装配式混凝土建筑外挂脚手架稳定性分析

钟 晨，朱旭峰，陈野平

1.安徽新华学院，安徽 合肥 230088; 2.建筑结构安徽省普通高校重点实验室（安徽新华学院），安徽 合肥 230088；3.中国能源建设集团安徽电力建设第一工程有限公司，安徽 合肥 230088；4.合肥建工集团有限公司，安徽 合肥 230088

关键字：装配式建筑 外挂脚手架 有限元 稳定性分析

1 引言

装配式建筑是结构系统、外围护系统、内装系统、设备与管理系统的主要部分采用预制部品部件集成，且预制构件通过可靠连接方式建造的建筑。与传统现浇结构建筑相比，具有质量好、效率高、工期省、节能环保、改善劳动等优势［1］。近年来，随着我国建筑业高质量发展的持续推进，越来越多的高层建筑选择装配式混凝土结构，建筑工业化成为当前一个重要趋势。除了装配式混凝土结构体系、设计、材料外，施工技术也是保证其安全、质量的重要环节［2］。外挂脚手架通过穿墙螺栓附着于外墙上，具有方便拆装、经济环保、重复利用率高等优点，成为当前广泛使用的脚手架形式［3］。

2 外挂脚手架工艺原理

外挂脚手架由三个部分所组成：脚手板、三角支撑架和临边防护架，如图1所示。

脚手板骨架采用50mm×50mm×3mm的方钢管焊接而成，上铺点焊3mm的花纹钢板，纵、横方钢管利用M10螺栓套管连接，套管和外挂吊装环的位置应与三角支撑架错开布置。

图1 外挂提升式脚手架示意图

三角支撑架是外挂脚手架主要的承重构件，由水平横杆、竖向立杆和斜向支撑组成，内部采用10#槽钢焊接连成整体，加劲杆选用6.3#槽钢增加稳定性。三角支撑架的两端各有一个着墙支座，每个支座上预留两个穿墙螺栓孔，便于与外墙体用穿墙螺栓连接。当脚手板悬挑过大时，常在三角支撑架的加劲杆与预制外墙体内侧通道之间增设一道加强斜撑，以及在墙底角部设置角码，两者相互联系可共同提高整个外挂脚手架的稳定性［4-5］。

1.8 m的临边防护高度可有效防止施工人员坠落事故的发生，防护骨架采用40mm×40mm×3mm的方钢管焊接，套管连接方式与脚手板相同，防护骨架内侧点焊25mm×25mm×2.5mm的铁丝方格防护网片，外侧焊接200mm高踢脚板。

3 外挂脚手架施工技术

对进场的三角支撑架、脚手板、临边防护架等进行全面检查，确保钢管及其配件的规格和质量均合格。

（1）起吊三角支撑架。将预制三角架挂在塔式起重机挂钩上，1人于地面指挥，2人站在落地脚手架上，1人在楼层室内指挥，1人负责楼层操作面安全旁站。将三角架慢速吊至安装位置附件，距离约0.5m，站在落地脚手架上的架子工扶正三角架，并调整好垂直度，配合指挥缓慢将临边防护架靠近预制外墙体，并将临边防护架与预制外墙体上预留孔洞对孔。

（2）安装三角支撑架。由2人在室内将穿墙螺栓连同三角架从墙内侧插入预留孔，在没有拧紧所有临边防护架螺栓前，不能移动塔吊。在穿墙螺栓外侧使用开口销固定好穿墙螺母，内侧用双螺母紧固，穿墙螺杆露出螺母应不少于三扣，从而将三角支撑架固定在主体结构上。将外三角架单元所有螺栓拧紧后，边缓慢松钩边观察整个受力体系是否有异常。按照上述步骤依次完成首层一圈外挂脚手架，完成后确保一圈封闭。二层操作同一层，外侧操作人员站立位置为首层外三角架。

（3）检查三角支撑架紧固情况。本层三角架安装完毕后，使用扭力扳手逐个检查穿墙螺栓是否锁紧到位，确保安全稳固。

（4）安装走道板、护栏。将走道板和护栏一并起吊安装到三角支撑架上，并用卡扣、螺母将其固定于三角架上方。

（5）安装安全警示标志。待首层安装完成后，悬挂上安全警示牌和限重牌，标识允许荷载等内容。

（6）验收。首先由施工单位自检，合格后由项目部安全、质量部门联合检查，在检查合格后再由项目经理、技术总监等各相关单位负责人共同验收，验收合格后悬挂验收合格牌，方可投入使用。

（7）周转吊装。采用塔吊分段整体提升方式，将组合后单段架体、护栏及架体平台为单元整体提升。一般情况下，配备两套外挂脚手架周转。在每栋楼作业层的下一层预制外墙安装一套外挂脚手架，对作业层临边施工人员进行防护，作业层的预制外墙吊装时同步安装另一套外挂脚手架，作为上一层施工的防护架，即第N层外防护架提升至第N+2层安装［4］。

4 外挂脚手架有限元分析

采用通用有限元软件ABAQUS，建立外挂脚手架模型。三角支撑架、脚手板、脚手板骨架、临边防护均采用S4R壳单元模拟，材料属性均为钢材，取值为弹性模量Es=2.06×105N/mm2，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85×10-9t/mm3。截面尺寸如下：三角支撑架横杆、立杆和斜杆都为100mm×48mm×5.3mm的槽钢，加劲杆为63mm×40mm×4.8mm的槽钢；脚手板骨架为50mm×50mm×3mm的方钢管，脚手板用3mm厚的钢板；临边防护骨架为40mm×40mm×3mm的方钢管；穿墙螺栓按实际受力状态用铰接模拟［6］。

建立外挂脚手架标准模型尺寸如图2所示：三角支撑架立杆800mm，三角架横杆600mm，脚手板跨中长度1600mm，脚手板边跨长度600mm，脚手板宽度600mm，临边防护骨架高1800mm。边界条件按铰接来模拟三角支撑架立杆上的四个穿墙螺栓实际受力情况［7］。

外挂脚手架主要承受的是和作用在脚手板上的竖向荷载，包括构件自重、施工荷载以及冬季的雪荷载等，以及建筑主体上的水平风荷载。

图2 外挂架有限元模型

建立外挂式脚手架各构件的自重荷载标准值，如表1所示。

表1 外挂脚手架构件自重荷载

根据《脚手架安全技术规范》JGJ130-2011，考虑施工荷载和风荷载，对脚手板施加竖直向下2.5kN/m2的面荷载，建筑主体由内向外施加垂直于临边防护网面的面荷载0.73kN/m2为风荷载［6］。模型中荷载布置方式均采用均布荷载，如图3所示。

基本风压采用10年一遇且≮0.3kN/m2，基本风压设定为w0=0.3kN/m2，地面粗糙类别C类，建筑总高度按90m。根据《建筑结构荷载规范》GB50009-2012，取风压高度变化系数μz=1.43，风荷载局部体型系数:μs=1.0，风振系数βz=1.71，可计算出作用在临边防护水平风荷载标准值为：

图3 外挂架边界条件及荷载布置

4.1 外挂脚手架模态分析

在标准尺寸外挂脚手架基础上，分别对临边防护骨架里无水平加劲杆、居中设置一道水平加劲杆、等距设置两道水平加劲杆的模型分别进行数值分析，得到外挂脚手架前六阶模态如图4所示。从表2模态分析结果看，在地震情况下第一主振型以平动为主，较为合理。

图4 外挂架模态分析

表2 外挂架前六阶振型情况

4.2 标准尺寸外挂脚手架模拟分析

在标准尺寸外挂脚手架基础上，首先分别对临边防护骨架里无水平加劲杆、居中设置一道水平加劲杆、等距设置两道水平加劲杆的模型分别进行数值分析，得到如下图5的应力与变形云图。由表3数据可知，居中设置一道水平加劲杆时，峰值应力较小，两道水平加劲杆次之，无水平加劲杆峰值应力最大。经分析，外挂脚手架对水平风荷载非常敏感，等距增加两道水平加劲杆时，其提供的抗侧刚度非常有限，且两道水平加劲杆受风面均多承担了风荷载，增加了水平力。故建议设计时应重点考虑水平风荷载的影响，可沿临边防护高度方向居中设置一道水平加劲杆。

图5 标准模型防护骨架水平加劲杆设置分析

表3 标准模型防护骨架水平加劲杆设置模拟分析数据

其次对安装三角支撑架的穿墙螺栓进行受力分析，模拟结果见图6。其中右上角位置的螺栓为1号，其余2～4号按顺时针编号，即1、3号为上部螺栓，轴向受拉；2、3号为下部螺栓，轴向受压。三角支撑架局部模拟分析结果见图7，可见螺栓处的应力及沿三个整体坐标系方向的位移数据。由于本次分析外挂脚手架各部件均采用三维壳单元进行分析，具有空间刚度，在外力作用下，三角支撑架发生微小的水平偏转，导致穿墙螺栓产生了一定的水平剪力，如表4所示。

图6 外挂脚手架穿墙螺栓受力分析

图7 三角支撑架局部模拟分析

表4 标准模型防护骨架水平加劲杆设置模拟分析数据

再对连接临边防护一侧脚手板骨架钢材厚度进行变参数分析，厚度分别取3.0mm、3.5mm、4.0mm、4.5mm、5.0mm，应力云图和最大应力见图8、表5。通过分析可知，随着连接临边防护一侧脚手板骨架钢材厚度增加，最大应力逐步减小。

图8 改变连接临边防护一侧脚手板骨架钢材厚度模拟分析

表5 改变连接临边防护一侧脚手板骨架钢材厚度模拟分析数据

最后，在外侧脚手板骨架连接临边防护两端且平行于临边防护骨架内侧位置（图9所示），通过焊接各增加一道3mm厚的加劲钢板后，进行模拟分析的应力云图见图10。通过分析可知，增加两块加劲板可有效减小最大应力，而增加的钢材质量却非常少，可有效控制成本增加。加劲板位于临边防护骨架内侧下对最大应力稍小于位于临边防护骨架外侧下，从方便施工角度，建议在外侧脚手板骨架两端口部增加。

图9 连接临边防护的脚手板骨架内增加加劲板(t=3mm)示意图

图10 连接临边防护的脚手板骨架增加加劲板(t=3mm)模拟分析

表6 连接临边防护的脚手板骨架增加加劲板(t=3mm)模拟分析数据

4.3 穿墙螺栓的承载力验算

将三角支撑架和预制外墙体连接在一起的穿墙螺栓同时受拉和剪力作用，螺栓内径为d=8.37mm，对于4.6级、4.8级钢材的C级普通螺栓，抗拉强度设计值为170MPa，抗剪强度为140MPa。由表4可进行穿墙螺栓承载力验算：

（1）穿墙螺栓单独受拉时，M10螺栓抗拉承载力设计值为：

（2）穿墙螺栓单独受剪时，M10螺栓抗剪承载力为：

（3）同时受剪和受拉

螺栓1：水平拉力 Nt1=1510N，剪力Nv1=760N。

M10螺栓满足要求。

螺栓2：水平压力 Nt2=1329N，剪力Nv2=1599N。

M10螺栓满足要求。

螺栓3：水平拉力 Nt3=1537N，剪力Nv3=720N。

M10螺栓满足要求。

螺栓4：水平压力 Nt4=1358N，剪力Nv4=1633N。

M10螺栓满足要求。

5 结论

由以上模拟分析和螺栓承载力验算可知：（1）在最不利工况下，外挂架各构件应力水平正常，不会发生整体倾覆；（2）可在临边防护骨架里沿防护高度方向居中设置一道水平加劲杆，可降低其峰值应力；（3）对外侧脚手板骨架的两端平行于临边防护骨架的位置，通过焊接各增加一道3mm厚的加劲钢板，可在少量增加成本的基础上获得稳定性能的提升。

装配式混凝土结构外挂脚手架的应用，达到了提速降本增效的目的，而且在保证工程质量、降低施工风险方面也具备优势，符合当前绿色建造的趋势。模拟计算结果显示，施工外挂脚手架本身安全稳定，并具有较大的安全储备，验证了外挂脚手架设计的安全可靠性。