提高大跨度、高层高框架结构外作业脚手架稳定性的措施

2022-07-18万立华毕东海张金山

建筑施工 2022年3期

吴刚万立华毕东海张金山柴磊

1. 济南市槐荫区工程质量与安全中心山东济南 250023；2. 济南市工程质量与安全中心山东济南 250014；3. 中建八局第二建设有限公司山东济南 250014

外作业脚手架为建筑施工提供作业平台及安全防护，它既要承受竖向施工荷载，又要承受水平向的风荷载。作业脚手架是建筑施工安全的重要内容，搭设高度24 m及以上的落地式钢管脚手架及悬挑式脚手架均属于建筑施工中危险性较大的分项工程。

在公共建筑、厂房工程建设中，大开间、大跨度、大体量建筑较多。由于这类建筑的柱网尺寸、建筑层高较大，使建筑施工脚手架连墙件的布置受到限制，不能满足JGJ 130—2011《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》、JGJ 231—2010《建筑施工承插式盘扣件钢管支架安全技术规程》等规范标准的要求，给脚手架安全管理带来了隐患。本文以实际工程为例，探讨如何提高大跨度、高层高的框架结构外作业脚手架在连墙件无法按正常设置时的架体稳定性。

1 工程概况

济南市槐荫区某公共建筑工程8#楼，结构形式为混凝土框架结构，地下1层，地上6层，总高度27.0 m，首层层高为6.0 m，2—6层为4.2 m，主要柱距9.0 m。外架采用双排盘扣式脚手架，由于与车库相连，落地脚手架在车库顶直接搭设，搭设高度12.5 m，在2层顶进行一次悬挑，防护至屋面层，悬挑脚手架搭设高度为17.0 m。落地架与悬挑架的主要施工参数均为立杆纵距1.5 m、横距0.9 m、步距1.5 m。

2 特殊工况下外架稳定性施工方法

2.1 连墙件的重要性

外脚手架的宽度远小于纵向长度和竖向高度，侧向刚度很小，只能依靠连墙件与建筑物的可靠连接来保持整体稳定，架体宽度越小，脚手架的侧向刚度越小，风荷载作用下的侧向变形就越大。

连墙件不但可以直接承受风荷载，同时也能约束架体的横向变形，阻止脚手架整体侧向位移，防止脚手架向内或向外倾覆。

此外，设置连墙件不仅是为防止脚手架在风荷和其他水平力作用下产生倾覆，更重要的是它对立杆起中间支座的作用。这表明连墙件的设置对保证脚手架的稳定性至关重要。

根据本工程专项施工方案计算得出，需要按照两步两跨设置连墙件才能满足风荷载要求，如果采用在边梁内垂直预埋钢管，使用直角扣件与外架水平拉结的传统方法，无法满足本工程实际需求。以两层一个柱距空间为例，传统做法仅能做到两步六跨（两侧做抱柱拉结点），远远无法达到施工方案及上述规范对连墙件的设置要求。因此，为保证施工安全，必须采取相关措施来解决连墙件不能正常设置问题。

2.2 规范中提高架体刚度的措施及应用

在该工程的实际情况下，常规的抱柱及边梁预埋连墙件已不能满足要求，必须采取其他措施增强外作业架稳定性。我们计划从提高架体自身刚度入手作出改进，具体分析如下。

1）根据JGJ 231—2010《建筑施工承插式盘扣件钢管支架安全技术规程》第6.2.6条“对双排脚手架的每步水平杆层，当无挂扣钢脚手板加强水平层刚度时，应每5跨设置水平斜杆”。在此基础上，可以在框架柱处沿柱高每两步抱柱设置连墙件，并在该步的每一跨增加设置连续的“之”字形盘扣专用水平斜杆，形成一道水平桁架，将风荷载通过连墙件传递给柱，并约束脚手架的横向变形。

2）根据JGJ 231—2010《建筑施工承插式盘扣件钢管支架安全技术规程》第6.2.6条“双排脚手架的斜杆或剪刀撑设置应符合下列要求：沿架体外侧纵向每5跨每层应设置一根竖向斜杆或每5跨间应设置扣件钢管剪刀撑”。在此基础上，可以沿架体外侧纵向每跨每步均设置一根竖向斜杆，以增加架体纵向刚度。

3）参照JGJ 130—2011《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》第6.6.4条“高度在24 m以下的封闭型双排脚手架可不设横向斜撑，高度在24 m以上的封闭型脚手架，除拐角应设置横向斜撑外，中间应每隔6跨距设置一道”。参照规范要求，我们可以在脚手架对应位置增加竖直横向斜撑（柱距9.0 m，立杆纵距1.5 m，斜杆间隔3跨一设），自底到顶连续设置，可以增大脚手架的横向刚度（增加横向斜杆会在一定程度上增加施工人员的行走和操作不便，因此设置间距需结合现场实际，在必要情况下操作层位置可断开）。

以上述提高架体刚度的措施为基础，我们制定实施方案，并针对盘扣式、钢管扣件式架体的不同工况分别进行了计算对比。

3 外作业脚手架稳定措施可行性分析

3.1 盘扣式脚手架各方案计算对比

为验证上述提高架体刚度措施是否可行，我们针对盘扣式脚手架设计了3种不同工况进行定量对比分析，分别为增加上述措施前的现场实际工况、假设满足施工方案中两步两跨连墙件的理想工况、采取上述加强措施后的工况，具体如下。

1）方案1（采取上述加强措施前的现场实际工况）。脚手架参数为：立杆纵距1.5 m、横距0.9 m、步距1.5 m。盘扣式外脚手架采用Q345A的φ48 mm×3.2 mm焊接钢管，横杆采用Q235B的φ48 mm×2.5 mm焊接钢管（图1）。连墙件两步六跨（两侧做抱柱拉结点）。

图1 方案1脚手架搭设构造

2）方案2（假设框架结构中部存在可作为拉结点的梁、柱构件，且满足两步两跨，属于施工方案中最理想状态下的工况）。外脚手架体参数不变，与方案1相同（图2）。连墙件正常能满足两步两跨搭设要求。

图2 方案2脚手架搭设构造

3）方案3（采取上述加强措施后的工况）。框架柱处沿柱高每一步抱柱设置连墙件，并间隔两步设置1道水平斜撑，脚手架对应两柱的正中间位置每间隔3跨设置1道竖直横向斜撑，自底到顶连续设置（图3）。在各个楼层标高处按照常规做法每2跨设置连墙件。

图3 方案3脚手架搭设构造

采用通用有限元软件SAP2000对脚手架进行线性分析，Q235B钢管弹性模量取2.06×105MPa，钢管设计强度205 MPa（影响杆件的应力比，本次计算不涉及）。取12.5 m×9 m即一跨框架间距的脚手架作为计算单元，采用空间半刚性节点框架计算模型，通过设置小横杆来实现半刚性节点连接，杆端弹簧刚度为40 kN×m/rad；水平斜撑、大横杆在节点处抗弯刚度均取40 kN×m/rad。支座设置：最左侧两立柱节点设置X向和Z向两向约束（考虑其他榀对本榀的支撑作用），立柱底X向、Y向刚度设定为980 kN/m[1-5]（模拟与地面摩擦力）。

风荷载取值参考JGJ 231—2010《建筑施工承插性盘扣式钢管支架安全技术规程》，取0.30 kN/m2，木脚手板、钢脚手板自重标准值取0.35 kN/m2，作业层栏杆与挡脚板自重标准值取0.17 kN/m，施工均布活荷载标准值3 kN/m2；施工均布活荷载仅考虑2层顶位置。

方案1屈曲分析结果如下（1×恒＋1×活＋1×风作为屈曲分析工况）：平面外失稳屈曲因子为1.31×10－4，可知为非稳定结构，失稳模态如图4所示；风荷载单工况下平面外（Y向）最大位移为75.536 mm，发生在第9步第4跨立柱位置，如图5所示。