弧形梁悬挑脚手架的设计、施工及监测

张斌ZHANG Bin

（中铁二十五局集团第四工程有限公司，柳州 545007）

0 引言

在有特殊立面效果的房建高层建筑施工建设中，弧形梁被广泛使用，如在弧形梁上设置悬挑脚手架，由于其受力复杂，特别是较大半径的1/4 弧形梁，因结构设计时一般不考虑施工荷载，相关规范对弧形梁处架体设置也未有明确的规定或要求。本项目根据建筑高度及构件特点，充分考虑弧形梁的结构安全和脚手架方案的经济性，经过严谨、周密的分析与计算，对相关结构进行加强处理及对架体增设防变形措施，确定可在有弧形梁的楼层设置悬挑脚手架，并在使用期间采取了科学的变形监控观测，有效保障了结构构件及脚手架的安全。

1 工程简介

中房柳铁新城12#楼及地下室工程，位于柳州市鹅岗路，总建筑面积17351.14m2，地上15 层，高度64.50m，建筑面积14627.38m2；地下2 层，总高8.6m，地下室建筑面积2723.76m2。

2 悬挑脚手架工字钢布置楼层情况概述

楼层长33.8m，宽28.8m，离地高度35.1m，四角为4.0m 半径的1/4 圆弧造型，外框架梁截面为650mm*450mm，且外均设600m 宽120mm 厚的空调板，四角圆弧区域楼面板厚度为150mm，其余板厚均为120mm。结构布置情况，中部为核心筒，四周为框架柱网结构，抗震等级为三级。

3 弧形梁处悬挑脚手架的方案设计

根据设计图及查阅相关规范文件分析，弧形梁处悬挑外脚手架除一般悬挑脚手架的特点外还存在如下特点：①由于建筑物高度较高，外立面四角为弧线造型，其角部圆弧悬挑脚手架的工字钢及架体杆件设置无法按常规方法设置（外墙无剪力墙，且无角柱）；②工字钢外固定端处为弧形结构梁，其不但承受悬挑架体及施工产生的竖向荷载，还承受由于其上荷载偏心所产生的扭矩；③弧形梁处悬挑架体的防变形控制措施及监控。

3.1 弧形梁悬挑脚手架的工字钢及架体杆件设置

根据规范要求及设计图，对弧形梁悬挑脚手架的工字钢主梁及架体杆件进行设置，为做到合规经济，脚手板铺设宽度为750mm，圆弧梁处大横杆单根杆长不小于3 跨，立杆垂直度需控制在±85mm 内，工字钢扰度需控制在2×lx/250 内，具体设置如下：

普通主梁使用18a 工字钢平铺在楼板上，设置保护钢丝绳，不参与受力，主梁最大间距1.5m，φ16 圆钢螺栓U型锚固，脚手架为双排脚手架，钢管类型Ф48.3×3.6，搭设高度19m，步距1.8m，非弧形梁处立杆纵距或跨距1.5m、弧形梁处0.9m，立杆横距0.8m，内立杆离建筑物距离：非弧形梁处0.15m、弧形梁处最大距离0.3m，安全网全封闭，钢笆脚手板，作业层2 层，不设置双立杆。详见图1。

图1 工字钢主梁及架体杆件设置平面图

3.2 悬挑脚手架架体及工字钢梁验算

根据设置参数按相关规范取荷及核算，工字钢及锚杆强度及稳定（机械）性均满足规范要求，主梁支座反力计算结果如下：

外锚固点支座反力设计值R1=22.269kN（↑）；

内锚固点支座反力设计值R2=7.396kN（↓）。

3.3 工字钢设置层水平结构构件承载力复核

3.3.1 主要参数

梁截面：450mm ×650mm；混凝土 C35；钢筋（HRB400）。

3.3.2 荷载计算

①静荷载标准值。

1）120mm 板自重取（1/3 横跨）：G1=5.25kN/m；

2）外挑板自重：G2=1.8kN/m；

3）梁自重：G3=8.94kN/m。

②活荷载标准值取楼层板（1/3 横跨）施工活荷载q1=3.5kN/m。

③工字钢主梁外锚固点：

弧形梁上的工字钢主梁外支座反力F1@648mm 均布等作用在梁上。

④荷载组合：

弧形梁均布荷载设计值：q=1.3（G1+G2+G3）+1.5q1+q2=60.403kN/m。

3.3.3 弧形梁内力分析及验算

位置：11 轴交G 轴⌒12 轴交F 轴弧形梁。

核算设定：①受扭计算中不考虑楼盖及次梁对主梁扭转的约束作用；②因一端带直线段的弧形梁在多外力作用下受力极复杂，弧形梁中的C 在弧线上，故将带短直线的弧形梁设为过支座A、B 及弧形梁中的C 的圆弧梁计算；③工字钢外锚固点的支座反力（集中力）沿梁为等作用均布荷载。

3.3.3.1 近似计算相关参数

圆弧梁半径r=5255mm；圆弧梁中心角a=1.828rad。

3.3.3.2 内力分析及计算

①圆弧计算简图，详见图2。

图2 简化后的弧形梁计算简图

②内力计算。

单跨无直线圆弧梁的两端均按固定端考虑，在均布竖向线荷载q 的作用下产生跨中弯矩Mc、跨中剪力Vc以及跨中扭矩Tc，分别按下式计算得：

其中：

式中：θ 为圆弧梁中心角的1/2；λ 为截面的弹性常数，与圆弧梁的高度和宽度之比（h/b）相关，h/b=1.44，插入法查表1 得λ=2.13；θ=a/2=0.9141rad。

表1 λ 取值

任意截面的弯矩Mφ、剪力Vφ、扭矩Tφ按下式计算：

式中：q 为竖向均布线荷载，kN/m；φ为自圆弧对称轴位置线与任意位置截面处夹角，rad；R 为圆弧梁的半径，m。

将Mc及夹角（φ/4、φ/3、φ/2、φ）代入公式（1）、（2）、（3）计算其对应截面的内力计算结果详见表2。

表2 圆弧梁上相关特定截面内力值

3.3.3.3 圆弧梁配筋计算

根据《混凝土结构设计规范》GB50010-2010 及上述相关内力值按矩形单筋梁计算支座及跨中配筋，详见表3。

表3 圆弧梁设计配筋与核算配筋对比表

考虑到工字钢保护钢丝绳锚固点在上层结构梁处设置，因此，施工悬挑层（工字钢设置层）及上层结构时，弧形梁支座钢筋按核算的（10Ф20）钢筋面积配置施工，其余按原设计图配置施工。

3.3.3.4 结构承载力复核

根据《混凝土结构设计规范》GB50010-2010 及上述相关内力值按单向板计算支座及跨中配筋，详见表4。

表4 工字钢内锚固点板设计配筋与核算配筋对比表

考虑到工字钢内锚固点相对密集，且受力复杂，决定楼层施工时，在内锚固点区域沿内锚固点设置方向板上部增设Ф8@180 钢筋，下部增设Ф8@100 钢筋。

4 弧形梁悬挑脚手架防变形措施

该工程的弧形梁悬挑脚手架的，在搭设时考虑风荷载、保证架体完整性及提高架体刚度采取了以下防变形措施：①弧形梁施工时按规范最大起拱要求3/1000 起拱。②纵向水平杆应设置在立杆内侧，单根杆长不应小于3跨。③钢筋拉环或螺栓的位置应位于构件的外层主筋的内侧，至构件边缘的距离不应小于6d 和70mm。④高度在24m 以下的弧形梁悬挑脚手架剪刀撑根据架体外折线间隔设置。⑤横向斜撑除起弧设置横向斜撑外，中间应每隔6 跨设置一道。⑥架体开洞应距弧形梁悬挑脚手架外两连墙件及6 倍立杆纵距外。⑦连墙件宜采用方形设置，且架体起折（弯）点及折点立杆每层设置连墙件，圆弧梁中部设置水平三角连墙件，详见图3。⑧架顶下最近层楼板处及架体中部设抱箍，水平设置位置为弧形梁中部（弧顶），使用钢丝绳直径不小于9.3mm，应贴近水平杆，绕过3 根外立杆，钢丝绳应适度收紧，但不可对立杆施力过大，且钢丝绳间的夹角应控制在90～135 度。抱箍设置应与架体搭设同时完成。

图3 圆弧梁中部水平三角连墙件设置图

5 弧形梁悬挑脚手架监测方法及监测结果

5.1 监测目的

由于悬挑脚手架搭设施工质量人为因素大，圆弧处架体整体性相对较差，受风荷载影响大，因此制定了详细监控量测方案，在架体搭设过程中及拆除前须进行严格的监测。本项目悬挑脚手架的重点监测项目为悬挑工字钢端头竖向位移、立杆垂直度、弧形梁跨中扰度及保护钢丝绳等。

5.2 悬挑工字钢端头竖向位移监测方法

为了观测圆弧处悬挑脚手架工字钢端头的竖向位移变形情况，以评估及预测悬挑架的稳定，在房屋四角的圆弧处的最大悬挑长度的工字钢外立杆1m 处分别共布设了4 个竖向位移观测点，以悬挑层最近的结构柱1m 控制线为水准控制点。数值的读取仪器采用微倾水准仪，工字钢设置锚固好后观测4 次后取平均值作为初始值，搭设期间，2～3 天/次。搭设完毕后10 天为一观测周期，当位移量过大或是出现突变时，增加观测频率。工字钢梁外端沉降变形按架体搭设高度的0.06%进行控制，预警值为10mm，垂直度按高度的0.3%进行控制，预警值为20mm。

图4 为搭设期间4 个监测点的竖向位移—搭设高度曲线。由图4 可看出，在架体搭设后，各测点开始产生竖向位移，在搭设至12m 高度前，竖向位移的变化幅度不大，6～12m 的搭设过程中，竖向位移变形基本呈线性。12～18m的搭设过程中，变形曲线呈现放缓现象，说明工字钢端头的保护钢丝绳已参与受力，对竖向位移起到了明显抑制作用。监测时发现，搭设高度超过12m 后，本来变形较小的3号测点变形值出现突变，变形值明显超出类似工况的其它测点的监测值。经现场调查，架体上堆放了未使用的钢管和大量的模板。立即将钢管和模板移走，随后观测表明变形趋于正常。

图4 位移—搭设高度图

5.3 监测结果

通过对架体拆除前各项监测数据及观测结果进行分析，悬挑工字钢端头最大竖向位移为13.32mm，小于15.6mm 的允许竖向位移；工字钢布置层弧形梁跨中扰度为3.6mm，上层弧形梁跨中扰度为3.2mm，均小于两端固定，均布荷载作用下的最大允许4.09mm；立杆垂直度最大偏差为79mm，小于最大允许偏差85mm。保护钢丝绳的预留观察绳弧（长）度无变化，工字钢布置层（上层）弧形梁和工字钢内锚点板的跨中、支座无裂纹。

6 结束语

本项目弧形梁悬挑脚手架通过对脚手架安全技术规范要求、构件受力的综合考虑后编制的设计方案，经实施和使用全过程的观测结果推判，所采取的计算方法能保证结构构件安全，采取的综合性防变形措施能有效控制架体变形。为节约投资，设计并未过多考虑施工工艺和施工荷载，特别是有特殊立面造型的非常规构件，因此，希望设计图或设计交底中给出要求或提示，避免项目技术人员因考虑不周而影响施工任务的如期完成。