悬挑外脚手架在高层建筑中的设计与施工

蓝 媚，张保志，叶 茂

（1、清远市建设工程综合服务站清远市人才储备中心 广东清远511500；2、广州大学 广州510500）

0 引言

高层建筑外脚手架是建筑施工中不可或缺的操作平台及安全防护措施之一。一般情况下悬挑外脚手架底部支撑采用钢梁一端通过钢筋固定在混凝土梁板上形式，形成杠杆系统［1］。若阳台和转角部位悬挑外脚手架直接采用该形式，阳台部位钢梁悬挑长度较长、受力及挠度较大、整体稳定性较差，转角部位钢梁分布较密集、锚固段相互干扰、锚固段长度达不到1.25 倍悬挑段长度的要求、甚至部分钢梁从边缘构件和结构柱中穿过导致纵向钢筋打断［2］。针对上述难点，本文结合工程实例，对阳台及转角剪力墙部位外脚手架底部支撑作了优化设计。

1 工程概况

某高层住宅位于广东省清远市，安全等级二级，丙类，抗震设防6度，地震分组第一组，Ⅱ类，剪力墙结构，抗震等级四级，基本风压0.35 kN/m2，地面粗糙度B类。地上27层，地下1层，建筑面积约32 835.26 m2，建筑高度78.6 m，女儿墙顶标高79.8 m，首层～27 层层高均为2.9 m，阳台宽1.8 m，飘板宽0.6 m，梁板混凝土强度等级C30，楼板厚度100～120 mm。根据项目施工要求，本工程外脚手架采用落地式脚手架与悬挑式脚手架相结合的形式，其中首层板至18层板为落地式脚手架，18层及以上为悬挑式扣件钢管双排脚手架。

2 悬挑脚手架的设计

本工程将第18 层设为悬挑层，共悬挑1 次，脚手架最大标高81.3 m，从第18 层处开始悬挑，即49.3～81.3 m，悬挑高度32 m，步距1.8 m，立杆的纵横间距分别为1.5 m 和0.8 m，拟采用“一洲施工安全设施计算软 件”［3，4］、“理 正 结 构 设 计 工 具 箱 软 件”［5，6］和“SAP2000 有限元软件”［7］对悬挑脚手架一般部位、阳台部位和转角部位关键构件内力进行验算。

2.1 一般部位设计验算

采用“一洲施工安全设施计算软件”进行计算，计算过程从略，立杆轴向力9.97 kN，悬挑钢梁采用16 号工字钢，悬挑段长度1.1 m，总长3 m，H=160 mm，b=88 mm，tw=6 mm，t=9.9 mm，q=0.21 kN/m，Wx=140 900 mm3，Ix=11 270 000 mm4，S=80 800 mm3，E=206 000 N/mm2，f=215 N/mm2，fv=125 N/mm2，fy=235 N/mm2，φb=0.99，φb′=0.79，悬挑钢梁计算简图如图1所示。

图1 一般部位悬挑钢梁计算简图Fig.1 Calculation Diagram of Cantilever Steel Beam in General Position

抗 弯 强 度：Mmax=-12.09 kN·m，σ =Mmax/γxWx=81.73 N/mm2＜215 N/mm2，满足要求。

抗剪强度：Vmax=20.17 kN，τ=VS/Ixtw=24.1 N/mm2＜125 N/mm2，满足要求。

整 体 稳 定：L1=1.1 m，λy=L1/iy=58.2，Mmax/φb′Wx=108.62 N/mm2＜215 N/mm2，满足要求。

挠度验算：υmax=1.76 mm＜［υ］=4.4 mm，满足要求。

2.2 阳台部位设计验算

阳台部位不能作为悬挑钢梁支承段，因此悬挑钢梁支承点设置在结构梁上，钢梁悬挑段较长。若直接采用“悬挑端+1.25 倍锚固段的钢梁”形式，钢梁受力及截面较大且不易吊装，故该部位脚手架下部支撑采用“悬挑端+1.25倍锚固段的钢梁+斜撑”形式。

2.2.1 悬挑钢梁设计验算

采用“一洲施工安全设施计算软件”进行计算，计算过程从略，立杆轴向力9.97 kN，悬挑钢梁采用18 号工字钢，悬挑段长度2.9 m，总长7 m，H=180 mm，b=94 mm，tw=6.05 mm，t=10.7 mm，q=0.24 kN/m，Wx=185 400 mm3，Ix=16 990 000 mm4，S=106 500 mm3，E=206 000 N/mm2，f=215 N/mm2，fv=125 N/mm2，fy=235 N/mm2，φb=0.59，悬挑钢梁计算简图如图2所示。

图2 阳台部位悬挑钢梁计算简图Fig.2 Calculation Diagram of Cantilever SteelBeam on Balcony

抗弯强度：Mmax=8.4 kN·m，σ=Mmax/γxWx=43.15 N/mm2＜215 N/mm2，满足要求。

抗剪强度：Vmax=21.2 kN，τ=VS/Ixtw=20.44 N/mm2＜125 N/mm2，满足要求。

整体稳定：L1=2.90 m，λy=L1/iy=145，Mmax/φbWx=76.79 N/mm2＜215 N/mm2，满足要求。

挠度验算：υmax=1.11 mm＜［υ］=11.6 mm，满足要求。

2.2.2 斜撑设计验算

斜撑采用Q235 的热轧普通工字钢I10，根据《钢结构设计标准：GB 50017-2017》［8］，该斜撑按轴心压杆计算，轴力N=30.07 kN，杆件截面最大厚度7.6 mm，计算长度2.1 m，A=1 435 mm2，f=215 N/mm2，ix=4.14 cm，iy=1.52 cm，γx=1.05，γy=1.20。

长细比：λx=50.72＜150，λy=138.16＜150，满足要求。

稳定性：φx=0.913，φy=0.352，φ =0.352，N/φ Af=0.28＜1，满足要求。

强度：N/A=20.95 N/mm2＜215.00 N/mm2，满足要求。

局部稳定：b/tf=3.32＜（10+0.1λ）εka，h0/tw=16＜（25+0.5λ）εka，满足要求。

2.3 转角部位设计验算

传统的悬挑脚手架下部主要支撑一般采用“悬挑端+1.25倍锚固段的钢梁”形式［9］。悬挑钢梁直接穿过后砌的外隔墙，将留下大量的孔洞，在外架拆除后需对孔洞进行专业封堵，一旦施工工艺监管不到位，就极易造成外墙渗漏和孔洞周边抹灰空鼓。同时由于转角部位受力较复杂，钢梁安装较集中，多条钢梁交叉排布造成末端锚固长度达不到规范要求，甚至部分钢梁从边缘构件和结构柱中穿过导致纵向钢筋打断，对主体结构质量安全产生一定影响［9，10］。为避免这种现象，本工程拟在转角部位18 层剪力墙处及18 层以下1.1 m 处分别预埋钢板，悬挑钢梁一端与18 层处预埋钢板焊接，斜撑两端分别与悬挑钢梁前端及18层以下1.1 m 处预埋钢板焊接，形成稳定的三角形外支撑受力体系。

利用SAP2000 有限元分析软件对悬挑支撑体系进行数值模拟分析，分析结果表明：斜撑计算长度1.56 m，长细比102.63＜150，满足要求；悬挑钢梁及斜撑最大应力分别为193.22 MPa 及37.99 MPa。转角部位最大应力及位置如表1及图3所示。

表1 转角部位最大应力Tab.1 Maximum Stress at Corner

图3 转角部位应力最大位置Fig.3 Maximum Stress Location of Corner

3 悬挑脚手架的施工

3.1 施工技术参数

悬挑外架采用φ 48×3.0 mm 的Q235 扣件钢管双排脚手架，一般位置内立杆离墙间距0.2 m，阳台位置内立杆离墙间距2 m（阳台宽1.8 m）；立杆步距1.80 m，立杆纵距1.5 m。本工程共悬挑1 次，钢梁设置在第18 层，从第18层开始悬挑，即49.3～81.3 m，悬挑高度32 m。

一般部位悬挑钢梁采用16#工字钢，间距1.5 m，钢梁悬挑段长度1.1 m，内锚固段长1.9 m，总长3 m。悬挑钢梁内、外立杆分别在18层和23层加设卸荷措施，采用直径16 mm 钢丝绳卸荷，卸荷点按立杆间距设置，上吊点与下吊点垂直距离2.9 m，吊环的直径20 mm，吊环预埋于19 层和24 层结构边梁上，吊环锚固长度最小为30d。一般部位悬挑外架大样如图4a所示。

阳台部位悬挑长度1.8 m，悬挑钢梁采用18#工字钢，间距1.5 m，钢梁悬挑段长度为阳台长+1.1 m，悬挑段长2.9 m，锚固段长4.1 m，工字钢总长7 m，满足锚固长度大于悬挑长度的1.25倍要求［11］。悬挑钢梁内、外立杆分别在18 层和23 层加设卸荷措施，采用直径16 mm 钢丝绳卸荷，卸荷点按立杆间距设置，上吊点与下吊点垂直距离5.8 m，吊环的直径20 mm，吊环预埋于20 层和25 层的结构边梁上，吊环锚固长度最小为30d。由于阳台处外挑长度较大，在阳台部位钢梁的下层框架梁处预埋200 mm×200 mm×8 mm 钢板，采用10#工字钢作为悬挑钢梁斜撑，斜撑上下支点分别与悬挑钢梁前端及预埋钢板焊接。为减小斜撑长细比，提高外架整体稳定性，悬挑钢梁下层阳台范围内支撑体系不拆除，支撑体系立杆与斜撑采用水平杆拉结贯通形成整体。阳台部位悬挑外架大样如图4b所示。

转角部位悬挑钢梁及斜撑分别采用16#工字钢和10#工字钢，间距1.5 m。剪力墙处悬挑长1.1 m，在悬挑层及悬挑层以下1.1 m 处分别预埋钢板，悬挑钢梁一端与悬挑层预埋钢板焊接，斜撑两端分别与悬挑钢梁前端及悬挑层以下1.1 m 处预埋钢板焊接，形成稳定的三角形外支撑受力体系。悬挑钢梁内、外立杆分别在18层和23层加设卸荷措施，采用直径16 mm的钢丝绳卸荷，卸荷点按立杆间距设置，上吊点与下吊点垂直距离2.9 m，吊环直径20 mm，吊环预埋于19层和24层结构边梁上，吊环锚固长度最小为30d。转角部位悬挑外架大样如图4c所示。

3.2 施工方法与工艺

悬挑钢梁、斜撑、预埋件制作→阳台位置及转角处安装预埋件→混凝土浇筑→安装悬挑钢梁→安装斜撑、立两头立杆扣扫地杆、小横杆、大横杆（或临时大、小横杆）→立抛撑→树中间立杆→小横杆、大横杆、防护栏杆→以此类推、形成一步闭合架体→铺脚手板（隔离防坠）→搭第二步架→拉连墙件→转角处设置“之”字形剪刀撑、立杆外侧剪刀撑→张挂密目安全网、铺脚手板→接立杆→搭第三步架→…→拉钢丝绳。

图4 悬挑外架大样Fig.4 Detail of Cantilevered External Scaffold

3.3 安全保障措施

当架高超过40 m且有风涡流作用时，应采取抗上升翻流作用的连墙措施［11］。本工程拟在最后一道卸荷吊环反向拉设直径16 mm 的钢丝绳，钢丝绳下端与楼层内预埋连墙杆扣件连接，上端与外立杆、连墙杆节点处扣件连接，该部位楼层钢丝绳每道连墙杆设置一道。为避免脚手架立杆变形，该部位外架应进行回顶。抗上升翻流措施施工示意如图5所示。

图5 抗上升翻流措施施工示意图Fig.5 Construction Diagram of Anti Rising and Overturning Measures

悬挑架底部用模板、木方硬质封闭，并设置180 mm高红白挡脚板，侧边用18 mm 厚模板进行硬质封闭，施工层脚手板采用钢筋网片脚手板满铺。悬挑外架底部封闭大样如图6所示。

图6 悬挑外架底部封闭大样Fig.6 Detail of Bottom Closure of Cantilevered External Scaffold

悬挑工字钢梁端部应焊有定位桩，采用长度不低于100 mm、直径25 mm 的钢筋，立杆底端安装在定位桩上［12］。立杆接长除顶层外采用对接扣件连接，且相邻立杆接头应相互错开至少500 mm，不得出现在同步同跨内［11］。

4 结语

本工程通过利用多种通用软件对一般部位、阳台部位及转角部位的悬挑脚手架搭设形式进行设计验算，结合施工经验，得到以下结论：

⑴一般部位脚手架下部支撑采用“悬挑端+1.25倍锚固段的钢梁”形式。该形式简单，安拆方便，且满足强度、稳定性及挠度要求。

⑵阳台部位脚手架下部支撑采用“悬挑端+1.25倍锚固段的钢梁+斜撑”形式。该形式受力更加合理，挠度降低，架体整体稳定性提高，且有效减小了悬挑钢梁截面及重量，实现现场固定塔吊安全吊运。

⑶转角部位在悬挑层及悬挑层以下1.1 m 处分别预埋钢板，悬挑钢梁一端与悬挑层处预埋钢板焊接，斜撑两端分别与悬挑钢梁前端及悬挑层以下1.1 m处预埋钢板焊接，形成稳定的三角形外支撑受力体系。该体系解决了转角部位多条钢梁交叉排布造成的末端锚固段不足的问题，节省了钢材用量、降低成本、安拆便捷、保证了剪力墙完整性、降低外墙渗漏和孔洞周边抹灰空鼓概率。