新型桁架式承重懸挑架在裝配式建筑中的應(yīng)用

王曉研，解 丹

(北京城建十六建筑工程有限責(zé)任公司，北京 100089)

0 引言

裝配式建筑因具有部件化、工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化等特點(diǎn)深受國內(nèi)建筑市場的認(rèn)可，隨著國家對(duì)裝配式建筑支持政策的不斷出臺(tái)，裝配式建筑的標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)、產(chǎn)品、監(jiān)管等體系不斷完善，其效益、質(zhì)量及品質(zhì)也不斷加強(qiáng)。建筑方式的轉(zhuǎn)變會(huì)帶來施工技術(shù)的改變，預(yù)制構(gòu)件工廠化無法采用傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)工字梁懸挑架的做法，因傳統(tǒng)做法需預(yù)留較多孔洞，會(huì)影響整體裝配式構(gòu)件施工效率，大量的孔洞也會(huì)給裝配式結(jié)構(gòu)外墻保溫、防水等造成不可避免的質(zhì)量隱患，且傳統(tǒng)工字梁錨固長度過長，陽角復(fù)雜。

針對(duì)裝配式外墻防護(hù)，采用桁架式承重懸挑架，通過在預(yù)制外墻中預(yù)留螺栓孔洞，將三角架通過螺栓固定在預(yù)制外墻中，解決裝配式墻體外防護(hù)問題。桁架式承重懸挑架體積小、用鋼量少、質(zhì)量小、搬運(yùn)便利、安裝及拆卸方便、工人勞動(dòng)強(qiáng)度小，可減少塔式起重機(jī)工作量、提高工效、消除拆除安全隱患，產(chǎn)品質(zhì)量可控、安全可靠性高、經(jīng)濟(jì)性高。但桁架式承重懸挑架應(yīng)用于裝配式墻體時(shí)，由于中間保溫層對(duì)螺栓的承載力與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)不同，存在復(fù)雜的受力關(guān)系，需對(duì)裝配式外墻進(jìn)行系統(tǒng)的計(jì)算與受力分析，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場使用及試驗(yàn)情況進(jìn)行驗(yàn)證，確保這一體系在裝配式外墻使用中的安全性。螺栓連接作為桁架式承重懸挑架的重要連接形式，很難預(yù)防或發(fā)現(xiàn)螺栓的疲勞破壞，需對(duì)螺栓重點(diǎn)受力部位加強(qiáng)關(guān)注與研究。

1 工程概況

某項(xiàng)目建筑功能主要為住宅、配套設(shè)施、幼兒園及地下車庫。住宅采用裝配式結(jié)構(gòu)，地下2層，地上10～15層，鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件包括3，4層以上外墻、部分內(nèi)墻、疊合板、空調(diào)板、陽臺(tái)板及樓梯梯段板等，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)制率>40%，預(yù)制裝配率>50%。

2 桁架式承重懸挑架體系

本工程以桁架式承重懸挑架作為外防護(hù)腳手架的基礎(chǔ)，如圖1所示。懸挑架為三角桁架結(jié)構(gòu)，主材立桿采用□80×4，橫桿、斜桿采用□70×4，腹桿采用□50×4，選用Q235B級(jí)鋼材；鋼管間采用焊接連接。懸挑架上部鋪設(shè)I16，由穿墻螺栓固定在墻上，并采用U形筋固定型鋼，為上部腳手架提供支撐。

圖1 桁架式承重懸挑架

3 桁架式承重懸挑架加載試驗(yàn)

對(duì)懸挑架進(jìn)行加載試驗(yàn)(見圖2)，驗(yàn)證三角架加載值為設(shè)計(jì)使用荷載時(shí)混凝土夾心墻板外葉墻和窗洞附近混凝土的承載情況?？紤]到窗洞附近是薄弱點(diǎn)，須驗(yàn)證懸挑架在常規(guī)安裝距離范圍內(nèi)加載是否滿足要求，因此設(shè)計(jì)2榀距混凝土夾心墻窗口底部400mm、水平兩側(cè)各100mm的三角架，2榀三角架水平間距為1 700mm，按上部承擔(dān)4根(內(nèi)、外立桿各2組)步距1 500mm、縱距1 500mm、橫距900mm的8層腳手架立桿(218m)荷載計(jì)算(即縱向3m范圍內(nèi)總荷載)，考慮荷載基本組合值及重要性系數(shù)后取30kN。計(jì)劃加載方案為：以6kN為荷載梯級(jí)逐級(jí)對(duì)稱加載，接近極限后以3kN為梯級(jí)進(jìn)行加載。實(shí)際加載方案為：0→24kN→30kN→36kN→42kN→52kN→64kN→76kN。每級(jí)荷載加載完畢后，靜置一段時(shí)間，觀測(cè)墻體、窗洞、三角架螺栓孔等荷載較大處的混凝土狀況，重點(diǎn)關(guān)注是否出現(xiàn)裂縫及壓潰情況。

圖2 桁架式承重懸挑架加載試驗(yàn)

加載值為64kN時(shí)，在墻體、窗洞、三角架螺栓孔位置均未發(fā)現(xiàn)裂縫，且三角架未出現(xiàn)明顯變形,說明三角架滿足該使用條件，且存在一定的安全儲(chǔ)備，滿足規(guī)范要求的試驗(yàn)綜合安全系數(shù)>1.5。加載至76kN時(shí)，外葉墻窗口兩側(cè)均發(fā)現(xiàn)開裂(見圖3)。

圖3 外葉墻窗口裂縫

三角架上部螺栓受拉力和豎向剪切力的共同作用，外葉墻在窗洞角落處因應(yīng)力集中首先出現(xiàn)拉裂縫。螺栓在豎向偏心剪力作用下，螺栓孔靠近外側(cè)局部會(huì)有較大壓力，在豎向荷載作用下先出現(xiàn)裂縫。

4 螺栓在保溫及外葉墻板懸挑150mm工況分析

4.1 裝配式預(yù)制外墻概況

外墻采用預(yù)制混凝土夾心保溫外墻板，內(nèi)葉墻板為200mm厚C30混凝土，中間為90mm厚擠塑聚苯保溫板，外葉墻板為60mm厚C30混凝土。本項(xiàng)目中應(yīng)用于預(yù)制外墻板的不銹鋼保溫拉結(jié)件系統(tǒng)由承重拉結(jié)件和限位拉結(jié)件構(gòu)成，外葉墻自重和地震荷載等由承重拉結(jié)件承擔(dān)。承重拉結(jié)件規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度(屈服強(qiáng)度)≥380MPa，抗拉強(qiáng)度≥600MPa；在內(nèi)、外葉墻中錨固深度應(yīng)≥50m。板型保溫連接件剖面如圖4所示。

圖4 板型保溫連接件剖面

4.2 螺栓在保溫位置純懸挑

1)選取最大反力點(diǎn)

該位置螺栓分擔(dān)6根腳手架立桿傳遞的總荷載，約18.5kN。荷載基本組合(恒荷載組合系數(shù)1.3，活荷載組合系數(shù)1.5)下對(duì)應(yīng)的螺栓反力值如表1所示，最大螺栓反力值拉力為37.17kN，剪力為23.19kN，螺栓拉剪組合驗(yàn)算為：

表1 各節(jié)點(diǎn)荷載值情況

2)螺栓懸挑模型

選取4.8級(jí)普通T30螺栓，假設(shè)螺栓與保溫及外葉墻板及外葉墻板重疊部位存在150mm懸空，即保溫不參與受力計(jì)算，建立螺栓懸挑模型如圖5所示。邊界條件為預(yù)制外墻構(gòu)件中200mm厚混凝土內(nèi)葉墻，螺栓受x，z2個(gè)方向(垂直螺栓方向)的位移約束，螺母受y方向(沿螺栓方向)位移約束。

圖5 螺栓懸挑模型

螺栓等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，考慮螺栓在保溫及外葉墻板位置純懸挑且不參與受力的情況下，螺栓最大等效應(yīng)力為1 664.1MPa， 超過4.8級(jí)螺栓的強(qiáng)度(400MPa)。

圖6 螺栓等效應(yīng)力(單位：Pa)

4.3 改進(jìn)分析模型

外葉墻板對(duì)螺栓提供支撐，荷載由拉結(jié)件傳遞給內(nèi)葉墻。若按懸挑考慮，則螺栓強(qiáng)度不滿足要求。若不考慮夾心保溫板受力狀態(tài)，即將螺栓中間90mm考慮為懸挑狀態(tài)，則螺栓強(qiáng)度不滿足要求。但實(shí)際上螺栓的受力條件不是純懸挑狀態(tài)，考慮到預(yù)制外墻實(shí)際由60mm厚外葉墻板、90mm厚保溫板、200mm厚內(nèi)葉墻板共同受力，通過保溫連接件可將三者形成一個(gè)整體進(jìn)行受力分析螺栓受力如圖7所示。

圖7 螺栓受力(單位：Pa)

帶窗口板型不銹鋼連接件布置如圖8所示。根據(jù)連接件承載能力及其布置情況，墻板制作時(shí)采用160型、120型連接件作為豎向抗剪連接件，每塊墻板布置2個(gè)抗剪連接件，考慮鋼材抗力分項(xiàng)系數(shù)1.4，恒荷載分項(xiàng)系數(shù)1.3。對(duì)于160型連接件，其抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為48.72kN，使用該連接件的最大墻板(2.89m×2.89m)為實(shí)心墻，其外葉墻自重為2.89×2.89×0.06×25=12.53kN，因此，單個(gè)連接件存在48.72/1.4-12.53/2×1.3=26.66kN的抗剪承載力儲(chǔ)備；同理，對(duì)于120型連接件，其單個(gè)連接件承載力標(biāo)準(zhǔn)值為36.54kN，采用120型抗剪連接件的最大墻體為帶窗洞墻，墻體尺寸為3.21m×2.89m，窗洞尺寸為2.1m×1.4m，其外葉墻自重為(3.21×2.89-2.1×1.4)×0.06×25=9.51kN，得單個(gè)豎向拉結(jié)件有36.54/1.4-9.51/2×1.3=19.92kN的抗剪承載力儲(chǔ)備。綜上，單個(gè)連接件有約20kN的抗剪承載力儲(chǔ)備，每塊墻板布置2個(gè)豎向受剪連接件，可提供足夠的承載力。

圖8 帶窗口板型不銹鋼拉結(jié)件布置

考慮外葉墻為60mm厚C30混凝土，根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(2015年版)，其螺栓孔處局部抗壓強(qiáng)度為1.35×1×1×14.3×30×60/1 000=34.75kN，大于為螺栓提供的支撐力23.74kN，外葉墻不會(huì)發(fā)生局部受壓破壞。

5 桁架式承重懸挑腳手架優(yōu)化方案

5.1 調(diào)整腳手架參數(shù)降低荷載

結(jié)合目前懸挑腳手架方案和受力模型分析情況，優(yōu)化懸挑腳手架方案，減少腳手架部分荷載，降低三角桁架及穿墻螺栓的受力。計(jì)劃將懸挑腳手架立桿橫距從900mm調(diào)整為750mm，增大安全系數(shù)。

5.2 設(shè)置雙道鋼絲繩增加安全儲(chǔ)備

取最不利位置及轉(zhuǎn)角位置，即2.1m三角架采取加強(qiáng)措施，設(shè)置雙道鋼絲繩，其中1道作為安全儲(chǔ)備，為避免螺栓在材料、荷載分布、應(yīng)力幅度等因素下發(fā)生疲勞強(qiáng)度破壞，此處螺栓不周轉(zhuǎn)使用。

5.3 增加對(duì)外掛架受力較大部位的監(jiān)測(cè)

實(shí)際施工時(shí)，懸挑腳手架各部件可能存在計(jì)算模型和受力分析無法考慮的狀況，在應(yīng)力集中區(qū)域布置監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)架體搭設(shè)過程中的架體撓度和螺栓拉力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。監(jiān)測(cè)測(cè)量精度可達(dá)0.005°，規(guī)范中型鋼懸挑腳手架的設(shè)計(jì)撓度限值為1/250，即最大角度變形為0.23°，其測(cè)量精度可滿足架體撓度的測(cè)量要求。

5.4 加強(qiáng)對(duì)墻體位移的監(jiān)測(cè)

懸挑腳手架每層架體搭設(shè)后，針對(duì)三角桁架變形、螺栓松動(dòng)等情況進(jìn)行檢查。同時(shí)加強(qiáng)對(duì)墻體位移的監(jiān)測(cè)，確保混凝土結(jié)構(gòu)安全。

6 結(jié)語

以桁架式承重懸挑架為研究體系，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用情況，從體系的工作原理、施工技術(shù)、螺栓受力等方面進(jìn)行研究，通過對(duì)該體系進(jìn)行試驗(yàn)分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測(cè)等，不斷優(yōu)化受力計(jì)算模型，使有限元分析趨于合理化，同時(shí)不斷優(yōu)化調(diào)整現(xiàn)場施工方案，使整體防護(hù)體系更加安全合理。實(shí)踐證明，桁架式承重懸挑腳手架施工標(biāo)準(zhǔn)化、工具化，符合裝配式建筑綠色施工要求，隨著未來裝配式建筑的不斷發(fā)展，桁架式承重懸挑腳手架外墻防護(hù)結(jié)構(gòu)在裝配式體系中將具有廣闊的應(yīng)用前景。