēng)壓值區(qū)域的超高層懸挑架，往往不能通過(guò)驗(yàn)算。

算例在不同風(fēng)力、安全網(wǎng)條件下連墻件拉力計(jì)算值如表7所示。按規(guī)范公式，0.45kPa基本風(fēng)壓下連墻件加密1倍仍不能滿足雙扣件允許抗滑力12kN的要求；如遇臺(tái)風(fēng)(12級(jí)及以上)工況，則需加密4倍以上，已不具備可實(shí)施性。

表7 不同風(fēng)力、安全網(wǎng)條件下連墻件拉力

顯然，如同前述荷載效應(yīng)組合的優(yōu)化方式，在沿海地區(qū)熱帶風(fēng)暴來(lái)臨前(如深圳平均每年3.5次)，采取部分或全部拆解密目安全網(wǎng)，相對(duì)于設(shè)置更多的連墻件(而不拆解安全網(wǎng))，具有更好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和工程便利性。

2018年珠海橫琴地區(qū)受到臺(tái)風(fēng)“山竹”的正面侵襲，風(fēng)力14級(jí)、陣風(fēng)達(dá)17級(jí)以上，采用以上方法優(yōu)化設(shè)計(jì)的頂部高度達(dá)208m的某工程懸挑處腳手架在風(fēng)后檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，架體穩(wěn)固、扣件無(wú)松動(dòng)跡象，恢復(fù)安全網(wǎng)后即行復(fù)工。

4 結(jié)語(yǔ)

1)對(duì)于常規(guī)雙排鋼管外腳手架，由于縱跨跨距大于橫跨、縱跨立桿排數(shù)多于橫跨、工況荷載對(duì)于橫跨屬于均布荷載而對(duì)于縱跨一般屬于局部荷載，加之扶手桿、縱向剪刀撐的設(shè)置，在同等荷載條件下，平行于外墻的縱向平面穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于垂直于外墻的橫向平面，工程實(shí)踐中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注橫向平面構(gòu)造強(qiáng)度。

2)縱向平面豎向剪刀撐對(duì)于架體穩(wěn)定性而言屬于冗余構(gòu)造，建議規(guī)范重點(diǎn)針對(duì)工程實(shí)踐中難以避免的局部立桿斷開(kāi)情況增加構(gòu)造補(bǔ)強(qiáng)措施要求。

3)連墻件為架體穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，建議規(guī)范修訂時(shí)，針對(duì)如大層高、大跨度中間無(wú)法設(shè)置連墻件的特殊部位，提供增設(shè)橫向斜桿或其他方法作為局部連墻件替代措施。

4)建議規(guī)范在修訂時(shí)，在高基本風(fēng)壓地區(qū)，通過(guò)采用6級(jí)風(fēng)力對(duì)應(yīng)風(fēng)壓進(jìn)行架體設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)極端氣候條件采用拆除安全網(wǎng)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算，以避免立桿及連墻件間距過(guò)密的情況，使架體設(shè)計(jì)同時(shí)具備良好的安全性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。