脚手架稳定性优化的工程应用研究

武世地

（安徽文达信息工程学院 建筑工程学院， 安徽 合肥 231200）

0 引言

随着超高层大跨度空间结构的长足发展，外脚手架体系是施工的难题。图1，由于脚手架的设计理论有待完善，搭设很大程度上依靠经验，建筑结构形式的变化会对支撑架体作出新的要求，全面了解脚手架的受力特点，使脚手架工程架体设计不断得以优化，是我们面临的重要课题。

图1 建筑脚手架支撑体系布局

1 脚手架搭设优化在施工中的必要性

在施工中，脚手架搭设采用劳务分包。由于责任不够明确，工程监督管理责任缺失。施工中盲目赶工期，导致架体没有形成完整的支撑系统，从而引起脚手架失稳倒塌事故经常发生。为了搞清支撑体系承载力稳定性的影响因素，总承包单位对细节重点监控:审查材料的规格数量等；控制管控节点；规范验收程序。在具体施工中力求悬挑工字钢排列间距大小一致；脚手架立杆间距均匀；图2，设置竖直方向剪刀撑[1]；图3，保证脚手架体搭设美观实用。杜绝仅凭经验搭设，悬挑槽钢底部封闭不严实。对材料及工具、外脚手架体平面和立面布置、细部构造的优化、材料的计划、施工过程管理等作业工序加强优化。脚手架搭设施工优化对于有效预防工程安全事故的发生，具有积极深远的社会经济效益。

图2 外脚手架立杆均匀

图3 外架剪刀撑连续布置图

2 工程实例与分析

2.1 工程概况

滁州市城南新区某商住工程主楼33层，标准层层高2.9m，总建筑高度99.6m。主楼地下三层及首层结构形式为框架结构，作为地下车库及商业用房；二层及以

上结构为剪力墙结构，作为商业住宅楼。在两种结构变化部位（一层顶板）设计成结构转换层，且均为梁式转换层,图 4，为便于透视，转换层顶板图中未显示。

图4 该商住工程主楼底层结构俯视图

2.2 现场脚手架搭设施工优化方案

脚手架优化施工方案在实施中要加强监管，监控内容有:⑴ 脚手板采用定尺钢板网，提高防火性能和重复利用率，节约施工成本。⑵ 脚手架底部选择花纹钢板进行底部封堵，图5，提高周转率和防火性能，承载力高，废弃物容易清理且外观美观大方。⑶ 在架子工中，推广使用电动扳手，图6，这样使用过程安全方便，并且拧紧扣件后力矩宜控制在40N·m～65N·m。⑷ 悬挑脚手架平面施工方案不断优化，工字钢悬挑伸出的距离和楼层受力的预埋件距离比值要受力合理[2]，立杆的跨距控制在1.5m左右，竖直方向剪刀撑角度控制在45。～60。为宜。图7。⑸ 外脚手架的立杆间距宜控制在1.5m左右，大小一致均匀。严格监控立杆的垂直度，偏差不得超过 10cm[3]。为了有效避免剪力墙开洞和槽钢直接悬挑，导致影响楼梯通行以及后期洞口的封堵问题。施工优化中采用三角支撑，提高了安全可靠性并且拆卸方便。图8。（6）利用角钢和工字钢梁等支撑模板并且固定，从而使悬挑脚手架底部封闭。利用U型钢环进行联梁的固定，这样成本低并且周转利用效率高。用经纬仪加强监控建筑物外脚手架大角的方正。

图5 花纹钢板封底外脚手架

图6 电钻和钻尾自攻钉

图7 外脚手架立面图

图8 外架三角支撑布置图

2.3 外脚手架稳定性理论计算和验证

(1)架体受力验算:大横杆的计算，如图9和10，大横杆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。均布荷载值计算:大横杆的自重标准值P1=0.038kN/m；脚手板的荷载标准值:P2=0.350×1.050/2=0.184kN/m；活荷载标准值:Q=3.000×1.050/2=1.575kN/m；静荷载的计算值:q1=1.2×0.038+1.2×0.184=0.267kN/m；活荷载计算值:q2=1.4×1.575=2.205kN/m。抗弯强度计算最大弯矩考虑为三跨连续梁均布荷载作用下，跨中最大弯矩如下(1):

跨中最大弯矩为 M1=(0.08×0.267+0.10×2.205)×0.800m2=0.155kN.m；支座最大弯矩公式如下(2):

图9 大横杆跨中最大弯矩和跨中最大挠度计算荷载组合简图

图10 大横杆支座最大弯矩计算荷载组合简图

支座最大弯矩为M2=-(0.10×0.267+0.117×2.205)×0.8002=-0.182kN·m；选择支座和跨中弯矩的最大值进行验算：σ=0.182×106/4729.0=38.522N/mm2； 大横杆的计算强度小于205.0N/mm2,满足要求。最大挠度考虑为三跨连续梁均布荷载作用下的挠度；公式如下(3):

静荷载标准值q1=0.038+0.184=0.222kN/m；活荷载标准值 q2=1.575kN/m；

三跨连续梁均布荷载作用下的最大挠度:V=(0.677×0.222+0.990×1.575)×800.04/(100×2.06×105×113510.0)=0.299mm，大横杆的最大挠度小于800.0/150与10mm,满足要求。对于小横杆的计算，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。荷载值计算:大横杆的自重标准值 P1=0.038×0.800=0.031kN；脚手板的荷载标准值:P2=0.350×1.050×0.800/2=0.147kN；活荷载标准值:Q=3.000×1.050×0.800/2=1.260kN；荷载的计算值:P=1.2×0.031+1.2×0.147+1.4×1.260=1.977kN。对于抗弯强度计算，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公式如下(4):

集中荷载最大弯矩公式如下(5):

利用公式代入数据M=(1.2×0.038)×1.0502/8+1.977×1.050/4=0.525kN.m

σ=0.525×104/4729.0=111.098N/mm2,小横杆的计算强度小于 205.0N/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

均布荷载最大挠度公式如下(6):

集中荷载最大挠度公式如下(7):

小横杆自重引起的最大挠度为:V1=5.0×0.038×1050.004/(384×2.060×105×113510)=0.026mm；集中荷载下标准值为:P=0.031+0.147+1.260=1.438kN；集中荷载标准值在最不利分配的最大挠度大小为:V2=1437.720×1050.0×1050.0×1050.0/(48×2.06×105×113510.0)=1.483mm，最大挠度和为:V=V1+V2=1.509mm，小横杆的最大挠度小于1050.0/150与 10mm,满足要求。扣件抗滑力经过验证满足要求。对于大小横杆，选择支座弯矩和跨中弯矩的最大值进行强度验算，大小横杆的计算强度小于设计值,满足要求；大横杆的最大挠度满足要求；考虑风荷载时，立杆的稳定性计算如下(8):

立杆的稳定性经计算σ<[f],满足要求；水平钢梁的稳定性σ<[f],满足要求；因此脚手架稳定性满足要求。

3 结束语

通过对采用外脚手架搭设施工优化的工程实例分析研究，阐述了外脚手架的稳定性机理。具体施工中，为了提高外脚手架的承载力稳定性，我们要确保现场和资料一致，执行安全施工操作规程，从而保证脚手架的施工安全。

[1]JGJ 130-2011，《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2011.6－9

[2]高菲；建筑施工悬挑脚手架受力性能试验研究[D]；郑州大学；2014年 18－22

[3]易谦；悬挑脚手架在高层建筑施工中的应用研究[D]；中南大学；2007年38－42