小橫桿懸挑非常規(guī)腳手架的應(yīng)用及安全性能研究

【摘 要】外立面施工腳手架采用小橫桿懸挑的布置方式，合理布置排數(shù)，可同時(shí)滿足外立面改造拆除和幕墻施工的使用要求，減少架體拆改，節(jié)約工期。使用Midas/Gen軟件對(duì)小橫桿懸挑腳手架進(jìn)行計(jì)算分析并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用情況，表明搭設(shè)高度為20 m的小橫桿懸挑非常規(guī)腳手架，在小橫桿懸挑長(zhǎng)度小于等于1 m時(shí)，其架體穩(wěn)定性及懸挑小橫桿撓度和穩(wěn)定性符合規(guī)范要求，確定小橫桿最大懸挑長(zhǎng)度應(yīng)定為1 m，當(dāng)懸挑長(zhǎng)度大于600 mm時(shí)，應(yīng)增加斜撐保證小橫桿懸挑段的穩(wěn)定。此方法為外立面改造施工腳手架的搭設(shè)設(shè)計(jì)提供了參考。

【關(guān)鍵詞】外立面改造； 腳手架； 懸挑小橫桿； 懸挑長(zhǎng)度； MIDAS/Gen

【中圖分類號(hào)】TU731.2【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

0 引言

城市街道的提升改造中很重要的一部分是對(duì)沿街老舊建筑破損及雜亂的外立面進(jìn)行改造，新建外立面裝飾多為幕墻且幕墻線條多為不規(guī)則造型且突出原墻面較多。對(duì)原外立面裝飾進(jìn)行拆除及新建外立面裝飾時(shí)，搭設(shè)落地式鋼管腳手架做為操作平臺(tái)及防護(hù)是比較節(jié)約成本和能保證工期、安全的一種方式。

如何對(duì)施工腳手架進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，使其在保證穩(wěn)定性的同時(shí)，盡量滿足外立面拆除和外墻裝飾施工的使用要求，減少架體拆改，提升施工速度是本文所要研究的內(nèi)容。

1 工程概況

成都成華區(qū)建設(shè)路提升改造項(xiàng)目主要涉及外立面更新改造約26 000 m2，樓棟均為3層，最高處為19 m高，外立面新施作裝飾主要為幕墻裝飾，幕墻突出原墻面長(zhǎng)度為0.3～1.2 m，大部分幕墻均突出墻面長(zhǎng)度較長(zhǎng)，且現(xiàn)場(chǎng)原有建筑屋面老舊，路面交通復(fù)雜，基本無(wú)使用吊籃的條件，使用腳手架進(jìn)行外立面改造施工是該項(xiàng)目首選。

2 落地式施工腳手架方案設(shè)計(jì)與比選

2.1 方案設(shè)計(jì)

施工腳手架需要輔助完成外立面拆除和幕墻施工的工作。且外立面新施作幕墻突出墻面較多，根據(jù)此特點(diǎn)進(jìn)行腳手架方案設(shè)計(jì)，共提出兩個(gè)方案。

2.1.1 方案一

架體首先滿足外立面拆除的需要，離墻距離設(shè)置為300 mm，同時(shí)考慮后期幕墻施工的需要，根據(jù)幕墻面材突出墻面的距離，設(shè)置腳手架排數(shù)為三排或四排；在外立面拆除施工完成后，施工幕墻時(shí)，邊施工邊拆除內(nèi)部一排或兩排腳手架，保證面材安裝的空間。具體布置方式示意如圖1所示。

2.1.2 方案二

為減少腳手架拆改，在方案一的基礎(chǔ)上進(jìn)行腳手架搭設(shè)時(shí)減少腳手架排數(shù)，采用懸挑小橫桿做為操作平臺(tái)，腳手架離墻距離根據(jù)幕墻面材突出原墻面長(zhǎng)度調(diào)整為0.5～1.5 m，小橫桿懸挑長(zhǎng)度為0.3～1 m。在外立面拆除完成后，施作幕墻時(shí)僅需調(diào)整小橫桿即可保證幕墻面材的安裝空間。具體布置方式如圖2所示。

2.2 方案比選

對(duì)方案一和方案二優(yōu)缺點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)性、適用性進(jìn)行比較，比較結(jié)果見表1。

表中經(jīng)濟(jì)性一列，方案二采用小橫桿懸挑作為施工平臺(tái)，節(jié)約搭設(shè)腳手架面積為3 700 m2，減少拆改腳手架面積為1 000 m2，按照腳手架搭設(shè)及拆改45元/m2價(jià)格計(jì)算，采用方案二，共節(jié)約211 500元。

從表1中可以看出方案二在適用性和經(jīng)濟(jì)性方面都具有優(yōu)勢(shì)，針對(duì)其相對(duì)不穩(wěn)定和安全防護(hù)及管理要求高的缺點(diǎn)，可通過(guò)計(jì)算分析和采取有效措施和方法進(jìn)行優(yōu)化和避免。

綜上所述，應(yīng)優(yōu)先選擇方案二進(jìn)行施工腳手架的搭設(shè)。

3 施工腳手架計(jì)算分析

3.1 模型建立

使用Midas Gen軟件對(duì)小橫桿懸挑非常規(guī)腳手架進(jìn)行分析計(jì)算，主要對(duì)架體的整體穩(wěn)定性，小橫桿撓度，強(qiáng)度和剛度進(jìn)行計(jì)算分析。腳手架搭設(shè)參數(shù)如表2所示。

分別對(duì)小橫桿懸挑長(zhǎng)度為300 mm、400 mm、500 mm、600 mm、700 mm、800 mm、900 mm及1 000 mm狀態(tài)下的腳手架進(jìn)行計(jì)算分析。

由于是在既有結(jié)構(gòu)上搭設(shè)腳手架，且外立面改造均只改造沿街一側(cè)，所以整個(gè)腳手架在縱向上的搭設(shè)方式為兩端開口，且整段腳手架存在對(duì)稱性，所以在建立模型以進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，僅取出該段腳手架中間最具有代表性的整體坐標(biāo)軸X軸方向上的6跨來(lái)建立模型。

為了很好的體現(xiàn)扣件式腳手架體系僅在兩個(gè)豎向平面內(nèi)的半剛性性質(zhì)，依據(jù)文獻(xiàn)［1］將扣件簡(jiǎn)化成實(shí)心柱狀短桿，且利用釋放梁端部約束設(shè)定計(jì)算模型節(jié)點(diǎn)的邊界條件來(lái)模擬節(jié)點(diǎn)的半剛性性質(zhì)。參照文獻(xiàn)［2］進(jìn)行的“直角扣件抗扭剛度試驗(yàn)”所得出的不同扣件螺栓擰緊力矩條件下扭轉(zhuǎn)剛度模型參數(shù)，選擇扣件擰緊力矩為50 N·m下的扭轉(zhuǎn)剛度54.07 kN·m/rad來(lái)對(duì)模型中具有半剛性屬性的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行扭轉(zhuǎn)剛度的設(shè)置。

文獻(xiàn)［1］和文獻(xiàn)［3］通過(guò)對(duì)軟件（有限元）計(jì)算結(jié)果與規(guī)范及試驗(yàn)值比較，說(shuō)明了利用Midas/Gen模擬鋼管腳手架是可操作的且所得到的數(shù)據(jù)較規(guī)范法更加保守可靠，同時(shí)也更加精確。

使用表2的架體搭設(shè)參數(shù)進(jìn)行腳手架的計(jì)算，根據(jù)JGJ 130-2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》［4］，鋼管類型為48 mm×3.0 mm，連墻件施工活荷載取為2.0 kN/m2，同時(shí)考慮2層施工；腳手板荷載取為0.30 kN/m2，按照鋪設(shè)2層計(jì)算；基本風(fēng)壓取為0.20 kN/m2，高度變化系數(shù)1.28，體型系數(shù)1。大橫桿在小橫桿上面，相當(dāng)于小橫桿是大橫桿的支座，架體上腳手板、施工荷載等豎向荷載可以簡(jiǎn)化為作用在橫桿上的均布荷載，荷載參數(shù)簡(jiǎn)化后如表3所示。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算模型如圖3所示。

腳手架為開口腳手架，在腳手架端部設(shè)置橫向斜撐。偏安全考慮，不考慮剪刀撐的影響。連墻件通過(guò)限制節(jié)點(diǎn)上的Y軸方向的位移實(shí)現(xiàn)，腳手架底部通過(guò)限制節(jié)點(diǎn)上Z軸方向的位移與實(shí)際情況保持一致。

3.2.1 立桿與水平桿桿強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

立桿穩(wěn)定性的計(jì)算需考慮風(fēng)荷載和偏心荷載的影響，計(jì)算公式如式（1）。

σ=NmaxφA+MmaxW≤f（1）

式中：Nmax為計(jì)算立桿段最大軸向力設(shè)計(jì)值；i為計(jì)算立桿的截面回轉(zhuǎn)半徑，i=1.6cm；k為計(jì)算長(zhǎng)度附加系數(shù)，取1.55；u為計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，由腳手架的構(gòu)造參數(shù)確定，u=1.500；l0為計(jì)算長(zhǎng)度（m），l0=kuh=1.55×1.5×1.8=3.118 m；A為立桿凈截面面積，A=4.214cm2；W為立桿凈截面模量（抵抗矩），W=4.493cm3； "λ為長(zhǎng)細(xì)比，為3118/16=196；λ0為允許長(zhǎng)細(xì)比（k取1），為2700/16=169＜210長(zhǎng)細(xì)比驗(yàn)算滿足要求；φ為軸心受壓立桿的穩(wěn)定系數(shù)，由長(zhǎng)細(xì)比l0/i的結(jié)果查表得到0.190；Mmax為計(jì)算立桿段由風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值及偏心荷載設(shè)計(jì)值產(chǎn)生的彎矩；σ為鋼管立桿受壓強(qiáng)度計(jì)算值 （MPa）；f為鋼管立桿抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，f=205 MPa。

立桿最大軸力，最大彎矩、受壓強(qiáng)度計(jì)算值及水平桿最大彎曲彎曲應(yīng)力如表4所示。

通過(guò)上表比較可以看出，在腳手架扣件擰緊力矩為50 N·m的情況下，小橫桿挑出長(zhǎng)度為300～1 000 mm時(shí)，立桿穩(wěn)定性計(jì)算和水平桿抗彎強(qiáng)度均小于鋼管抗壓及抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。說(shuō)明腳手架立桿和縱、橫桿在此范圍內(nèi)是基本安全的。其中當(dāng)小橫桿挑出長(zhǎng)度為1 000 mm時(shí)，立桿抗壓強(qiáng)度計(jì)算值為193.6 MPa，接近鋼管的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，所以當(dāng)小橫桿挑出長(zhǎng)度為1 000 mm時(shí)，需對(duì)此范圍內(nèi)的腳手架增加連墻件的設(shè)置或其他措施，減少立桿的計(jì)算長(zhǎng)度，從而增強(qiáng)立桿的穩(wěn)定性。

3.2.2 水平桿撓度計(jì)算結(jié)果

根據(jù)規(guī)范［4］，腳手架水平桿容許撓度為l/150與10 mm，其中l(wèi)為受彎構(gòu)件的跨度。本次腳手架縱距為1 500 mm，所以水平桿的容許撓度為10 mm。在不同小橫桿挑出長(zhǎng)度下水平桿的最大變形量如表5所示。

通過(guò)對(duì)比上表結(jié)果可知，水平桿最大撓度均小于容許撓度，且有較大的安全余量，所以在此范圍內(nèi)水平桿是安全的。

3.2.3 挑出小橫桿計(jì)算結(jié)果

由于腳手架采用挑出小橫桿上鋪跳板做為操作平臺(tái)，所以需對(duì)挑出小橫桿進(jìn)行強(qiáng)度和撓度計(jì)算。根據(jù)規(guī)范［4］，腳手架懸挑受彎桿件容許撓度為l/400，其中l(wèi)為懸挑桿件懸伸長(zhǎng)度的2倍。挑出小橫桿強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如表6所示。

比較上表數(shù)據(jù)可得，懸挑小橫桿最大彎曲應(yīng)力均小于鋼管抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，所以在此范圍內(nèi)，挑出小橫桿的安全性是可保證的。

挑出小橫桿撓度計(jì)算結(jié)果見表7。

根據(jù)表中數(shù)據(jù)繪制挑出小橫桿長(zhǎng)度與容許撓度及挑出小橫桿最大撓度關(guān)系曲線圖，如圖4所示。

根據(jù)表7和圖4可得，當(dāng)小橫桿挑出長(zhǎng)度小于700 mm時(shí)，小橫桿最大撓度小于容許撓度值，當(dāng)小橫桿挑出長(zhǎng)度不小于700 mm時(shí)，小橫桿最大撓度大于容許撓度值，所以當(dāng)小橫桿挑出長(zhǎng)度不小于700 mm時(shí)，挑出小橫桿已不滿足正常使用的要求。

針對(duì)此問題采用斜撐對(duì)挑出小橫桿進(jìn)行加固（圖2）。當(dāng)小橫桿挑出長(zhǎng)度大于600 mm小于700 mm時(shí)，雖然其最大撓度小于容許撓度，但其撓度值偏大且已接近容許撓度，所以本次腳手架當(dāng)小橫桿挑出長(zhǎng)度不小于600 mm時(shí)，設(shè)置斜撐對(duì)挑出小橫桿進(jìn)行加固。

加固后挑出小橫桿撓度計(jì)算結(jié)果見表8。

由表8可知，設(shè)置斜撐顯著減少了挑出小橫桿的最大撓度，使其均小于容許撓度且有較大的安全余量，滿足正常使用的要求，所以采用斜撐加固挑出小橫桿的方法是可行的。

4 結(jié)論

本文根據(jù)成都成華區(qū)建設(shè)路提升改造項(xiàng)目外立面改造新做幕墻裝飾特點(diǎn)，進(jìn)行施工腳手架設(shè)計(jì)及方案比選。利用Midas/Gen軟件，在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上對(duì)腳手架進(jìn)行了計(jì)算分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)架體進(jìn)行加固，保證了整架的穩(wěn)定性和安全性。

（1）設(shè)計(jì)了一種小橫桿懸挑非常規(guī)腳手架做為此次外立面改造的施工腳手架，可有效減少腳手架排數(shù)和腳手架拆改量，節(jié)約成本，節(jié)約工期。

（2）小橫桿懸挑非常規(guī)腳手架立桿穩(wěn)定性及水平桿強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，架體的安全性得到驗(yàn)證。

（3）當(dāng)懸挑小橫桿懸挑長(zhǎng)度不小于600 mm時(shí)，應(yīng)增加斜撐加固懸挑小橫桿，減少懸挑小橫桿撓度，滿足正常使用的要求。

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［作者簡(jiǎn)介］楊勇（1991—），男，本科，工程師，從事建筑施工工作。