悬挑小横杆非常规脚手架稳定性分析

姚明博 马 骏 钱 毅 周岳林

上海送变电工程有限公司 上海 200235

脚手架是建筑施工中被广泛运用的多层多跨空间结构体系，承受施工过程中产生的各种荷载。对于脚手架的承载性能，国内外学者进行了大量试验与理论分析。易桂香等[1]在铰接单杆理论的基础上，针对连墙件竖向间距较大，立杆层数较多，且未设廊道斜杆的情况，综合考虑了连墙件间立杆、多层水平杆和碗扣的整体效应，推导出架体稳定承载力的解析解。考虑整体效应后，架体的计算承载力与铰接理论相比有较大提高，更符合真实承载力。张鹏程等[2]为了研究负公差和初弯曲对脚手架构件稳定承载力的影响，采用我国现行规范JGJ 130—2011《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》中的计算方法，计算得到负公差会造成构件轴压承载力下降10.24%～12.59%，负公差和初弯曲共同作用时构件承载力下降12.17%～15.28%。近年来，随着国内施工技术的提升以及对于建筑物结构的特殊需求，脚手架搭设的要求越来越高。当遇到特殊造型变化的建筑时，由于GB 51210—2016《建筑施工脚手架安全技术统一标准》对其并没有具体规定，现场工程师只能凭经验进行补强或增加支撑，甚至由于脚手架为临时性结构物，其重要性易被忽略，致使脚手架埋下安全隐患。

本文针对建筑立面凹进不是很深，外脚手架不能正常搭设的情况，在保证脚手架安全稳定的前提下，通过小横杆悬挑承受一定的施工荷载，以满足现场施工作业要求。然而，由于脚手架承受了不同于常规形式的施工荷载，有必要对脚手架进行整体承载性能分析，计算确定安全悬挑范围，并进行有针对性的加固，防止脚手架失稳破坏，确保人民生命和财产安全。

1 受荷下稳定性分析方法

脚手架的荷载传递路径为脚手板—大横杆—小横杆—立杆扣件—立杆—基础。由于小横杆悬挑并承受施工荷载，除计算大横杆强度挠度之外，小横杆本身强度需要满足要求，同时受荷后的挠度不能超限，根据荷载传递路径，还需要额外考虑悬挑小横杆的荷载对内立杆稳定性和内力杆扣件抗滑性能的不利影响。

1.1 悬挑小横杆抗弯强度计算

大横杆自重标准值p1按式（1）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，考虑悬挑，安全等级为一级，结构重要性因数γ0=1.1。最大弯矩M按式（5）计算。

则小横杆的抗弯强度σ根据材料力学原理应当满足式（6）要求。

式中：f——钢管强度；

W——钢管的截面抗弯矩，由式（7）定义。

式中：D——钢管外径；

d——钢管内径。

1.2 悬挑小横杆挠度

悬挑小横杆最大挠度考虑为小横杆自重均布荷载与最不利分配荷载计算值产生的挠度之和。

均布荷载最大挠度Vq,max由式（8）计算得出。

根据JGJ 130—2011《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》规定，最大挠度应不大于lx/400。

1.3 扣件抗滑承载力

小横杆扣件节点两侧受力计算原理与1.1节荷载计算相似，这里只介绍左侧节点荷载计算方法。

自重标准值F1按式（11）计算。

式中：lb——立杆横距。

脚手板荷载标准值F2按式（12）计算。

活荷载标准值Q2按式（13）计算。

1.4 内立杆稳定性

通过受力分析可知，内立杆的轴向力大于外立杆的轴向力，且内立杆不需要考虑风荷载、安全网、栏杆和挡脚板荷载的作用。钢管立杆受压强度σ'按式（17）计算。

2 受荷下悬挑长度的安全敏感性分析

以某220 kV变电站脚手架工程为例，钢管强度为205.0 N/mm2，钢管强度折减系数取1.00。双排脚手架，搭设高度23.0 m，立杆采用单立管。立杆的纵距1.50 m，立杆的横距0.80 m。钢管类型为φ48 mm×2.7 mm，连墙件采用2步3跨，竖向间距3.60 m，水平间距4.50 m。施工活荷载为2.0 kN/m2。脚手板采用竹笆片，荷载为0.10 kN/m2，按照铺设12层计算。

悬挑小横杆上的大横杆计算、外立杆扣件抗滑力及外立杆稳定性计算，与双排扣件钢管脚手架计算方法相同，均满足规范要求，不再赘述。经计算，受荷悬挑小横杆悬挑长度为500 mm时，小横杆抗弯强度、扣件竖向作用力、立杆受荷强度值均在规定的安全限值范围内，挠度值为1.21 mm，接近安全限值1.25 mm。当悬挑长度为450 mm时，各项计算指标均满足要求。当悬挑长度为550 mm时，挠度值为1.89 mm，大于规定的限值1.38 mm，不满足规范要求。因此，在此计算条件下，安全悬挑长度在500 mm范围内。

此外，悬挑长度增加时，小横杆挠度和抗弯强度值等均呈现不同程度的增长。图1显示了小横杆抗弯强度与内力杆受压强度随小横杆悬挑长度增加的变化规律，从图中可以看出，小横杆抗弯强度增加幅度较大，增长更加显著。

图2显示了扣件竖向作用力随悬挑长度增加的增长规律，结合图1与图2可以看出，扣件竖向作用力增长幅度与内立杆受压强度增长幅度相当，为5.5%左右，但扣件竖向作用力未达规范容许值的富余度更多。

图1 小横杆抗弯强度与内力杆受压强度

图3显示了小横杆挠度随悬挑长度增加的增长规律，小横杆挠度随小横杆悬挑长度的增加变化显著，且幅度最大，当悬挑长度为500 mm时，就已经接近规范容许值。

图3 悬挑小横杆挠度

综上所述，小横杆的挠度受小横杆悬挑长度的影响最大，为最敏感因素。在后续的设计与施工时，根据此次研究成果采取针对性的措施对薄弱位置进行加固处理，以满足规范和现场安全文明施工的要求。

3 技术经济分析

住建部质安司统计资料中2002—2012年备案的建筑施工事故7 065起，死亡人数8 434人，造成直接经济损失逾百亿元[3]，平均每起事故直接经济损失逾百万元，本文通过严格的理论计算以及后续的加固等措施，避免了因脚手架失稳破坏造成的巨大经济损失和人员伤亡，给企业运营带来了显著的技术经济效益。

4 结语

本文通过脚手架的荷载传递与结构受力原理，分析了悬挑小横杆受荷下的脚手架稳定性，通过某220 kV变电站工程实例，确定了在一定的搭设高度、立杆纵横距等参数约束下，小横杆的最大安全悬挑长度为500 mm。同时，研究还发现，小横杆悬挑长度增加，小横杆挠度增幅最大，最早出现超过限值，小横杆抗弯强度值的增幅次之。因此，在工程实践中，可以根据计算分析结果，对小横杆悬挑端等薄弱部位进行加固，确保脚手架在施工荷载作用下的安全稳固，避免盲目施工给企业和人民造成的经济损失。