悬挑脚手架在抗震构造柱施工中的应用

朱文忠

上海奉贤建设发展（集团）有限公司 上海 201499

对悬挑式脚手架进行结构受力计算时，仍然主要采用结构简化计算。该方式低估了型钢及脚手钢管的材料能力，也减弱对局部变形特征的考虑，将对施工实施方的材料及人员周转造成影响。张伟等[1]对高层建筑中梁侧悬挑脚手架采用有限元计算，有效节省了约56%的材料。方光秀等[2]将钢梁和斜拉钢丝绳组合，通过Ansys分析得出组合钢丝绳的变形特征，提出定期张拉要求以指导施工。傅宇等[3]通过应力实测与有限元分析对比，提出型钢变形导致结构重心前移增加变形，建议数值模拟时考虑相应折减。

1 工程概况

本文以上海奉贤区再生能源综合利用中心为例，设计并验证单榀独立抗震框架结构悬挑脚手架的安全性能。如图1所示，主厂房烟气净化车间内共设9处抗震构造框架柱，其中随墙板结构已建设的有6处，设备安装空场区内独立抗震框架柱有3处，示例计算部位在设备安装空场区域内。

图1 主厂房烟气净化间平面

如图2所示，单榀独立抗震框架结构有2根1 600 mm×700 mm钢筋混凝土柱（C35），柱心沿X轴间距7 000 mm，总高度均为46.2 m。沿高度方向每隔4～4.5 m分隔为一层，每层柱间有2道1 100 mm×300 mm钢筋混凝土连接梁（C35），梁间由150 mm厚钢筋混凝土板（C35）连成小平台。

图2 单榀独立抗震框架结构

2 型钢悬挑脚手架布设

2.1 悬挑型钢参数

依据规范建议，全结构从第2层（8.5 m标高）向上分2段独立搭设，悬挑高度分别为18.54、19.20 m，型钢架体布置方式相同。小平台段由中心对称布置5根16#工字钢承力梁，由2道压环钢筋固定在结构梁板上；柱阳角区域共设置3根16#工字钢承力梁，端部由普通螺栓固定在柱内，工字钢顶面上3 m高的柱内预埋普通螺栓，将拉杆（φ25 mm）通过吊耳板连接至结构柱内，所有连梁均采用10#槽钢，型钢布置方式如图3所示。

图3 悬挑型钢立面布置

2.2 钢管脚手架参数

脚手架横距800 mm，纵距1 375 mm，步距1 800 mm，外排立杆距离工字钢最外悬挑端为 150 mm，内排立杆距离结构边为 300 mm。单挑的普通钢管（φ48 mm×3 mm）约610根，钢笆片（900 mm×800 mm）约220片，脚手板及木挡板一步一设，连墙件两步一跨布设，如图4所示。

图4 单挑脚手架立面

3 有限元分析与验算

3.1 模型与边界条件

参考陈顺霖[4]和梅德磊[5-6]等对结构边界条件的研究成果，结构梁采用梁单元，小平台采用带厚度板单元。I16（16#工字钢）主挑梁采用梁单元，阳角区I16在结构端部节点与结构柱节点采用刚性连接，简化螺栓构造。小平台处I16与结构连接梁采用刚性连接替代压环钢筋构造，考虑变形特征，刚节点的主节点在结构梁上，并分割结构梁单元，I16随结构梁变形而从属附加位移特征。由于拉杆与型钢在端部连接为环式，杆件内部扭转应力较小，因而采用桁架单元模型。钢管脚手架则采用一般梁单元，钢篱笆采用无厚度板单元，实际施工中横杆与纵杆之间是扣件连接，且螺栓口强度均由压力测定，可以将交错节点等效为刚节点。同时单根钢管长度约9 m，整个架体搭设完成后为超静定结构，脚手架的等效梁端无需释放约束。C10a型钢连梁与I16主梁建模方式相同，不同点在于脚手架底部与槽钢节点需释放平面弯矩约束，模型如图5所示。

图5 计算模型示意

3.2 荷载组合

由于钢篱笆采用无厚度板单元，故需附加板单元压力，根据材料供应厂家出具产品相关文件，钢篱笆自重为0.10 kN/m2。挡板自重0.17 kN/m2，按每步综合折算至内圈梁上为51 N/m，密目网自重0.01 kN/m2，按每步综合折算至外圈梁上为6 N/m。施工作业限定仅一层，在最顶层脚手板上施加300 N/m2的板单元压力，如图6所示。考虑架体搭设存在缺陷，所有钢材自重取1.2倍放大系数作为变形补偿。

图6 荷载等效布置

3.3 分析验算

3.3.1 悬挑主梁验算

如图7所示，I16悬挑主梁应力集中点均处在固节点部位。计算得：悬挑主梁最大应力、最大剪力均符合要求；小平台钢梁外伸端出现最大位移，最大位移符合要求。

图7 I16悬挑主梁有限元分析结果

3.3.2 悬挑连梁验算

如图8所示，[10a悬挑连梁应力集中点位于焊接节点部位。计算得到：悬挑主梁最大应力、最大剪力、最大位移均符合要求。

图8 C10a悬挑连梁有限元分析结果

3.3.3 脚手架杆件能力验算

如图9所示，脚手架杆系应力集中点在杆系底部。计算得：杆系最大应力、平面布置杆件最大剪力、最大位移均符合要求。

图9 脚手架杆系有限元分析结果

3.3.4 扣件抗滑与立杆稳定验算

如图10（a）、图10（b）所示，杆系水平向最大剪力分别为Fx＝0.5 kN、Fy＝0.7 kN，扣件抗滑承载力Rmax＝1.1[Fx, Fy]max＝0.77 kN，小于极限承载力的7.2 kN，符合要求。如图10（c）所示，最大轴向压力Pmax＝6.4 kN，临界压力为270 kN，轴力小于临界压力，满足压杆稳定要求。连墙件作为附属加固结构，不参与悬挑持力能力计算。

图10 立杆杆系有限元分析结果

3.3.5 拉杆与吊耳验算

吊耳构造如图11所示，初步拟定相关参数为：吊耳板厚12 mm，顺受力方向吊孔边距板边缘最小距离65 mm，吊耳板抗拉强度设计值205 N/mm2，钢拉杆与吊耳板连接焊缝焊脚尺寸8 mm，角焊缝强度设计值160 N/mm2，吊孔直径25 mm，吊耳板两侧边缘与吊孔边缘净距50 mm，吊耳板连接螺栓数量为1个，吊耳板抗剪强度设计值125 N/mm2，钢拉杆与吊耳板连接焊缝总长度120 mm。

图11 吊耳构造

如图12所示，拉杆最大轴向拉力Ns＝9.2 kN，最大应力σmax＝18.9 N/mm2，小于许用应力的205 N/mm2，满足稳定要求。花篮螺栓内应力σ＝24.2 N/mm2，小于许用内应力的170 N/mm2，满足要求。经验算，耳板构造、耳板孔净截面处抗拉强度、端部截面抗拉强度、抗剪强度等均满足要求。

图12 拉杆内应力云图

3.3.6 焊缝与螺栓验算

拉杆与吊耳连接焊缝剪应力为13.5 N/mm2，小于许用剪应力的160 N/mm2，符合要求。单个普通螺栓抗剪承载力设计值为68.688 kN，大于单个普通螺栓所受应力的9.2 kN，满足要求。

4 结语

1）经过验算，拟定的悬挑设计方案符合承载能力要求，可应用于施工指导。

2）通过有限元计算结果分析得知，搁置的型钢悬挑主梁在不考虑连接节点构造的情况下，承载能力仅发挥30%，悬挑型钢能力未得到充分利用。

3）受建筑脚手架规范强制条文限制，构造要求决定了脚手架间距及布置形式，钢管杆系承载能力被低估，但由于本文未建立节点构造的实体模型，缺乏充分的理论条件及相关专家论证，故不建议超越规范的限定要求。