鋼管懸挑擴寬平臺在某大型博物館中的設(shè)計驗算及施工應(yīng)用

李欣，卜科彪，苗金昇，劉菲，劉斌

（中國京冶工程技術(shù)有限公司，北京 100088）

1 引言

某國家級大型博物館（見圖1），規(guī)劃總建筑面積73 079.55m2，地下1 層，地上4 層，建筑±0.00 m 相當(dāng)于絕對標(biāo)高15.70 m，建筑高度為26.50 m。博物館的主體結(jié)構(gòu)由東西向的研究辦公用房與其上架空的南北向高大展廳組成。展廳兩側(cè)設(shè)有寬度1.20～2.40 m 的外廊，再外側(cè)為方鋼管裝飾柱，外廊與裝飾柱上方為展廳挑檐。本工程展廳挑檐設(shè)計為鋼結(jié)構(gòu)骨架，頂部和側(cè)面外包25 mm 厚蜂窩鋁板，下部為鋁合金格柵。由于蜂窩鋁板設(shè)計尺寸較大，且其安裝位置已經(jīng)超出外廊裝飾柱托梁的投影范圍，處于完全外挑狀態(tài)，給該區(qū)域腳手架搭設(shè)造成極大困難。本文針對這一難點，對本博物館外廊挑檐安裝用腳手架的設(shè)計驗算及現(xiàn)場施工進行梳理歸納，提出可供同類項目參考借鑒的經(jīng)驗總結(jié)。

圖1 某大型博物館效果圖

2 腳手架基本情況

本國家級大型博物館，地下1 層，采用筏板基礎(chǔ)，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)；地上4 層，采用鋼框架結(jié)構(gòu)，施工過程中使用了大量的模板支撐腳手架和操作腳手架，除地下室梁板模板支撐架采用盤扣腳手架以外，其他操作腳手架采用鋼管扣件腳手架。

項目東西向分布有7 道形似城墻的矩形研究辦公用房，高11.50～15.25 m，四周布置雙排鋼管落地腳手架，用于外墻飾面施工；在大報告廳、5D 影院等區(qū)域布置滿堂腳手架，用于二次結(jié)構(gòu)、室內(nèi)裝修施工。南北向為兩道形似閃電的展廳，架立于辦公用房之上，高22.85～26.50 m，展廳兩側(cè)設(shè)有基本貫通的外廊，寬1.20～2.40 m。由于展廳整體高度較大，且辦公用房之間的區(qū)域處于架空或懸挑狀態(tài)，如果自地面起步搭設(shè)腳手架，不但高度較大，局部還沒有可以拉結(jié)連墻件的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。經(jīng)過多方面比選和評估，最終決定在外廊上搭設(shè)雙排鋼管腳手架，用于展廳外墻飾面施工。

展廳外腳手架最大高度18.55 m，采用φ48.3 mm×3.6 mm鋼管及配套扣件搭設(shè)，立桿縱向間距1.20 m，橫向間距1.20 m，內(nèi)立桿距建筑結(jié)構(gòu)外皮0.40 m。橫桿最大步距為1.80 m，小橫桿間距非作業(yè)層1.20 m，作業(yè)層間距按照腳手板鋪設(shè)要求設(shè)置，間距不大于0.4 m，且腳手板與腳手板對接處的板探頭長度不大于0.3 m，并用木條或鐵絲固定。在外側(cè)立面兩端、轉(zhuǎn)角及中間間隔不超過15 m 的立面上，各設(shè)置一道剪刀撐，并應(yīng)由底至頂連續(xù)設(shè)置，每道6 跨，遇結(jié)構(gòu)外邊線凸凹變化時可適當(dāng)調(diào)整，但應(yīng)保證斜桿與水平面夾角為45°～60°。連墻件按照兩步三跨布置。腳手架允許均布施工線荷載為3 kN/m2。典型展廳外腳手架構(gòu)造詳見圖2。

圖2 典型展廳外墻腳手架構(gòu)造圖

考慮展廳外廊為懸挑結(jié)構(gòu)，承載能力有限，設(shè)計展廳外腳手架僅有一層施工作業(yè)，鋪設(shè)腳手板。經(jīng)計算，腳手架自重及施工荷載不超過結(jié)構(gòu)設(shè)計限定的展廳外廊承載能力。本工程展廳主體結(jié)構(gòu)為鋼框架結(jié)構(gòu)，外墻采用鋼龍骨加水泥纖維板體系，施工初期連墻件可與結(jié)構(gòu)柱、墻面龍骨或門窗洞口拉結(jié)，后期拆除內(nèi)側(cè)連墻件，換成與外部裝飾柱拉結(jié)，待外墻飾面、裝飾柱、挑檐全部施工完成后再逐步拆除。

3 懸挑擴寬平臺方案選擇

本工程施工過程中，展廳挑檐外包蜂窩鋁板的分格方案經(jīng)多次研究討論，最終根據(jù)建筑師的設(shè)計意圖，按照國內(nèi)廠家所能生產(chǎn)的最大尺寸進行分格，最大單塊鋁板的尺寸達到6.00 m×1.50 m，質(zhì)量約180 kg。這種情況使得原計劃的曲臂車安裝方案，無論從操作空間還是從承重能力方面考慮都無法實施，只能采用搭設(shè)腳手架施工方案。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，綜合考慮本項目展廳的建筑、結(jié)構(gòu)特點，對本工程可供選擇的腳手架搭設(shè)方案進行技術(shù)、經(jīng)濟等方面比較，其主要結(jié)論見表1。對比分析表明，針對本項目的現(xiàn)實特點，全鋼管懸挑擴寬平臺方案具有技術(shù)先進、造價低、工期短等優(yōu)點，并能較好地利用已有外墻腳手架，只要通過科學(xué)的設(shè)計驗算，并精心組織腳手架搭設(shè)及鋁板安裝施工，就能保證其安全性、穩(wěn)定性。

表1 腳手架方案對比表

現(xiàn)場根據(jù)外廊寬度、裝飾柱與外墻距離，在裝飾柱懸挑梁上再搭設(shè)兩排腳手架，并與現(xiàn)有外墻腳手架牢固拉結(jié)。腳手架縱向立桿間距1.20 m，橫向立桿間距根據(jù)懸挑梁的寬度適當(dāng)調(diào)整，最大不超過1.20 m。后搭設(shè)附加手架與原有外墻腳手架之間采用鋼管拉結(jié)，拉結(jié)鋼管采用一步兩跨布置方式。

附加腳手架應(yīng)與裝飾柱通過井字形構(gòu)件拉結(jié)，以增加架體的整體穩(wěn)定性。將原有外墻腳手架的剪刀撐拆除，移至附加腳手架外側(cè)，并按JGJ 130—2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》的要求，沿水平和垂直方向連續(xù)設(shè)置[1]。裝飾柱懸挑梁為H 型鋼梁，施工中根據(jù)立桿布置間距，在其上翼緣頂部焊接φ18 mm 長度約50 mm 鋼筋頭，搭設(shè)腳手架時將其插入立桿底部，以確保立桿不會滑動失穩(wěn)。典型鋼管懸挑擴寬平臺構(gòu)造詳見圖3。

圖3 典型展廳懸挑擴寬平臺構(gòu)造圖

根據(jù)展廳挑檐施工需要，在附加腳手架頂部增設(shè)懸挑擴寬平臺，平臺由橫向水平桿（AB）、斜撐桿（AC）、加強水平桿（DE）組成，懸挑1.00 m，縱向間距1.20 m。鋼管懸挑擴寬平臺節(jié)點構(gòu)造詳見圖4。

圖4 鋼管懸挑擴寬平臺節(jié)點構(gòu)造圖

4 懸挑擴寬平臺設(shè)計驗算

全鋼管懸挑擴寬平臺方案雖然具有諸多優(yōu)點，但在實際工程中應(yīng)用較少，現(xiàn)有軟件沒有成熟的計算模塊，需要手動設(shè)計驗算，并結(jié)合計算軟件核算，以保證腳手架整體和局部的強度及穩(wěn)定性滿足施工要求。

4.1 荷載計算

以縱向1.20 m 為計算單元，

立桿：1 根×3.00 m/根×39.7 N/m=119.10 N

橫桿：（4 根×1.20 m/根+4 根×1.00 m/根）×39.7 N/m=349.36 N

斜撐桿：1 根×2.06 m/根×39.7 N/m=81.78 N

扣件：10 個×15 N/個=150.00 N

腳手板、擋腳板、安全網(wǎng)及安全設(shè)施：350×1.2×1.0+17×1.2+10×1.2×1.0=452.4 N

恒荷載：qGk=119.10+349.36+81.78+150.00+452.40=1152.64 N

活荷載：qQk=2 000×1.2×1.0=2 400 N

總荷載：q=（1.2×1 152.64+1.4×2 400）/1.00/1 000=4.74 kN/m

4.2 橫向水平桿驗算

4.2.1 AB 水平桿抗彎驗算

根據(jù)鋼管懸挑擴寬平臺節(jié)點構(gòu)造圖，以AB、AC為主要受力桿件，以DE為安全儲備和斜撐桿的支點，以AB、AC桿件A點的豎向位移相等建立方程:

式中，fcQ為AB桿件在懸挑平臺均布荷載作用下的A點豎向位移；fcP為AB桿件在斜撐桿集中反力作用下的A點豎向位移；fA為AB、AC桿件在A點的豎向位移。

計算得出AD=DC=1.03 m≈1.00 m=l1=L1，查《建筑結(jié)構(gòu)靜力計算手冊》可得：

式中，q為懸挑平臺均布荷載；l為AB桿件懸挑部分長度；L為AB桿件固定于附加腳手架部分長度；E為桿件彈性模量；I為桿件截面慣性矩；P為斜撐桿提供的集中反力；l1為AC桿件懸挑部分長度；L1為AC桿件固定部分長度。

代入數(shù)據(jù)得：

計算得P=0.36q=1.71 kN，則AB水平桿抗彎驗算：

式中，MF為AB桿件F點的彎矩；W為桿件截面抵抗矩。

橫向水平桿的最大彎曲應(yīng)力σ=125.48 N/mm2，小于橫向水平桿的抗彎強度設(shè)計值205 N/mm2。

4.2.2 AB 水平桿壓彎驗算

按照斜撐桿與水平桿夾角60°計算，N=P?sin（60°）?cos（60°）=0.74kN，l0=1 000×1.53=1 530 mm，λ=l0/i=1 530/16=96≤200，查表φ=0.62，則：

式中，N為桿件軸向壓力；l0為桿件計算長度；λ為桿件長細比；i為桿件截面回轉(zhuǎn)半徑；φ為受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)；A為桿件截面面積。

橫向水平桿的最大壓曲應(yīng)力σ=137.34 N/mm2，小于205 N/mm2，滿足要求。

4.3 斜撐桿驗算

4.3.1 AC 斜撐桿抗彎驗算

按照斜撐桿與水平桿夾角60°計算，MD=Pcos（60°）l=0.5×1.71×1.0=0.86 kN?m。式中，MD為AC桿件D點的彎矩。

σ=MD/W=0.86×106/5.26×103=163.50 N/mm2，小于斜撐桿的抗彎強度設(shè)計值205 N/mm2。

4.3.2 AC 斜撐桿壓彎驗算

N=Psin（60°）=1.48 kN，l0=2 059×1.53/2=1 575 mm，λ=l0/i=1 575/16=98≤200，查表φ=0.60，則

σ=N/φA+M/W=1.48 ×103/（0.60 ×506）+0.86 ×106/5 260=168.37 N/mm2，小于205 N/mm2，滿足要求。

4.4 內(nèi)外側(cè)立桿驗算

懸挑平臺增加，造成外側(cè)立桿壓力增大，內(nèi)側(cè)立桿壓力減小，甚至可能受拉?？紤]展廳挑檐鋁板安裝期間，外墻腳手架及附加腳手架不安排其他作業(yè)的工況，內(nèi)外側(cè)立桿可進行如下驗算。

4.4.1 外側(cè)立桿驗算

鋼管懸挑擴寬平臺恒荷載造成外側(cè)立桿增加的壓力為RAG=qGkl（2+l/L）/2=1.15×1×（2+1/1.2）/2=1.63 kN，活荷載造成外側(cè)立桿增加的壓力為RAQ=qQkl（2+l/L）/2=2.40×1×（2+1/1.2）/2=3.40 kN。式中，RAG為恒荷載作用下外側(cè)立桿增加的壓力；qGk為懸挑平臺均布恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值；RAQ為活荷載作用下外側(cè)立桿增加的壓力；qQk為懸挑平臺均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值。

使用腳手架通用計算軟件對展廳外墻腳手架進行計算，查看導(dǎo)出的計算書，可以得到單根立桿的軸心壓力設(shè)計值，并加入上述壓力增加值，可得出增加鋼管懸挑擴寬平臺后外側(cè)立桿壓力N=1.3（NG1k+NG2k）+0.9×1.5NQ1k=1.3×（4.53+1.63）+0.9×1.5×3.40=12.60 kN，Mwd=0.115 kN?m。式中，NG1k為查計算書得到的附加腳手架原荷載作用下外側(cè)立桿軸向壓力；NG2k為懸挑平臺恒荷載作用下外側(cè)立桿增加的壓力；NQ1k為懸挑平臺活荷載作用下外側(cè)立桿增加的壓力；Mwd為查計算書得到的附加腳手架風(fēng)荷載作用下外側(cè)立桿彎矩設(shè)計值；γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)。

σ=γ0[N/（φA）+Mwd/W]=1×[12.60×103/（0.191×506）+0.115×106/5 260]=152.24 N/mm2，小于205 N/mm2，滿足要求。

4.4.2 外側(cè)立桿驗算

同理，增加懸挑平臺后內(nèi)側(cè)立桿增加的拉力為RB=ql2/2L=4.74×12/2/1.2=1.98 kN，小于單根立桿的軸心壓力設(shè)計值，也小于單扣件抗滑承載力8.0 kN，滿足要求。

全面設(shè)計驗算的結(jié)果表明，全鋼管懸挑擴寬平臺方案滿足相關(guān)規(guī)范的承載力和穩(wěn)定性要求，可為本工程展廳挑檐超大鋁板安裝提供安全可靠的作業(yè)面。

5 懸挑擴寬平臺施工要點

實際施工中，組織專業(yè)架子工15 人，用時約40 d，搭設(shè)附加腳手架及懸挑擴寬平臺，最終形成作業(yè)平臺約1 200 m2，有效地保障了展廳挑檐超大鋁板安裝的進度和安全。

但全鋼管懸挑擴寬平臺畢竟在實際工程中應(yīng)用較少，屬于在特定條件下的短期施工措施，其受力原理與常用的落地式腳手架有本質(zhì)的不同，所以在搭設(shè)、拆除以及平臺上作業(yè)過程中都要科學(xué)編制方案、精心組織施工，才能確保相關(guān)作業(yè)的安全和高效。根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)程、施工手冊的要求，結(jié)合現(xiàn)場實際施工情況，本文將全鋼管懸挑擴寬平臺的施工要點總結(jié)如下。

5.1 搭設(shè)及拆除順序

落地部分架體的搭設(shè)及拆除與普通腳手架基本相同，只是本工程附加腳手架在裝飾柱懸挑梁上搭設(shè)，采取了在懸挑上焊接鋼筋頭的防滑加固措施。懸挑擴寬平臺搭設(shè)時，先安裝水平懸挑桿，再立足于落地部分架體上安裝斜撐桿，安裝水平加強桿，擰緊各個扣件，形成一個懸挑平臺單元[3]。接著，按照縱向間距搭設(shè)5～6 個單元后，再用縱向水平桿將它們連接，形成懸挑平臺。最后安裝外邊緣立桿、攔腰桿，完成懸挑擴寬作業(yè)平臺。其拆除順序與搭設(shè)順序相反。

5.2 基本構(gòu)造要求

1）綜合考慮施工需求和腳手架上增設(shè)挑擴結(jié)構(gòu)的能力，應(yīng)盡量減小懸挑跨度，采取可靠的技術(shù)方案，并留有適當(dāng)?shù)陌踩珒?。采用常?guī)鋼管單桿挑擴時，其跨度不宜超過0.50 m；當(dāng)跨度大于0.50 m 時，應(yīng)加設(shè)斜撐桿；一般最大跨度不超過1.20 m[4]。同時，為滿足腳手架整體抗傾覆穩(wěn)定性，相關(guān)規(guī)范規(guī)定，落地部分寬度不應(yīng)小于懸挑寬度的兩倍[5]。

2）落地腳手架頂部增加懸挑擴寬平臺，會造成外側(cè)立桿壓力增大，內(nèi)側(cè)立桿壓力減小，甚至可能受拉。因此，落地腳手架立桿接長必須采用搭接，如果已采用對接連接，可在立桿接長部位附著一根鋼管進行拉結(jié)。

3）斜撐桿必須與內(nèi)外立桿及水平挑桿用扣件連接牢固，每一連接點均應(yīng)為雙向約束；斜撐桿每一縱距設(shè)置，相鄰兩扣件節(jié)點之間的長度不得大于1.80 m；斜撐桿應(yīng)為整根鋼管，不得接長；斜撐桿與架體立桿的夾角不宜過大。

4）水平挑桿應(yīng)通過扣件與落地部分架體內(nèi)外側(cè)立桿牢固連接，挑出部分應(yīng)與斜撐桿通過扣件連接牢固。

5.3 加強加固措施

1）落地部分架體連墻件宜按照不少于兩步兩跨設(shè)置。本工程根據(jù)自身特點，還增設(shè)了與裝飾柱通過井字形構(gòu)件拉結(jié)的措施，以進一步增強整體穩(wěn)定性。

2）應(yīng)在外側(cè)立面沿整個長度和高度上設(shè)置連續(xù)剪刀撐，每道剪刀撐跨越立桿數(shù)為5～7 根，最小距離不得小于6.00 m，剪刀撐與水平面夾角為45°～60°，將落地部分與懸挑部分連成一體。

3）一字形、開口形腳手架端部必須設(shè)置橫向斜撐，中間應(yīng)每隔6 根立桿縱距設(shè)置一道，橫向斜撐應(yīng)由底至頂呈之字形連續(xù)布置。

6 結(jié)語

1）本文通過某國家級大型博物館用于展廳挑檐鋁板安裝的腳手架方案討論和確定，詳細說明了全鋼管懸挑擴寬平臺具有造價低、工期短、合理利用已有腳手架等優(yōu)點，證明了其在類似建筑結(jié)構(gòu)條件下的適用性和安全性。

2）根據(jù)本工程現(xiàn)場施工條件，作者對懸挑擴寬平臺進行了合理的設(shè)計，并對各桿件的強度和穩(wěn)定性進了全面科學(xué)的驗算，表明該方案可以滿足相關(guān)規(guī)范的要求，有力地保障了操作腳手架搭設(shè)和后續(xù)安裝施工的順利進行。

3）結(jié)合鋼管懸挑擴寬平臺在本博物館工程中的具體實施，本文總結(jié)了其施工過程中的施工要點和施工順序，可供相關(guān)項目的設(shè)計與施工人員借鑒和參考。