超长悬挑结构外墙脚手架施工技术研究

曹 靖

(中国葛洲坝集团第二工程有限公司，四川 成都 610091)

0 引言

随着人们对建筑效果、造型、使用空间以及施工成本提出不同的需求，使得建筑结构形式及平面布置更加多样复杂，特别是悬挑结构的应用更加广泛，需要搭设高度很高或支撑结构较长的脚手架。对于超长悬挑阳台结构外墙脚手架施工，目前施工技术及研究较少，大多还是采用传统悬挑工字钢结构，为此需要根据项目实际进行创新，选用一种安全可靠，经济可行的外架结构形式，确保施工安全。本文结合工程实例，综合考虑施工工期及成本，通过方案比较和结构计算，设计悬挑脚手架结合钢丝绳卸荷的结构体系，保证超长悬挑结构外墙脚手架施工，为类似工程提供实例参考。

1 工程概况

洋浦国际航运大厦项目位于海南省洋浦经济开发区，规划建设2栋综合性大厦，总建筑面积104 285.96 m2，2栋楼建筑高度为97.2 m及97.3 m，框架核心筒结构。商务办公楼及酒店办公楼除局部楼板为现浇混凝土外，其余为预制装配式叠合板+现浇混凝土楼板结构，板厚主要为130 mm和160 mm，预制装配式叠合板厚度为60 mm，楼层层高4.2～5.4 m，商务办公楼悬挑阳台最大悬挑长度为2.1 m，在第9层及15层收腰，酒店办公楼阳台最大悬挑长度3.8 m，在第9层及14层收腰。因本工程阳台悬挑长度较大，最大悬挑长度达到3.8 m，且阳台逐层收缩，外墙脚手架施工难度及风险高，须对脚手架结构形式创新设计。建筑效果图如图1所示。

2 方案设计

2.1 方案选择

方案1：采用整体落地式钢管脚手架。由于该工程主楼周边为地下室车库，主楼施工阶段，地库尚未施工，根据施工规范，架体高宽比不大于3，该工程搭设高度最高为102.8 m，地面宽度至少为34.3 m，周边地库无法施工，且钢管用量巨大，综合施工成本及安全因素，此方案不适用于该工程。

图1 整体效果图

方案2：采用悬挑式钢管脚手架。此方案能有效减少对钢管用量及对架体基础限制，但考虑双排0.8 m脚手架长度及脚手架与外墙间距0.25 m，根据施工规范，锚固段长度不低于悬挑段1.25倍，工字钢总长度将不低于悬挑长度+锚固段长度=(0.8+0.25+3.8)+(0.8+0.25+3.8)×1.25=10.9 m，工字钢不易安装且占地面积大严重影响后续楼内施工，此方案不适用于本工程。

方案3：采用悬挑式钢管脚手架结合底部工字钢支撑形式。考虑悬挑阳台配筋较少，设计承受荷载较低，且悬挑工字钢钢管脚手架搭设高度较高，架体重量大，悬挑结构加荷较大，对主体结构有严重隐患，此方案不适用于本工程。

方案4：采用悬挑脚手架结合钢丝绳卸荷的结构体系。根据受力分析，在收腰层采用钢丝绳对悬挑工字钢卸荷，将悬挑结构受力改为钢丝绳卸荷受力，同时根据受力计算，跟随架体搭设高度，在相应楼层增加钢丝绳与钢管架连接卸荷，将整体架体荷载较为均匀地传递给结构楼层。采用此方案安全系数高，施工难度及成本较低，且能缩短外架搭设工期。最终经专家论证，确定采用此方案。

2.2 方案总体思路

根据楼层结构特点，工字钢悬挑扣件式钢管脚手架搭设高度介于26.15～37.50 m。每段架体分1～3次进行卸荷，卸荷所采用的钢丝绳均为6×19(a)型。商务办公楼悬挑脚手架局部自第3层楼层开始搭设(标高8.65 m)，其他自第10层楼层开始搭设(标高40.15 m)的方案，主要为2次悬挑，局部为3次悬挑。

第一次从第3层(标高8.65 m)至第10层(标高39.90 m)，共7层，悬挑高度31.25 m；第二次从第10层(标高40.15 m)至第16层(标高66.30 m)，共6层，悬挑高度26.15 m；第三次从第16层(标高66.55 m)至脚手架顶(标高102.70 m)，共8层，悬挑高度36.15 m。

酒店办公楼悬挑脚手架局部自第3层楼层开始搭设(标高10.70 m)，其他自第10层楼层开始搭设(标高48.55 m)的方案，主要为2次悬挑，局部为3次悬挑。第一次从第3层(标高10.80 m)至第10层(标高48.30 m)，共7层，悬挑高度37.60 m；第二次从第10层(标高48.55 m)至第15层(标高75.30 m)，共5层，悬挑高度26.75 m；第二次从第15层(标高40.15 m)至脚手架顶(标高102.80 m)，共6层，悬挑高度27.25 m。

3 结构荷载计算

卸荷采用的钢丝绳选用6×19(a)型，钢丝绳公称抗拉强度不得小于1 570 N/mm2(纤维芯)，直径为16 mm，悬挑工字钢应采用16号工字钢，外墙脚手架的计算依据《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ130-2011)、《建筑施工模板安全技术规范》(JGJ162-2008)、《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)、《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)、《钢结构设计标准》(GB 50017-2017)、《建筑施工脚手架安全技术统一标准》(GB51210-2016)等规范进行计算。考虑到旧钢管及市场钢管的供货情况，所有钢管均按A48×2.8 mm钢管进行验算，以确保安全。以酒店办公楼最大悬挑3.8 m，第三挑搭设高度27.25 m为例。

3.1 钢丝绳卸荷计算

卸荷钢丝绳验算参数见表1。

第1次卸荷验算：

α1=arctan(HS/LS1)=arctan(4 740/2 550)=61.721°

α2=arctan(HS/LS2)=arctan(4 740/3 350)=54.749°

钢丝绳竖向分力标准值，不均匀系数KX取1.5。

由于脚手架所使用的钢丝绳应采用荷载标准值按容许应力法进行设计计算，计算钢丝绳竖向分力标准值时，立杆所受力按上面计算取标准值。

表1 卸荷钢丝绳验算参数表

P1=Kf×KX×N×hj(n+1)/H×HL/1a=0.45×1.5×6.326×16.25/27.25×2.4/1.2=5.093 kN

P2=Kf×KX×N×hj(n+1)/H×HL/1a=0.45×1.5×7.312×16.25/27.25×2.4/1.2=5.886 kN

钢丝绳轴向拉力标准值：

T1=P1/sinα1=5.093/sin61.721°=5.783 kN

T2=P2/sinα2=5.886/sin54.749°=7.208 kN

卸荷钢丝绳的最大轴向拉力标准值[Fg]=max[T1，T2]=7.208 kN

绳夹数量：n=1.667[Fg]/(2T)=1.667×7.208/(2×15.19)=1个≤[n]=4个

花篮螺栓验算：

σ=[Fg]×103/(π×de2/4)=7.208×103/(π×122/4)=63.733 N/mm2≤[ft]=170 N/mm2

钢丝绳：查表得，钢丝绳破断拉力总和：Fg=161.462 kN

[Fg]’=α×Fg/k=0.85×161.462/9=15.249 kN≥[Fg]=7.208 kN

吊环最小直径dmin=(4A/π)1/2=(4×[Fg]/([f]π))1/2=(4×7.208×103/(65π))1/2=12 mm

d=20≥dmin

3.2 悬挑梁验算

主梁离地高度为75.55 m，间距1 200 mm，采用U型锚固螺栓固定再楼板上，锚固螺栓直径d为18 mm，主梁为16号工字钢，主梁建筑物外悬挑长度Lx为5 100 mm，主梁建筑物内锚固长度Lm为600 mm，主梁外锚固点到建筑物边缘的距离a为100 mm，主梁合并根数nz为1。悬挑梁基本参数见表2，悬挑梁支撑点参数见表3，悬挑梁验算参数见表4。

表2 悬挑粱基本参数表

表3 悬挑粱支撑点参数表

表4 悬挑粱验算参数表

1)荷载标准值：

q′=gk=0.205=0.205 kN/m

第1排：F′1=F1′/nz=3.682/1=3.682 kN

第2排：F′2=F2′/nz=3.682/1=3.682 kN

荷载设计值：

q=1.3×gk=1.3×0.205=0.267 kN/m

第1排：F1=F1/nz=7.038/1=7.038 kN

第2排：F2=F2/nz=7.038/1=7.038 kN

σmax=γ0Mmax/W=1×0.357×106/141 000=2.533 N/mm2≤[f]=215 N/mm2

2)抗剪验算：

τmax=γ0Qmax/(8Izδ)[bh02-(b-δ)h2]=1×0.675×1 000×[88×1602-(88-6)×140.22]/(8×11 300 000×6)=0.798 N/mm2

τmax=0.798 N/mm2≤[τ]=125 N/mm2

3)挠度验算：

νmax=0.094 mm≤[ν]=2×lx/250=2×5 100/250=40.8 mm

由于案例编制需多部门合作，成立案例编审委员会。确定案例编写人员（主要是基础护理学任课教师，且均来自临床，具有丰富的临床实践和教学经验），入库案例项目（基础护理实验课所开设的操作项目），决定案例的入选和更新，安排案例的校对与修订。组织人员参加学习、培训，明确工作目标和要求，转变教学观念，适应护理教学改革。

4)支座反力计算：

设计值：R1=-0.515 kN，R2=1.235 kN，R3=8.109 kN，R4=6.77 kN

标准值：R′1=-0.396 kN，R′2=0.948 kN，R′3=4.504 kN，R′4=3.476 kN

根据受力计算，卸荷采用6×19(a)型钢丝绳，钢丝绳公称抗拉强度不得小于1 570 N/mm2(纤维芯)，直径为16 mm，工字钢采用16号工字钢，满足要求。

4 具体施工方法

悬挑架立杆纵距为1.20 m，排距(横距)为0.80 m，步距为1.80 m，每段架体分1～3次进行卸荷，卸荷所采用的钢丝绳均为6×19(a)型，钢丝绳公称抗拉强度不得小于1 570 N/mm2(纤维芯)，直径为16 mm，卸荷系数均为0.45。因建筑外形变化的原因，距外墙间距(梁边)不等，最小处采用0.25 m，水平杆外伸长度为0.15 m。外排两纵向水平杆之间设置2根扣件式钢管水平防身栏杆，上下间距为0.60 m，外排架内侧设全封闭密目安全网，不大于10 m铺设脚手板、挡脚板和水平兜网，实际施工时所有钢管的规格不得小于A48×2.8 mm，所有悬挑梁均采用16#工字钢，如图2及图3所示。

图2 商务办公楼单体外墙脚手架立面情况及悬挑阳台悬挑工字钢节点效果图

图3 酒店办公楼阳台悬挑3.8 m工字钢立面图

5 施工工艺流程及技术要点

5.1 施工工艺流程

工字钢悬挑钢管脚手架搭设工艺流程：水平悬挑—纵向扫地杆—立杆—横向扫地杆—小横杆—大横杆—剪刀撑—连墙件—铺脚手板—扎防护栏杆—扎安全网。

钢丝绳卸载工艺流程：固定钢丝绳的预埋件在悬挑层以上第二层楼面开始设置，钢丝绳牢固连接在内外主节点上，用花篮螺栓统一拉紧，各钢丝绳松紧一致，受力一致。

5.2 施工工艺要点

根据搭设高度，分3次悬挑，在楼板钢筋绑扎同时，需要开始预埋锚固件安装，根据构造要求及结构受力分析，每条工字钢上采用3个φ18 mm的U型圆钢作为悬挑工字钢的连接件。其中1根直接埋设在结构梁内，其他2根采用在预制叠合板上钻孔，预埋2组φ25 mm PVC塑料套管，待安装悬挑梁时从板底穿过U型锚固螺栓。3根U型锚固螺栓的中心点连成一条线并必须与外墙面垂直。U型锚固螺栓闭合端高出结构混凝土面一定高度(应满足工字钢插入U型锚固螺栓后，钢梁钢压板及螺母、螺母垫片能够安装)。在上一层浇筑梁板混凝土时，在上一层相应部位预埋φ20 mm吊环，便于后续安装卸荷钢丝绳。

5.2.2 悬挑工字钢安装

悬挑工字钢安装前，由专业焊工配合架子工在工字钢上表面设置立杆部位焊接定位筋，高度不小于200 mm。同时，在悬挑工字钢下焊接定位筋，高度不小于150 mm，便于卸荷钢丝绳定位并防止卸荷钢丝绳位移。待混凝土浇筑完成并达到一定强度后，才能开始安装工字钢。

首先将工字钢固定，再多人配合将工字钢缓慢插入U型锚固螺栓之中，并及时安放钢压板，待上一层预埋吊环混凝土达到强度后，立即安装卸荷斜拉钢丝绳。悬挑梁穿过柱或剪力墙时，采用在柱或墙上预埋钢板后焊接形式，如图4所示。

图4 柱或剪力墙工字钢焊接图

5.2.3 立杆固定

悬挑工字钢安装牢固后，组织报验，验收通过后开始立杆安装，由专业架子工将合格钢管逐个安装在定位筋上，安装时需要2人配合，在距工字钢上表面不高于200 mm处安装扫地杆，将立杆底部连成一体。

6 结语

施工中对悬挑梁的挠度进行监测，挠度监测值均在允许范围之内，未发现异常。并在2021年经历海南“卢碧”“狮子山”“圆规”等多次台风(最大为12级台风)影响，架体均未发生安全问题。采用悬挑脚手架结合钢丝绳卸荷的组合体系对超长悬挑阳台外墙脚手架精心设计，不仅有效节约工字钢用量，降低了工程成本，保障了施工安全及施工工期，此外也可依据项目实际情况，经受力计算后选择合适钢丝绳和工字钢进行灵活布置，满足各种复杂形式的悬挑结构外墙脚手架搭设要求，可在类似工程中推广应用。