提篮式型钢悬挑脚手架特殊工况验算方法探讨

耿大将 苗恩新 柏志诚 金学胜

摘 要：為了实现提篮式型钢悬挑脚手架在实际工程中的广泛应用，对不同工况下的提篮式型钢悬挑脚手架进行了精准设计和有效验算，采用理论分析法得出了一般工况下提篮式型钢悬挑脚手架的主梁和拉杆内力表达式，在此基础上结合现场实际情况建立了多种特殊工况的验算方法。然后采用单因子变量法给出了多种特殊工况下的计算实例，并结合计算结果和现场施工情况给出了实际设计和施工建议。研究结果表明，拉杆上节点偏移会使主梁由单向弯曲构件转化为双向弯曲构件，同时会使主梁挠度增大6%左右;双拉杆失效会导致主梁弯矩增大16倍;立杆传递竖向力增加和建筑结构体型收进均会对脚手架受力产生不利影响，需要采取相应的设计措施或施工管理措施加以规避，尤其需要加强拉杆的日常巡检，保证其正常发挥作用。因此，提篮式型钢悬挑脚手架可以代替普通悬挑脚手架在施工中加以应用，所提方法可以有效解决提篮式型钢悬挑脚手架特殊工况下的设计验算难题，并为相关提篮式型钢悬挑脚手架的设计和施工管理提供参考。

关键词：土木建筑工程设计;提篮式悬挑脚手架;特殊工况;理论分析;设计验算

中图分类号：TU899   文献标识码：A   DOI： 10.7535/hbgykj.2022yx01005

Abstract：In order to realize the wide application of basket type steel cantilever scaffold in practical engineering，the basket type steel cantilever scaffold under different working conditions was accurately designed and effectively checked，the internal force expressions of the main beam and tie rod of the basket type steel cantilever scaffold under general working conditions were obtained by using the theoretical analysis method.On this basis，combined with the actual situation of the site，the checking calculation methods under various special working conditions were established.Then，the calculation examples under various special working conditions were given by using the single factor variable method，and the actual design and construction suggestions were given combined with the calculation results and field construction conditions.The results show that the node offset on the tie rod can transform the main beam from one-way bending member to two-way bending member，and increase the deflection of the main beam by about 6%.The double tie rod failure increases the bending moment of the main beam by 16 times.The increase of the vertical force transmitted by the vertical pole and the retraction of the building structure have an adverse impact on the stress of the scaffold，and corresponding design measures or construction management measures need to be taken to avoid it.In particular，the daily inspection of the tie rod needs to be strengthened to ensure its normal function.Therefore，the basket type steel cantilever scaffold can replace the ordinary cantilever scaffold in construction.The method can effectively solve the design and checking problems of basket shaped steel cantilever scaffold under special working conditions，and can provide reference for the design and construction management of basket type steel cantilever scaffold.

Keywords：civil and architectural engineering design;basket type cantilever scaffold;special working conditions;theoretical analysis;design checking calculation

脚手架在建筑结构施工中具有十分重要的作用。按照作用原理不同，建筑脚手架主要包括附着式升降架、爬架和悬挑架等形式[1-6]。而悬挑架根据其受力体系的不同可以分为完全悬挑式、下撑悬挑式、上拉悬挑式及下撑上拉悬挑式[7-9]。近年来，上拉悬挑式脚手架，尤其是提篮式型钢悬挑脚手架，在工程实际中有了较多的应用[9-12]。国内很多学者已经对提篮式型钢悬挑脚手架的施工技术进行了探讨，且提篮式型钢悬挑脚手架已被引入到装配式结构施工和高层建筑施工中[12-14]，且提篮式型钢悬挑脚手架可以降低脚手架部分的工程成本;此外，柏寒阳等[15]将提篮式型钢悬挑脚手架与完全悬挑式脚手架进行了优劣势对比分析，提篮式型钢悬脚手架优势明显;郑根思等[16]直接给出了提篮式型钢悬挑脚手架的设计方案。综合国内外已有的研究结果可以看出，尽管提篮式型钢悬挑脚手架已经在工程中得以应用，但相关研究工作仍然主要集中在施工技术方面[17-20]，对设计方法和设计工作的研究较少，而对工程实际而言必须做到设计先行才能保证施工安全可靠。

根据现场施工管理经验可以发现，提篮式型钢悬挑脚手架在实际施工使用中面临各种特殊工况，必须保证这些工况下脚手架的安全才能保证施工安全。笔者采用理论分析方法得出了一般工况下提篮式型钢悬挑脚手架的主梁和拉杆内力表达式，总结归纳了提篮式型钢悬挑脚手架特殊工况，并对各种特殊工况对脚手架受力的不利影响进行了量化分析，给出了实际设计和施工建议。

1 提篮式型钢悬挑脚手架的优势

与传统悬挑脚手架相比，提篮式型钢悬挑脚手架除了具有脚手板、纵向水平杆、横向水平杆、立杆、栏杆、扣件外，还包括拉杆和主梁，且拉杆和主梁构成了主要整体受力结构。此外提篮式型钢悬挑脚手架还包括主梁与建筑结构连接节点、拉杆与主梁连接节点、拉杆上下部连接节点、拉杆与建筑结构连接节点这四大节点。脚手架的受力主要从立杆传递给主梁，主梁传递给拉杆，进而传递给四大节点。

提篮式型钢悬挑脚手架与传统悬挑脚手架的区别如图1所示。与传统悬挑架相比，提篮式型钢悬挑脚手架具有如下优势。

1）建筑结构损伤小。传统悬挑脚手架需要在外剪力墙和楼板开洞，结构损伤大，而提篮式型钢悬挑脚手架只需要在外墙或边梁预埋螺栓即可，显然对结构的损伤更小。

2）材料利用效率高，经济性好。传统悬挑脚手架型钢主梁的内力分布不均匀程度比提篮式型钢悬挑脚手架要高，导致传统悬挑脚手架的型钢主梁不同部位的材料力学性能發挥程度有极大差异，造成材料利用效率不高，而提篮式型钢悬挑脚手架的型钢主梁材料力学性能发挥程度差异相对较小。此外，与传统悬挑脚手架相比，提篮式型钢悬挑脚手架可以节约50%以上的型钢用量，型钢利用效率高，经济性更好。

3）施工方便，节约工期。传统悬挑脚手架型钢伸入室内的锚固段长度为悬挑段的1.25倍，楼板及墙体均需开洞，施工过程较为复杂，而且后期需要进行洞口封堵和型钢拆除，增加了施工难度。而提篮式型钢悬挑脚手架采用装配式为主，施工速度相对更快。此外，提篮式型钢悬挑脚手架在室内无锚固段，不会影响室内砌筑及楼地面工程的施工。

4）渗漏风险小[10，16]。传统悬挑脚手架需要在楼板及墙体开洞，而提篮式型钢悬挑脚手架只需在外墙或边梁设置螺栓预埋件。显然，传统悬挑脚手架所开的洞后期均需要进行封堵，而提篮式型钢悬挑脚手架只需进行小洞口封堵工作，不仅能大大降低施工工作量，还能降低建筑结构渗漏风险。

2 提篮式型钢悬挑脚手架整体受力分析

对比图1 a）、图1 b）和图1 c）可以看出，提篮式型钢悬挑脚手架和传统悬挑脚手架的钢管脚手架部分是完全相同的，因此提篮式型钢悬挑脚手架对应的钢管脚手架部分的受力分析可以参考传统悬挑脚手架相应部分的受力分析，主要包括纵向水平杆和横向水平杆强度与稳定性、立杆稳定性、连墙件强度与稳定性、扣件抗滑力的计算等[21-22]。与传统悬挑脚手架只有悬挑梁不同，提篮式型钢悬挑脚手架具有悬挑主梁和拉杆，重点需对悬挑主梁和拉杆组成的结构进行整体受力分析。

悬挑主梁和拉杆组成的结构受力情况如图2所示。分析中假定拉杆上端铰接，悬挑主梁左侧固接。考虑到2根拉杆情况在工程中也多有应用，并且1根拉杆只是2根拉杆的特例，所以对2根拉杆情况进行分析。此外，理论上拉杆和悬挑主梁应该位于同一铅垂面内，并且拉杆的上铰接点与悬挑主梁的左固接点应该位于同一铅垂线上，然而工程实际中由于现场各种条件的制约，极有可能会出现拉杆与结构连接的节点出现偏移，导致拉杆和主梁不位于同一铅垂面内，建筑结构体型收进会导致拉杆的上铰接点与悬挑主梁的左固接点不位于同一铅垂线上。如图2所示，设拉杆上节点偏移量为t0，悬挑主梁的左固接点与拉杆上节点的水平距离在悬挑主梁轴向方向的投影长度为l0。

从表1中，可以看出，只要拉杆与建筑结构连接点处螺栓失效、拉杆与主梁连接点处螺栓失效、拉杆过长3种工况出现一种，即可导致相应的拉杆失效，即计算中需要Apri=0或Apro=0。梁与建筑结构连接点处螺栓失效和立杆悬空均会导致钢管脚手架的荷载无法通过立杆传递给所分析的悬挑主梁，只能传递给相邻2个主梁，导致相邻主梁承受的由立杆传递的竖向荷载Fn变为原来的1.5倍。

3.2 特殊工况计算实例分析

考虑到各种特殊工况同时出现的概率比较小，因此采用单因子变量法对几种典型特殊工况进行计算分析。在计算过程中，除了说明需要变化的量外，其余量取值如表2所示。立杆传递给主梁的集中荷载为Fn=10.14 kN，自重均布荷载为q由主梁工字钢规格确定。通过式（1）、式（2）、式（11）—式（16）即可以得出拉杆轴力、主梁弯矩、剪力、轴力和挠度。

3.2.1 拉杆上节点偏移

由于立杆的存在或其他各种施工因素的影响，会导致拉杆出现不同程度的上节点偏移，即t0≠0，令t0取为0.00h，0.05h，0.10h，0.15h共4种情况分别计算，得出如图3所示的计算结果。从图中可以明显看出，当拉杆上节点偏移量对沿强轴方向的弯矩My、剪力Vz、轴力Nx影响不大，但沿弱轴方向的弯矩Mz和剪力Vy会随着偏移量的增大而大幅增加，如果拉杆出现偏移，主梁就会从单向弯曲和单向剪切变为双向弯曲和双向剪切，这对主梁的受力和主梁固接节点的受力是极为不利的。同时，沿弱轴方向的弯矩Mz和剪力Vy在主梁固接端处达到了最大，这无疑会增大主梁固接端节点的受力。因此，拉杆上节点偏移无论对主梁本身的受力还是对主梁固接端节点的受力均是十分不利的。在4种情况下，主梁最大挠度计算结果分别为0.990 4，0.991 2，0.993 7和0.997 7 mm，这说明拉杆上节点偏移对最大挠度影响不大。

综上可以看出，拉杆上节点偏移对主梁及主梁固接节点受力会产生不利影响，建议实际施工中应尽可能避免拉杆偏移，如果无法避免时建议以主梁所在的铅垂面为对称面设立两套拉杆体系。

3.2.2 上节点外节点螺栓失效或拉杆过长

拉杆与建筑结构连接点处螺栓失效或拉杆与主梁连接点处螺栓失效或拉杆过长，均会导致对应的拉杆失效，即会导致Apri=0或Apro=0。令Apri≠0且Apro≠0，Apri=0且Apro≠0，Apri≠0且Apro=0，Apri=0且Apro=0分别计算，得出如图4所示的计算结果。

从图4所示的计算结果可以看出，内拉杆失效和均不失效情况下主梁的内力图相差不大，即表示在外拉杆存在的情况下，内拉杆的作用效果有限。根据只有内拉杆失效和只有外拉杆失效情况下主梁的内力图对比可以看出，外拉杆作用远大于内拉杆作用。当两拉杆全部失效时，主梁弯矩会增大至均不失效时的16倍，主梁弯矩剪力均会大幅增加，这对主梁本身和主梁固接节点的受力都是十分不利的。建议在实际设计工作中设置拉杆时外拉杆是必须设置的，因为相对内拉杆，其发挥的作用更大。最理想的情况是内外拉杆同时设置以最大限度减小主梁内力。建议在脚手架实际使用过程中，定期对拉杆尤其是外拉杆进行检查，以保证其发挥作用。

3.2.3 下节点螺栓失效或立杆悬空

主梁与建筑结构连接点处螺栓失效或立杆悬空即该主梁对应的Fn=0，相邻主梁的Fn变为原先的1.5倍。Fn=0对应的主梁的安全性得到了提高，而Fn变为原先的1.5倍的主梁的安全性会降低，因此在工程中需要重点关注和验算。

取Fn为原先的0.00倍、1.00倍、1.50倍分别进行计算，以明确该工况对脚手架受力的影响。计算结果对比如表3所示，表中My指的是沿主梁全长各截面位置弯矩的最大值，Vz指的是沿主梁全长各截面位置剪力的最大值。从表中可以看出，随着立杆传递竖向力Fn的增加，主梁内力、挠度和拉杆内力均大幅增加，主梁固接端所受剪力也大幅增加，增加幅度和Fn的增加幅度大致相当。建议在脚手架实际使用中必须定期对主梁与建筑结构连接点处螺栓、立杆与主梁连接节点进行检查，以确保主梁能顺利发挥作用，立杆能顺利进行荷载传递。

3.2.4 建筑结构体型收进

在建筑结构设计工作中，不可避免的会出现建筑结构体型收进，即l0≠0，令l0取为0.00h，0.20h，0.40h，0.60h（h表示拉杆上部节点和主梁固接点的竖向距离）共4种情况分别计算，得出如表4所示的计算结果。随着建筑结构体型收进量的增大，主梁本身的内力变化不大，主梁固接端节点的剪力、挠度最大值、拉杆轴力均会增大，建议在实际的设计工作中建筑结构体型收进部位可以考虑增大拉杆截面尺寸。

4 结 语

为了解决提篮式型钢悬挑脚手架的施工过程中特殊工况验算难题，采用理论推导方法得出了提篮式型钢悬挑脚手架主梁和拉杆的内力和位移表达式，在此基础上，结合现场实际情况明确了典型特殊工况的验算方法，并且给出了验算实例，主要结论如下。

1）拉杆上节点偏移对主梁及固接节点受力均会产生不利影响，主梁会从单向弯曲和单向剪切变为双向弯曲和双向剪切，主梁挠度会增大6%左右，建议尽量避免拉杆偏移或以主梁所在的鉛垂面为对称面设立两套拉杆体系。

2）外拉杆存在的情况下，内拉杆的作用效果有限，两拉杆全部失效时，主梁弯矩会增大至均不失效时的16倍。建议必须设置外拉杆，且定期对拉杆尤其是外拉杆进行检查，确保其发挥作用。

3）主梁和拉杆内力和位移随着立杆传递竖向力的增加而成比例增大。建议定期对主梁与建筑结构连接点处螺栓、立杆与主梁连接节点进行检查，以确保主梁能顺利发挥作用，立杆能进行荷载传递。

本文所提出提篮式型钢悬挑脚手架的特殊工况验算方法可以在工程设计中加以推广，然而在工程利润不断减少的情况下，脚手架的设计优化工作显得尤为重要，本文未对该部分内容进行研究，建议后续可以在本文研究的基础上采用最优化理论对提篮式型钢悬挑脚手架进行设计优化，为建筑施工行业的降本增效提供参考和借鉴。

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