高层住宅楼悬挑式脚手架结构设计与施工技术研究

2024-05-21周蒙强

中国建筑金属结构 2024年4期

周蒙强

（北京铁城工程咨询有限公司，北京 100001）

0 引言

悬挑式脚手架作为一种常见的施工设备，在高层住宅楼的建设中发挥着不可替代的作用。悬挑式脚手架因其独特的结构特点和灵活的应用方式，成为高层住宅楼施工中的优选方案。然而，其在实际应用过程中，也面临着诸多挑战，如结构稳定性、承载能力、施工安全等问题[1]。因此，对悬挑式脚手架的结构设计进行优化，提高其承载能力和稳定性，同时研究施工技术的创新与应用，对于保障高层住宅楼施工的顺利进行具有重要意义。

近年来，众多学者开展研究，并已具有一定研究成果。如王朝晖等[2]针对高层建筑建造中普遍应用的型钢悬挑脚手架设计与施工，分析了型钢悬挑梁的设计计算模型，给出模型参数的取值标准，并建立了U 形拉环在混凝土楼板上锚固破坏的三棱柱体模型，给出锚固承载力设计计算方法。再如黄必成等[3]以深汕科技生态园（A 区）为例，针对全钢附着式脚手架在高层，超高层建筑中的深化设计与施工技术进行探讨。季超等[4]对装配式结构外防护架进行研究，分析了外墙防护脚手架施工方案的选择，确定了三角组合型钢悬挑脚手架的应用方式。在该背景下，本文通过对高层住宅楼悬挑式脚手架结构设计与施工技术的研究，提出优化措施和解决方案。结合实际工程案例，对研究成果进行验证和应用，为高层住宅楼悬挑式脚手架的施工提供有益的参考。

1 工程概况

本工程包含8 栋23 ～33 层的高层住宅楼与8 栋2 ～3 层的商业楼。其底层脚手架的基础主要直接铺设在地下室顶板上，少数部分则建立在回填土之上。针对8 栋主楼的外脚手架，从第2 层起，在8、14、20、26 层设置悬挑，总共分为五段进行搭建。首段采用落地式双排钢管脚手架，从地面起至2 层板面，最高处达1.8m，共设置两层脚手架。接下来的四段则采用悬挑式钢管脚手架，分别从各层的板面开始搭建，每段的最大搭设高度均为18m，每段包含十层脚手架。以13#楼为例，其最高处达到102.2m，地下室顶板位于-0.45m 处。脚手架的步距统一设定为1.8m，以此标准进行计算与布置。

2 高层住宅楼悬挑式脚手架结构设计

2.1 选取悬挑架的杆件节点

杆件节点作为脚手架的连接点，承受着来自不同方向的力和力矩，考虑节点的受力情况。在悬挑架中，节点主要承受拉力、压力和弯矩。对于悬挑梁节点，使用以下公式来计算其受力：

节点的选取还需要考虑材料的强度和稳定性。节点的稳定性可以通过分析其几何形状和连接方式来实现。例如，通过增加节点的支撑或改变其连接方式，可以提高节点的稳定性。

2.2 计算抗弯强度

悬挑式脚手架的两排加外伸设计，确保了施工过程中的稳定性和安全性。在对其进行抗弯强度计算时，特别关注横向水平杆的性能，尤其是在外伸梁最危险的情况下。考虑到脚手板、活荷载容量和墙本身的均布荷载，确定了最大跨度、最大承载力和最危险变形的横向横杆。1m 长简支、1.2m 悬挑的设计，对支架的刚度也提出了要求。

假设横向水平杆上的均布荷载为q（包括脚手板和活荷载以及自重），则最大弯矩K可以通过以下公式计算：

式中：L表示简支段跨度与悬挑长度之和，即L=1m+1.2m=2.2m。

接下来，计算横向水平杆的抗弯截面模量W。设横向水平杆为矩形截面，其宽度为b，高度为h，则得出：

抗弯强度R可以通过最大弯矩和抗弯截面模量来计算，联立上述公式，即可得到横向水平杆抗弯强度的计算公式：

通过合理的结构设计和材料选择，确保横向水平杆在承受施工荷载时具有足够的抗弯强度，从而保障整个脚手架挑撑式结构的稳定性。

2.3 设计悬挑式结构脚手架

工程脚手架设计独特，适应不同楼层需求。2层以下采用全封闭落地式，确保稳固基础；2 层以上则选用全封闭悬挑式，每6 层翻转1 次，外挑高度达23.4m，高效且安全。悬挑型钢采用16a 槽钢U 口水平，结构稳固，每外挑单元设有两层作业层和三层竹笆片层。

脚手架的结构尺寸经过精心选定，以确保施工安全与效率。大横杆步距定为1.8m，首层则特别设定为1.5m。立杆的纵距和横距分别为1.5 和0.95m，确保结构稳固。外立杆与外墙边距为1.15m，内立杆则为0.2m。脚手板采用竹笆片与杉木挡脚板[5]，为保证施工过程中的安全，每个台阶都设置了保护护栏。外墙保护采用了高密度绿色防护网，提供有效防尘与防护。悬挑槽钢梁间距为1.5m，长度达3.35m，并通过2Φ14 圆钢牢固固定在楼面上。所有杆件均选用Φ48mm×3.5mm 规格的钢管，确保结构强度和稳定性。

施工单位创新性地采用了倒三角形承力结构作为悬挑式外脚手架的支撑体系，即悬挑式结构。此结构融合了型钢挑梁与斜撑杆，斜撑杆材料选用常见的钢管，既经济又实用。

3 高层住宅楼悬挑式脚手架施工技术

3.1 布置H 型钢悬挑架

在高层住宅楼施工过程中，为确保悬挑工字钢锚固环的精准定位与稳定预埋，用PVC 管材来模拟工字钢的铺设路线，参照悬臂外侧框架的布置，对锚固环进行定位和预埋，以保证在PVC 管材上预留的孔洞能顺畅地通过。采用涂料在铝合金模板上喷涂工字形“U”形卡环，并在定位标志处进行钻孔，严格控制孔径和孔深，确保钻孔角度与岩体面垂直。清孔后，安置精心制作的H 型钢悬挑梁[6]，并采用M40 砂浆进行灌浆，同时按比例掺入早强剂，增强其强度。

在灌浆过程中，采用0.5MPa 的压力进行灌注，确保砂浆能够充分填充孔隙。待砂浆强度达到要求后，进行架体的搭设工作。对于岩体内的凹处，调整悬挑钢梁的钻孔方向，使其微向上方起翘，角度控制在3°～5°。

悬臂梁必须具备足够的锚固力及截面抗弯能力，当普通主梁采取悬臂梁形式时，脚手架杆需直接置于悬臂梁之上，此时水平悬臂梁的纵向间隔需与上方脚手架杆的纵向间隔保持一致。为了保证上层构架的稳定，在上层脚手架的立杆和悬挑支架之间，一定要有牢固的定位连接。另外，在横挑梁或纵连梁上，应该焊有150 ～200mm、外径φ40mm 的钢管，立杆下面安装一根清扫杆[7]。

3.2 安装倒凹字形铝塑板

在施工过程中，为了防止相邻铝合金材料模板和工字钢之间的相互冲撞，通过密封技术，使工字钢能更稳定地穿入定型化的挤塑聚苯乙烯泡沫板内。在工字钢上紧密装配定型化聚苯板，以保证其表面平整坚实。然后制成倒凹字型铝塑板，并将其恰当地布置于悬挑工字钢套进的聚苯板二侧部位，倒凹字型铝塑板安装如图1 所示。

图1 倒凹字形铝塑板安装

将凹型铝塑板固定好后，分段安装铝模壁板。在此工艺中，尾部铝片的安装是非常关键的，装在一根悬挂的工字钢上，尺寸65mm×65mm，并且是单侧钻孔。而这一小块铝合金板材，则是用来制作铝条的加强背楞，其侧面孔位与铝条上的打孔孔位是一模一样的，保证安装牢固可靠。采用销片与销子相结合的方法，实现了铝合金模板墙板的高效连接。一个接一个地安装其它的铝合金模板和壁板，形成完整的全混凝土外墙主体结构。

3.3 搭设连续墙

在进行第n+1 层可拆式外挑框架施工时，应注意墙体构件的安装和固定。通过准确地安装垂直铝合金模板，设置贯穿墙体的锥形可拆式连墙件，连墙件与岩壁之间的有效连接。这一步骤不仅增强了脚手架的整体稳定性，还提高了其承载能力，从而有效预防了倾倒和倒塌等重大事故的发生。

随着施工进程的推进，拆除墙柱铝合金模板，并使用锤子轻轻敲出“内嵌螺帽式”锥形套管，为第n+1 层主体结构留出锥形孔位。将装配式可拆卸连墙件巧妙地穿过结构预留的孔洞，实现了外架与主体结构的稳固连接。由于该项目的主要建筑都是混凝土结构，尤其是在窗台节点、窗下反坎和外窗洞口周围，都使用了M16 圆钢与Φ48mm×3.5mm 钢管焊接的连墙件，以确保施工的安全与高效。连墙件如图2 所示。

图2 连墙件示意图

在图2 所示的结构中，刚性连接与柔性连接的巧妙结合，确保了脚手架的稳定性和安全性。连墙件中的锚杆，选用HRB400Φ25 的高强度钢筋，锚入岩壁深度不小于4m。竖向间距2.4m，水平间距3.0m 的设置。危岩两侧设置的钢绞线吊拉点，间距10m，有效地增强了结构的整体稳定性，防止因岩石松动而导致的安全问题。

3.4 封闭架体

当脚手架内立杆与墙体之间的净距离小于或等于200mm时，脚手架的稳固性得到了一定程度的保证，施工人员可以在此空间内安全作业。当结构设计要求净距离大于200mm 时，为了稳固性，必须放置站立板。站立板要平整，更要牢固，要有承重能力以确保施工人员在作业过程中不会因站立板松动或不平整而发生意外。而对于施工层上方的脚手架，封闭工作同样重要。每隔3.6m 以及底部，都需要用双层网兜进行封闭。这一措施不仅可以防止施工材料掉落伤人，还能有效地减少施工现场的灰尘和杂物飞扬，从而改善施工环境，保障施工人员的健康。