后置式可复用联结件悬挑脚手架施工技术

王庆鑫，陈一乔

（广东省建筑工程集团有限公司 广州510600）

1 工程概况

某宾馆更新改造工程建筑面积87 064 m2，项目地下1层，裙楼改造后4层，部分2层，塔楼29层，共34层，层高2.8 m，建筑总高度102.75 m。塔楼外型近似菱状，南北面长度约81.7 m，正对客房阳台；东西面长度约18 m，正对建筑物两侧混凝土剪力墙。因宾馆建筑结构及机电设备陈旧，无论耐久性还是使用功能都不能满足现今的需求，需实行更新改造；宾馆更新改造包含土建、机电、市政、环保等各专业工程，其中建筑外墙立面改造工程的外墙脚手架采用悬挑式脚手架分段搭设。

2 外脚手架搭设参数

根据现场条件及建筑物的外型，塔楼的外脚手架，东面支承在群楼2 层楼面，南、北两面采用从楼面伸出工字钢悬挑支承，西面采用外墙设置型钢三角架支承。第1次悬挑5～12层，搭设高度19.6 m；第2次悬挑13～20层，搭设高度19.6 m；第3次悬挑21～28层，搭设高度19.6 m。拉结吊环分别设在6层、14层、22层。

外脚手架采用双排扣件式钢管脚手架搭设，φ 48×3.0钢管，脚手架搭设横距为0.8 m，纵距为1.5 m，步距为1.8 m；连墙件采用钢管双扣连接，每层三跨布置；内立杆距结构边0.3 m，每楼层铺设钢筋网片作为脚手板，设扶手栏杆和挡脚板；脚手架外立杆内侧挂密目式安全网封闭施工；剪刀撑在外侧立面上沿高度和长度连续布置。

3 工程难点与技术特点

3.1 工程难点

本项目为更新改造项目，与常规的外墙悬挑脚手架施工做法相比，在既有高层建筑外立面搭设外墙脚手架存在以下难题：

⑴既有建筑物无法预埋连墙杆、吊环等脚手架联结件；

⑵悬挑脚手架的型钢基础无法按常规做法采用预埋在楼板内的钢筋环固定。

针对上述施工难题，某宾馆更新改造工程外墙脚手架搭设采用后置式可复用联结件悬挑脚手架施工技术。

3.2 技术特点

⑴非剪力墙处的外悬挑脚手架，通过回顶架固定悬挑工字钢梁，与外脚手架形成受力平衡，实现精准搭设；同时回顶架对既有楼板结构起到加固作用。

⑵剪力墙处的外悬挑脚手架，采用穿墙螺栓固定预制定型的三角型钢支撑架作为外脚手架基座，对既有建筑物直接破坏少，适用于既有建筑或旧建筑施工。

⑶卸荷吊环采用可复用的预制定型吊环，以穿墙螺栓对拉方式固定；连墙件采用可复用的预制定型连墙杆件，通过膨胀螺栓后锚固方式与既有结构固定，具有结构简单、易于制造、连接稳固和便于拆卸的特点。

4 关键节点设计与验算

4.1 既有结构为非剪力墙部位

4.1.1 节点做法

悬挑梁悬挑长度应按设计计算确定，固定段长度不应小于悬挑段长度的1.25倍［1］。采用3 m长的16#悬挑工字钢，伸出外墙1.2 m。悬挑梁端部焊有定位桩，采用长度不低于100 mm 的直径20 mm 钢筋，立杆底端安装在定位桩上，防止跑偏［2］。悬挑梁外端设置φ 16钢丝绳与上一层混凝土结构斜拉结。悬挑梁室内固定段用3 排φ 48×3.0 钢管搭设成回顶架体系，利用楼层顶板将悬挑工字钢梁顶牢作锚固。回顶架体系的纵距为1.5 m，与悬挑工字钢梁的间距一致，中间可增加立杆，增加整体稳定性；横距靠工字梁梁端一侧为0.6 m，靠梁板边缘一侧为0.9 m；步距为0.9～1.0 m；扫地杆离悬挑梁面200 mm，回顶架体系的水平钢管两端与与房间既有墙体结构顶牢，每隔1.5 m设置1道垂直剪刀撑，从而形成一个“回顶架+悬挑梁+斜拉钢丝绳+外脚手架”的受力平衡支撑体系，如图1、图2所示。

图1 回顶架+悬挑梁+斜拉钢丝绳体系模型Fig.1 Model of Steel Pipe Back-propping and Cantilever Beam and Oblique Tensile Steel Cable System

图2 既有结构为非剪力墙部位的受力平衡支撑体系做法Fig.2 Practice of the Force Balance Support System for the Existing Structure as Non-shear Wall Parts

为确保悬挑工字钢梁水平方向的稳定性，在基本风压较大和台风地区，除设置剪刀撑、纵向和横向扫地杆外，还应考虑在型钢梁之间设置保证水平方向稳定的构造措施；可在型钢梁之间设置横杆或斜杆，有效防止侧向失稳，限制脚手架的侧向变形，保证脚手架的侧向稳定［3］。横杆或斜杆采用10#工字钢，安放在16#悬挑工字钢上，与16#悬挑工字钢焊接连接。

4.1.2 节点验算

外脚手架计算高度按最高19.6 m 取值，悬挑梁末端距离内锚固点的距离取200 mm，悬挑梁的外悬挑长度L1=1 300 mm，外锚固点到建筑物边缘的距离为100 mm，内锚固长度Lc=1 500 mm，整条悬挑梁长度为3 000 mm，外立杆距悬挑梁外锚固点水平距离L2=1 300 mm，内立杆距外锚固点水平距离L3=400 mm。采用“品茗建筑安全计算软件”［4］进行计算，得出组合风荷载作用下单立杆轴向力设计值N1=13.997 kN（按最大值取值），锚固点反力设计值R1=14.89 kN。

利用钢管支撑在钢梁与顶板底之间作为锚固端，验算悬挑梁锚固端：回顶架体系的步距h=1 000 mm，φ 48×3.0钢管，i=15.8 mm，A=424 mm2，f=205 N/mm2。

⑴立杆长细比验算

立杆计算长度l0=kuh=1.155×2×1 000=2 310 mm；长细比λ=l0/i=2 310/15.8=146.20≤210，满足要求。

查《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范：JGJ 130—2011》表A得，轴心受压构件的稳定系数φ=0.323。

⑵立杆稳定性验算

σ=R1/（φ A）=14 890/（0.323×424）=108.72 N/mm2≤［f］=205 N/mm2，满足要求。

4.2 既有结构为剪力墙部位

4.2.1 节点做法

由于东、西两面外墙均为钢筋混凝土剪力墙，为不较大范围破坏结构，不采用凿洞穿悬挑梁方式支承外脚手架，采用4 根直径20 mm 的HPB300 圆钢穿墙螺栓固定三角型钢支撑架方式支撑；三角架由1.2 m长的16#水平工字钢，10#槽钢作为斜撑，斜撑的倾斜角度45°，300 mm×300 mm×16 mm的Q235钢板作为基座焊接而成，焊缝等级不低于3级；钢板基座开设4个直径22 mm的螺栓孔。三角架每1.5 m设1个，与外脚手架立柱纵距对应，三角架外端用φ 16的钢丝绳与上一层混凝土结构斜拉结，形成“三角型钢支撑架+斜拉钢丝绳+外脚手架”的受力平衡体系，如图3、图4所示。

图3 三角型钢支撑架+斜拉钢丝绳排架体系模型Fig.3 Model of Triangle Steel Frame and Oblique Tensile Steel Cable System

图4 既有结构为剪力墙部位的受力平衡支撑体系做法Fig.4 Practice of the Force Balance Support System for the Existing Structure as Shear Wall Parts

4.2.2 节点验算

根据《钢结构设计标准：GB 50017—2017》，对悬挑三角架进行验算。

⑴下支撑斜杆验算

支撑斜杆的轴压力N=N1/sinα =13.997/sin45°=16.50 kN。支撑斜杆采用10#槽钢，其容许应力按照下式进行计算：

式中：N 为支撑斜杆的轴压力设计值，N=16.50 kN；A 为受压杆的净截面面积，A=12.74 cm2；［f］为钢材的抗压强度设计值，［f］=205 N/mm2；φ 为轴心受压斜杆的稳定系数。

由长细比λ =l/i=1.414/0.0141=100，λ/ξk=λ/（fy/235）1/2=100/（345/235）1/2=82.5≤250，查表得φ =671；支撑斜杆的正应力σ=16.50×1 000/（0.671×12.74×100）=19.30 N/mm2＜［f］=205 N/mm2，满足要求。

⑵斜撑杆的焊缝计算

斜撑杆采用焊接方式与墙体钢板连接，接焊缝强度计算如下：

其中，N 为斜撑杆的轴向力，N=16.50 kN；lwt为焊接面积，取12.74 cm2；ft或fc为对接焊缝的抗拉或抗压强度，取185.0 N/mm2；焊缝抗拉强度σ=16.50×1 000/（12.74×100）=12.95 N/mm2＜185.0 N/mm2，满足要求。

⑶穿墙螺杆验算

每块钢板埋件采用4根直径20 mm的穿墙螺杆固定，φ 20 的穿墙螺杆容许剪切应力fτ=0.8×0.9×170=122.4 N/mm2；荷载作用在每根螺杆上的剪应力τ =16.50×1 000×sin45/（3.14×10×10×4）=11.17 N/mm2；安全系数取10，则每根螺杆上的剪应力τ1=11.17×10=111.7 N/mm2＜fτ=122.4 N/mm2，满足要求。

4.3 后置式连墙件

连墙杆件有2 种方式，对阳台、楼梯的楼板部位，连墙杆用φ 48×3.0 钢管与200 mm×200 mm×10 mm 的Q235 钢板水平焊接，钢板开2 个φ 14 螺栓孔，用M12×100膨胀螺栓与楼层阳台飘板锚固，锚固点要伸入飘板15 cm。对剪力墙部位，采用φ 48×3.0钢管与200 mm×200 mm×10 mm 钢板垂直焊接，焊缝等级不低于3 级，钢板开4 个φ 14 螺栓孔，用M12×100 膨胀螺栓与外剪力墙锚固；如图5～图7所示。

图5 连墙件与楼板锚固做法Fig.5 Anchor Practice of Tie Member and Floor

图6 连墙件与剪力墙锚固模型Fig.6 Anchor Model of Tie Member and Shear Wall

图7 连墙件与梁或剪力墙锚固做法Fig.7 Anchor Practice of Tie Member and Beam or Shear Wall

4.4 后置式吊环

吊环同样有2 种方式，对楼板部位，用φ 20 圆钢弯成双排L 型，卷口端从楼板伸出外墙，开口端在楼板开孔位置穿入楼板下层用钢板及螺母固定。对剪力墙部位，用φ 20 圆钢加工成吊环，吊环锚固端穿墙伸入剪力墙内用钢板及螺母固定，如图8所示。

5 主要施工方法

5.1 施工流程

5.1.1 既有结构为非剪力墙部位

后置吊环批量制作➝定位、钻孔、后置吊环安装➝悬挑梁安放➝钢管回顶架搭设➝立杆定位➝摆放扫地杆➝安装扫地横向水平杆➝安装第一步横向水平杆➝安装第一步纵向水平杆➝安装第二步横向水平杆➝安装第二步纵向水平杆➝加设临时抛撑➝安装第三步横向水平杆和纵向水平杆➝安装连墙杆、拉结➝安装拉结钢丝绳➝加设剪力撑➝铺设脚手板、挡脚板、立挂安全网➝分段交验。

5.1.2 既有结构为剪力墙部位

图8 吊环做法Fig.8 Practice of Lifting Ring

后置三角型钢支撑架批量制作➝定位、结构钻孔、后置三角架安装、后置吊环安装➝立杆定位➝摆放扫地杆➝安装扫地横向水平杆➝安装第一步横向水平杆➝安装第一步纵向水平杆➝安装第二步横向水平杆➝安装第二步纵向水平杆➝加设临时抛撑➝安装第三步横向水平杆和纵向水平杆➝安装连墙杆、拉结➝安装拉结钢丝绳➝加设剪力撑➝铺设脚手板、挡脚板、立挂安全网➝分段交验。

5.2 施工要点

5.2.1 施工准备

⑴严格按照做法大样图，进行三角型钢支撑架、吊环、连墙装置等加工制作。

⑵悬挑架的工字钢、钢丝绳、钢板及零星构件等均要进场验收；进场钢材要求全数检查，其品种、规格、性能等应满足国家标准及设计要求；全数检查焊接材料，检查焊接材料的质量合格证、检测报告等文件，现场焊接施工中的焊条、焊剂等焊接材料，与母材匹配应符合设计要求及国家相关规范的规定；抽查检验螺栓等构件，各项参数均需满足现行国家规范，对每一批次的扭矩系数和紧固力进行严格检查［5］。构件进场后，应根据构件的种类，结合场地现状和运输条件分类堆放；堆放场地应保持干燥。

5.2.2 回顶架搭设

回顶架体系搭设时，立杆上端安装底座顶在上层楼板，立杆下端安装可调托撑，反扣在悬挑工字钢梁上，并通过可调托撑的调节将悬挑工字钢梁顶紧。回顶架体系每隔1.5 m设置1道垂直剪刀撑，水平杆与既有建筑结构顶紧，从而确保楼板、回顶架、悬挑工字钢梁形成共同受力的稳定体系。悬挑工字梁安放时，应将楼板面清理干净，使工字钢梁水平平放，与既有楼板结构充分接触，受力均匀；立杆垂直度偏差不得大于架高的1/200。

5.2.3 三角型钢支撑架安装

⑴操作平台：剪力墙位置的第1步悬挑脚手架需要利用下面的落地架作为临时支撑节点，同时作为悬挑层楼面施工的脚手架和安全围护，也作悬挑架的搭设平台，注意落地架的立杆位置要与悬挑架的立杆位置相互错开［6］。

⑵既有结构开孔：在三角型钢支撑架安装前，根据方案平面布置图对安装位置进行放线定位、标识、既有结构进行开孔，开孔机具采用水钻，开孔直径比螺栓直径略大2 mm 为宜，即开孔直径为22 mm。开孔后，孔洞清洁干净。

⑶三角型钢支撑架安装：孔洞清洁干净，既有墙体结构面修补平整后，即可进行安装；采用4 根直径20 mm 的高强螺栓穿墙、双螺母固定，螺杆露出螺母应不少于3扣和10 mm。

5.2.4 吊环安装、钢丝绳拉结

⑴既有结构同样开孔，孔洞直径22 mm，穿墙或穿楼板后采用双螺母固定；施工当中通过扳手将双螺帽拧紧，螺杆露出螺母应不少于3扣和10 mm［7］。

⑵采用φ 16钢丝绳斜拉拉结。钢丝绳连接时用手动葫芦将钢丝绳预紧达到相应的拉力，再将接头用钢丝绳夹连接起来。工字钢下固定钢丝绳卡环，应避免钢丝绳与型钢锋利的翼缘接触而产生断丝，可采用钢丝绳在型钢接触处外套胶质网管，严禁不用卡环固定，直接绕着挑梁和脚手架立杆，易产生滑移［8］。安装时，提前适当拉紧，使悬挑型钢的外端上翘2 cm，减少上部架体安装后悬挑型钢梁头下垂现象。

⑶对于飘窗、阳台、转角等特殊部位，根据相关计算要求，对于悬挑长度≤1 800 mm 的钢梁，设置1 道钢丝绳。对于悬挑长度＞1 800 mm且≤3 000 mm的钢梁，设置2道钢丝绳［9］。

5.2.5 连墙件安装

连墙杆件的钢板锚固时，必须紧贴混凝土，安装前要将饰面马赛克和泥底凿除后再行安装；每个螺栓的抗拔力不小于3.75 kN。连墙杆与架体连接采用双直角扣件固定。

5.2.6 外脚手架搭设

上部外脚手架搭设与常规外脚手架搭设类似。

5.2.7 检查、验收

⑴重点检查部位：外脚手架搭设前、搭设过程、使用中，应重点对回顶架体系稳定情况、三角型钢支撑架螺栓连接副拧紧情况、吊环固定情况、钢丝绳拉结情况、连墙件膨胀螺栓锚固情况等关键部位进行检查、复查。

⑵架体验收：①悬挑架安装位置是否符合工字钢布置图；②悬挑材料是否符合要求；③连墙件设置是否符合要求；④剪刀撑是否连续搭设，与水平夹角是否在45°～60°；⑤施工过程中是否有超载现象；⑥水平和立面安全防护是否符合规范要求；⑦架体与杆件是否有变形现象；⑧螺帽是否紧固且螺栓穿过螺帽是否“外露三丝”［10］。

6 结语

对更新改造工程既有建筑进行外墙施工，特别是市区中心的高层建筑，通常会遇到外墙脚手架施工时与原建筑结构如何固定联结的难题，本施工技术使用大量的预制定型钢构件，通过形成“回顶架+悬挑梁+斜拉钢丝绳+外脚手架”、“三角型钢支撑架+斜拉钢丝绳+外脚手架”的受力平衡支撑体系，实现外墙悬挑脚手架精准搭设；具有结构简单、易于制造、搭拆方便、便于回收、连接稳固等特点，安全、质量均有保证，取得良好的经济效益。