分段式型钢悬挑式支承体系钢管脚手架的设计及施工应用

摘要：分段式型钢悬挑钢管脚手架其构造简单、施工便捷、经济安全，在本文中设计了型钢悬挑式外挑架标准结构单元，并成功在超高层建筑工程实践中得到应用，取得较好的效果。

关键词：外架；分段式；工字钢；悬挑

Abstract: the sectional steel cantilever steel pipe scaffold its simple structure, construction is convenient, economic security, in this paper design a steel cantilever type outside carry frame standard structure unit, and successfully in tall building engineering practice in the application, and the good result is achieved.

Keywords: WaiJia; Sectional; I iron; cantilever

中图分类号：TU731.2文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

一、引言

随着我国国民经济的快速发展, 高层建筑大量增加，建设规模的不断扩大,建筑形式也日新月异和丰富多采,致使一大批新、奇、特的大型建筑在我国拔地而起,因此各种形式的悬挑脚手架被越来越多地应用到工程建设中。

目前国内对悬挑外脚手架支承体系结构的研究和应用越来越多，每个项目都自行设计、自行管理，势必有良莠不齐、高低不一的情况，对于长时间操作于建筑物外立面、安全系数要求相对较高的悬挑外架来说，是一件相当危险的事情。如果架体出现问题，轻者影响施工企业在业主、社会的声誉，重者危及到人民群众的生命安全，将给施工企业造成巨大的经济损失和恶劣的社会影响。

因此，为寻求一种构造简单、经济实用又操作方便的悬挑外脚手架支承体系结构成为迫在眉睫的问题。本文着重对型钢悬挑式外脚手架的设计与施工进行研究和应用,该脚手架采用型钢悬挑外伸作脚手架基础, 多层悬挑，分段搭设的脚手架结构形式，将全高的脚手架分成若干段，通过分析计算,同时考虑各节点的构造设置,设计出型钢悬挑式外脚手架,并在工程中成功试用。

二、工程概况

重庆江北嘴金融城2号工程位于重庆黄花园北桥头江北嘴，包含4栋一类建筑，其中3栋为超过100米的超高层建筑，是一座国际甲级写字楼，智能化楼宇。总建筑面积约260000.0m2，建筑总高度181.25m，地下4层，地上37层，外墙为单元体玻璃幕墙。

三、外架方案的分析和选择

根据本工程具体情况，塔楼高度较高，1、2、3号楼均超过100m，经项目部对脚手架搭设方案的技术比较和分析，综合考虑各方案的可行性、安全性、经济性等因素，最后决定塔楼主体施工外防护架采用分段式工字钢悬挑式双排钢管脚手架。由于脚手架分段悬挑分段搭设，可以分段卸载，提高了脚手架的安全系数；同时有效封蔽楼层，避免发生高层建筑施工中常见的高空坠落伤人、损物事故，满足结构施工操作、安全防护要求，保障建筑施工安全；另外不必等地下室工程回填完毕即可施工，最大限度满足环境、道路穿插的要求，缩短工期，节约了时间成本。

四、外架设计

分段式工字钢悬挑式支承体系双排钢管脚手架，用于主体结构上升阶段的安全防护（架体随主体结构上升而上升），搭设高度为25m，每25m轮换，分段搭设。具体搭设如下图：

1.参数信息:

1.1脚手架参数

搭设尺寸为：立杆的纵距为 1.20米，立杆的横距为0.70米，立杆的步距为1.80 米；

计算的脚手架为双排脚手架搭设高度为 25.0 米，立杆采用单立杆；

内排架距离墙长度为0.30米；

大横杆在上，搭接在小横杆上的大横杆根数为 2；

采用的钢管类型为 Φ48×3.5mm（按壁厚3.0mm考虑）；

横杆与立杆连接方式为单扣件；扣件抗滑承载力系数为 0.80；

连墙件采用两步三跨，竖向间距 3.60 米，水平间距3.60 米，采用扣件连接；连墙件连接方式为双扣件。

1.2活荷载参数

施工荷载均布参数(kN/m2):3.000；脚手架用途:结构防护脚手架；同时施工层数:2；

1.3风荷载参数

重庆地区，基本风压为0.450，风荷载高度变化系数μz为0.920，风荷载体型系数μs为0.871；考虑风荷载；

1.4静荷载参数

每米立杆数承受的结构自重标准(kN/m2):0.1161；

脚手板自重标准值(kN/m2):0.300；

栏杆挡脚板自重标准值(kN/m2):0.140；

安全设施与安全网(kN/m2):0.005；脚手板铺设层数:4；

脚手板类别:竹笆片脚手板；栏杆挡板类别:栏杆竹串片；

1.5水平悬挑支撑梁

悬挑水平钢梁采用[14号工字钢] ，其中建筑物外悬挑段长度1.20米，建筑物内锚固段长度 1.80 米。（特殊部位悬挑长度可能会增加，需单独设计验算）

与楼板连接的锚环直径(mm):18.00；

楼板混凝土标号:C30；

悬挑水平钢梁采用悬臂式结构，没有钢丝绳或支杆与建筑物拉结。

2.大横杆的计算:

大横杆按照三跨连续梁进行强度和挠度计算，大横杆在小横杆的上面。按照大横杆上面的脚手板和活荷载作为均布荷载计算大横杆的最大弯矩和变形。

选择支座弯矩和跨中弯矩的最大值进行强度验算：

大横杆的抗弯强度:σ= 40.757 N/mm2 小于 [f]=205.0 N/mm2。满足要求！

挠度计算:最大挠度考虑为三跨连续梁均布荷载作用下的挠度Vmax=0.712 mm；

纵向、受弯构件的容许挠度为 l/150与10 mm，大横杆的最大挠度小于 1200.0/150 mm 或者 10 mm,满足要求!

3.小横杆的计算:（小横杆按照简支梁进行强度和挠度计算，大横杆在小横杆的上面）

用大横杆支座的最大反力计算值，在最不利荷载布置下计算小横杆的最大弯矩和变形。

最大弯矩考虑为小横杆自重均布荷载与荷载的计算值最不利分配的弯矩和均布荷载最大弯矩：σ = M / W = 0.312×106/4490.000=69.389 N/mm2小于205.000 N/mm2,满足要求！；

最大挠度考虑为小横杆自重均布荷载与荷载的计算值最不利分配的挠度和小横杆自重均布荷载引起的最大挠度小于(700.000/150)=4.667与10mm,满足要求!；

4.扣件抗滑力的计算:

按规范要求直角、旋转单扣件承载力取值为8.00kN，按照扣件抗滑承载力系数0.80，该工程实际的直角、旋转单扣件承载力取值为6.40kN。

纵向或横向水平杆与立杆连接时，扣件的抗滑承载力按照下式计算:R ≤ Rc

荷载的计算值: R=1.2×(0.023+0.126)+1.4×1.260=1.943 kN< 6.40 kN,满足要求!

5.脚手架荷载标准值:包括静荷载、活荷载和风荷载。静荷载标准值包括以下内容：

(1)每米立杆承受的结构自重标准值(kN/m)：NG1 = 2.903 kN；

(2)脚手板的自重标准值(kN/m2)：NG2= 0.720 kN；

(3)栏杆与挡脚手板自重标准值(kN/m)：NG3 =0.336 kN；

(4)吊挂的安全设施荷载：NG4 =0.150 kN；

静荷载标准值NG =NG1+NG2+NG3+NG4 = 4.109 kN；

活荷载为施工荷载标准值产生的轴向力总和，内、外立杆按一纵距内施工荷载总和的1/2取值。NQ= 2.520 kN；

风荷载标准值 = 0.252 kN/m2；

6.立杆的稳定性计算:

不组合风荷载时，立杆的稳定性计算公式为：

σ= 8458.000/(0.188×424.000)=106.109 N/mm2小于[f]=205N/mm2满足要求！

考虑风荷载时,立杆的稳定性计算公式为：

σ=7929.0/(0.188×424.0)+116597/4490.0=125.47N/mm2小于[f]=205N/mm2 满足要求！ 7.连墙件的计算: 连墙件的轴向力：Nl = Nlw + No

NLw = 1.4×Wk×Aw = 4.570 kN；

连墙件轴向力计算值 NL= NLw + No= 9.570 kN；

连墙件轴向力设计值 Nf=φ×A×[f]=82.487kN；

Nl=9.570

连墙件采用双扣件与墙体连接。Nl=9.570小于双扣件的抗滑力12.8 kN，满足要求!

8.悬挑梁的受力计算:悬挑脚手架按照带悬臂的单跨梁计算：悬出端C受脚手架荷载N的作用，里端B为与楼板的锚固点，A为墙支点。

悬臂单跨梁计算简图

支座反力计算公式

支座弯矩计算公式

C点最大挠度计算公式

其中 k = m/l,kl = ml/l,k2 = m2/l。

经过计算得到

支座反力 RA = 24.248 kN

支座反力 RB = -7.201 kN

最大弯矩 MA = 11.029 kN.m

σ= 11029161.600 /( 1.05 ×102000)= 102.980 N/mm2小于 215.000 N/mm2,满足要求!

最大挠度 Vmax= 3.289mm，按照《钢结构设计规范》(GB50017)附录A结构变形规定，受弯构件的跨度对悬臂梁为悬伸长度的两倍，即 2000mm

水平支撑梁的最大挠度小于2000/ 400 ,满足要求!

９.悬挑梁的整体稳定性计算:

水平钢梁采用[14号工字钢,计算公式如下

其中φb -- 均匀弯曲的受弯构件整体稳定系数，按照下式计算：

经过计算得到强度 σ = 11.029×106 /( 0.88×102000)= 122.913 N/mm2小于 [f] = 215N/mm2 ,满足要求!

１0.锚固段与楼板连接的计算: （水平钢梁与楼板压点采用钢筋拉环）

水平钢梁与楼板压点的拉环受力R=9.243kN；

水平钢梁与楼板压点的拉环强度计算公式为:

其中 [f] 为拉环钢筋抗拉强度，按照《混凝土结构设计规范》[f] = 50N/mm2；

水平钢梁与楼板压点的拉环最小直径：D=[9243×4/(3.142×50×2)]1/2 =10.848mm

拉环采用φ18，满足要求。

五、外架施工

（一）悬挑型钢外架工艺流程

编制悬挑式外脚手架的搭设方案绘制悬挑型钢的平面布置图和立面、剖面图搭设前准备、型钢的二次加工准备楼层钢筋环的预埋先布设悬挑型钢及第一排横杆立杆第一步纵向水平杆连墙杆第二、三步纵向水平杆及栏杆连墙杆剪刀撑铺脚手板安设挡脚板满挂密目安全网检查验收及交付使用

（二）工艺要求

1、制作工字钢悬挑梁，将工字钢上表面的脚手架底座连接钢管（可采用φ25以上钢筋代替）焊接牢固。工字钢悬挑梁制作见下图（图中未注明尺寸单位均为mm，下同）。

悬挑梁构造示意图

钢管或钢筋2.工字钢3.底座垫板

2、按照悬挑式外脚手架搭设方案进行工字钢的平面布置定位，并在浇捣该层混凝土之前预埋前后两道钢筋锚固环，然后浇注梁板混凝土，待混凝土强度达到10MPa后，再进行工字钢悬挑梁安装，在混凝土强度达到15Mpa后才能逐步施加脚手架荷载。第一道钢筋锚固环埋置于建筑物周边的梁或板内，第二道钢筋锚固环埋置于建筑物板的混凝土内，并距工字钢末端距离为300mm，钢筋锚固环一定要压在楼板下层钢筋下面，并要保证两侧300mm以上搭接长度。

工字钢悬挑梁端部与楼板压点的钢筋锚环一定要压在楼板下层钢筋下面，并要保证两侧30cm以上搭接长度。

3、立杆钢管插入工字钢上端面已焊接的钢筋底座上，纵向间距与工字钢布置间距一致。立柱的接头必须采用对接扣件，相邻立柱接头不设在同步内，同步内隔一根立杆的两个相隔接头在高度方向错开不宜小于500mm。

4、纵向水平杆设在立柱内侧，其长度不宜小于3跨，用直角扣件与立柱扣紧。脚手架的同一步纵向水平杆必须四周圈通。

5、横向水平杆在主节点处必须设置一根，用直角扣件扣接且严禁拆除。作业层上非主节点处的横向水平杆，宜根据支承脚手板的需要等间距设置，以保证每块脚手板必须有三个支承点为原则进行布置。最大间距不应大于纵距的1/2。

6、脚手板一般应设在三根横向水平杆。脚手板铺设时可采用对接平铺，亦可以采用搭接铺设。作业层端部脚手板探头长度应取150mm，其板长两端均应与支承杆可靠固定。

7、连墙杆靠近主节点设置，必须采用可承受拉力和压力的构造，呈水平设置或下斜连接，不应采用上斜连接。

8、外架应设置剪力撑,每道剪刀撑宽度为6m，剪刀撑跨越立杆的根数为6根，斜杆与地面的倾角在450~600之间。剪力撑在外架外侧立面整个长度和高度上连续布置剪刀撑，

9、在转角处设横向斜撑，同时在中间每隔6跨设横向斜撑一道，以保证架体的整体刚度。

10、扣件规格必须与钢管外径相同；螺栓拧紧力矩不应小于40N・m，且不应大于65 N・m；扣件开口应朝上或朝内；

11、外架搭设质量要求（误差范围）

垂直度≯100mm，布距和排距≯20mm，纵距≯50mm，单根纵向水平杆两端高差≯20mm，同跨内两根水平杆高差≯10mm。

六、施工注意事项

1、搭架人员必须是经过考核合格的专业架子工。上岗前由施工、安全部门进行详细的施工技术交底。

2、悬挑工字钢必须整齐，长度、标高一致且固定牢固；

3、在架体使用过程中定期对外架进行检查，使用期间严禁拆除架体杆件。

4、在支架边角位置及中间按每隔3～5m间距设置变形及沉降监测点。在施工过程中每搭设一层即实施监测。

七、结论

（一）该脚手架技术充分考虑结构自身特点，采用钢结构与传统脚手架施工工艺相结合，构造简单，简化施工工艺，加快施工速度，缩短施工工期。

（二）分段悬挑分段搭设，可以分段卸载，提高了脚手架的安全系数。

（三）型钢等材料均为工具式，可以重复使用，在高层外架施工中，通过重复“翻架”、重复使用型钢、钢管架料，提高了材料的利用率，相对于价格偏高的“整体滑架”和架料投入大、耗时长的“落地式钢管脚手架”，其经济效益也是相当可观。

（四）型钢悬挑式外挑架体系工作面位于建筑物的二楼及以上任意楼层，因此不受施工场地及周边环境的制约，可以节约施工场地，加快施工进度，有利于缩短工期。

（五）型钢悬挑式外挑架是扣件式钢管落地脚手架的发展和改进，是一种先进的搭设技术，反映了一个施工企业的先进水平，树立了企业的良好形象，增强了企业的市场竞争能力。

（六）经过该工程实际过程检验，完成了整个结构施工，未发生任何安全事故，达到了安全管理的目标。该工程还获得了全国“AAA”级安全文明标准化工地、重庆市“建筑施工安全文明标准化及扬尘控制示范现场”、重庆市安全文明工地。

参考文献：

[1]建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规程（JGJ130-2011）

[2]江正荣，建筑施工计算手册