新型拉杆式悬挑架的应用及安全性能力学研究

李翔，吕祥冰，许旭东，赵蒙，袁潜

（1、中建五局第三建设有限公司，湖南 长沙 410004；2、吉林建筑大学，吉林 长春 130118）

1 工艺特点

在建筑施工中，外墙脚手架不仅为建筑外立面施工提供工作平台，同时也起到临边防护的作用。传统的脚手架一般采用悬挑式工字钢梁，其穿越墙体伸入室内锚固土楼板梁和楼面板上，锚固的长度不小于向外悬挑的1.25倍[1]，为满足规范要求，会造成大量的钢材浪费，并且向内锚固一长段工字钢，会影响室内其它工序的正常进行，不利于各工序穿插和快速建造。拉杆式新型悬挑型钢梁与建筑主体的连接采用可拆卸式预埋高强螺栓，无需向主体结构内锚固型钢。其显著特点有便于安装拆卸、安全可靠、节省材料、不影响室内施工等，可大大降低成本，缩短工期。构造形式如图1所示。

图1 拉杆式悬挑脚手架剖面图

2 选材和规格

悬挑工字梁：采用国标18#工字钢，其材质应符合国家《碳素结构钢》（GB/T 700-2006）Q235B号钢的技术要求；其尺寸、外形、重量、偏差等应符合国家《热轧型钢》（GB/T 706-2008）的要求，标准重量为24.143kg/m；工字钢悬挑件各部位焊缝应符合国标《钢结构焊接规范》（GB50661-2011）二级焊缝的要求。

高强螺栓：采用规格M22×260，8.8级和M22×120，8.8级工字钢，其材质应符合钢结构《高强度螺栓连接技术规程》（JGJ 82-2011）。

拉杆：采用Q345-A的φ18mm圆钢，螺纹段长度0.3 m，上拉杆长1.6m。

3 施工做法

悬挑脚手架钢挑梁的长度根据不同部位以及用途可分为普通型（1.25m～1.35m），加长型（1.5m～2m）和超长型（2m～3m）三种。上、下拉杆为Φ18圆钢车丝，中间采用Φ30钢管制成的花蓝调节管用于调节拉杆。本文取长度为1.3m，水平间距为1.5m普通型悬挑梁研究为例，由于标准层主体结构形式因位置而异，悬挑梁的构造形式相应有所改变，但对其力学性能的影响较小。具体做法见图2～图4。

图2 上拉杆与上部混凝土结构连接方式

图3 花篮螺栓及下拉杆与型钢连接方式

图4 型钢与下部混凝土连接方式

节点位置参数 表1

荷载参数 表2

4 设计参数及荷载布置

计算依据主要来源于国内现行的相关规范[2]～[5]。

图5 平面布置示意图

图6 立面示意图

5 安全性力学验算

5.1 主梁验算

荷载标准值：

第一排立杆处：P1'=F1'=6.789kN；

第二排立杆处：P2'=F2'=6.789kN；

荷载设计值：

第一排立杆处：P1=F1=8.574kN；

第二排立杆处：P2=F2=8.574kN；

计算简图如图7。

图7 计算简图

5.1.1 抗弯验算

图8 弯矩图（kN·m）

σ=Mmax/W=1.376×106/(185×103)=7.438 N/mm2≤[f]=215 N/mm2满足要求。

5.1.2 抗剪验算

主梁材料力学性能表 表3

图9 剪力图（kN）

5.1.3 挠度验算

图10 挠度曲线图（mm）

νmax=0.015 mm≤[ν]＝2×l/250=2×1300/250=10.4mm满足要求。

5.1.4 支座反力计算

设计值：

5.2 上拉杆件验算

上拉杆件角度计算：

上拉杆件支座力：

设计值：RS1=R2=12.896kN

由上拉钢丝绳（杆件）作用造成的主梁轴向力：

上拉钢丝绳（杆件）轴向力：

设计值：

上拉钢丝绳（杆件）的最大轴向拉力：NS=max[NS1]=13.527kN

5.3 上拉杆与主梁连接点计算

5.3.1 螺栓抗剪验算

单个螺栓受剪承载力设计值

螺栓所受剪力：

5.3.2 吊耳板计算

吊耳板吊索方向的最大拉应力：

吊耳板吊索方向的最大剪应力：

吊耳板几何尺寸与材料力学性能表 表4

5.3.3 角焊缝计算

钢拉杆与连接板连接焊缝主要承受剪应力：

5.4 上拉杆与建筑物连接点计算

由上式计算可得上拉杆与建筑物连接点最大轴向拉力Ns=13.527kN上拉杆1：

与建筑物连接螺栓所受拉力

与建筑物连接螺栓所受剪力

螺栓所受最大拉力

螺栓所受最大剪力

5.4.1 螺栓抗拉验算

单个螺栓受拉承载力设计值：

单个螺栓所受拉力：

5.4.2 螺栓抗剪验算

单个螺栓受剪承载力设计值

螺栓所受剪力：

5.5 悬挑主梁整体稳定性验算

主梁轴向力：N=Nsz1=4.084kN

压弯构件强度：

螺栓几何尺寸与材料力学性能表 表5

受弯构件整体稳定性分析：

其中φb——均匀弯曲的受弯构件整体稳定系数，查表《钢结构设计标准》(GB50017-2017)得，φb=2，由于 φb 大于0.6，根据《钢结构设计标准》(GB50017-2017)附录 C，得到 φb'值为0.929。

Mmax/(φb'Wxf)=1.376×106/(0.929×185×103×215)=0.037≤1符合要求。

5.6 悬挑主梁与结构连接节点验算

5.6.1 计算参数

见表5。

5.6.2 高强螺栓承载力计算

假设每个螺栓承受主梁传来的拉力和剪力均相等。

单个高强螺栓所受的剪力值

单个高强螺栓所受的拉力值

单个高强螺栓抗剪承载力设计值

每个高强螺栓受拉承载力设计值

承压承载力设计值

承压承载力满足要求。

6 结论

相对于传统悬挑式工字钢梁，采用新型拉杆式悬挑架具有明显的优势。

①节约材料成本：传统悬挑式工字钢梁向内锚固长度为向外悬挑长度的1.25倍，采用新型拉杆式悬挑架无需向内延伸锚固工字钢，可节约钢材55.6%。传统悬挑式工字钢所需锚固件大体与新型拉杆式悬挑架所需螺栓、拉杆等配件价格相当。

②安全可靠：由上述“5安全性力学验算”可知，新型拉杆式悬挑架系统的抗拉、抗剪、承载力等有大量的安全储备，可确保外架的安全性。并且相较于传统工字钢梁悬挑架，新型拉杆式悬挑架的安装对结构主体的破坏更小，可进一步降低在施工过程中建筑结构主体的安全隐患。

③缩短工期：新型拉杆式悬挑架的安装和拆卸简便，悬挑梁无需伸入建筑内部，外墙砌体、剪力墙无需预留洞口，免去了后期繁杂的修补工作。同时，由于新型拉杆式悬挑架不需要向内锚固工字钢梁，使得室内施工不受室外施工进度的影响，室内外施工可独立进行，有利于各工序快速穿插，达到缩短工期的目的。