超长悬挑脚手架的设计和施工

王水利

WANG Shuili

(五洋建设集团股份有限公司，浙江 杭州310009)

1 工程概况

杭政储出(2009)63 号地块，位于杭州经济技术开发区金沙湖区块，由3 栋19 层住宅及3 层地下室组成，总建筑面积为118741. 58 m2，建筑高度94.55 m，建筑主体结构为框架剪力墙形式。结构3层起采用跃层式设计，标准层层高4.78 m，其中夹层高度2.39 m。标准层外挑飘板厚200 mm，外挑最长尺寸2.3 m，最短尺寸0.3 m，层间夹层外挑飘板厚200 mm，外挑最长尺寸2.55 m，最短尺寸0.3 m，外形呈不规则状，见图1。外墙装饰面采用40 mm厚岩棉板+抗裂砂浆+高级外墙涂料。

2 施工难点

本工程外脚手架采用落地式双排脚手架和悬挑式双排脚手架相结合，3 层以下外脚手架采用落地式双排脚手架，3 层及以上采用悬挑式双排脚手架，主要考虑满足主体施工及装饰装修阶段两种不同工况下施工使用需求及相应构造形式。

图1 建筑物外立面示意图

由于外挑飘板为悬挑结构，且标准层与夹层外挑飘板处边线垂直投影不在同一条线上，因此悬挑脚手架内立杆离墙距离应从标准层与夹层外挑飘板最大挑出端处起算。若水平悬挑钢梁锚固点设置在外挑飘板上，则必须对外挑飘板进行加固处理，此措施必将造成施工成本增加，延长工期。因而水平悬挑钢梁只能锚固在楼层板或梁上，考虑外墙装饰装修施工面空间、脚手架设置参数及构造要求，脚手架内立杆离墙面的距离取0.3 m，横距取0.85 m，并按照外挑飘板外挑最长尺寸2.55 m 计，水平悬挑钢梁悬挑端长度达到了3.9 m，而普通悬挑脚手架水平悬挑钢梁悬挑端长度一般在1.2～1.5 m，因此悬挑脚手架的施工是本工程重点、难点，需重点控制水平悬挑钢梁远端的最大挠度和整体稳定性。

3 方案初步设计

根据建筑外围结构、外立面装饰工艺、建筑层数、层高、风荷载及施工荷载等因素［1］，悬挑式双排脚手架共4 挑，即3～6 层、7～11 层、12～16 层、17层至屋面，悬挑工字钢梁搁置于3F、7F、12F、17F，悬挑架单挑搭设高度最高为19.2 m。

考虑主体施工及装饰装修阶段操作空间、结构施工偏差等因素［1］，脚手架内立杆离墙面的距离取0.3 m，立杆纵距1.5 m，横距0.85 m，步距1.8 m。纵向水平杆在上，横向水平杆上的纵向水平杆为2根。连墙件随层(间距2. 39 m)，水平两跨(间距3 m)设置一道。悬挑钢梁采用工字钢，间距1.5 m布置，即悬臂端间距控制在1.5 m 以内(部分阴、阳角部位悬挑钢梁上搁置点焊12.6#工字钢作为次梁支设立杆)，取该值作为立杆间距计算相应荷载，布置形式较为规则，需设置120 根/挑，4 挑共计480根，悬挑梁平面布置及架体见图2、图3。钢梁锚固点采用φ16 mm 的HPB300U 形钢筋拉环预埋。脚手板采用竹笆脚手板，每步一设。

图2 悬挑钢梁平面布置示意图

图3 脚手架架体示意图

4 悬挑脚手架构造及受力分析

根据上述脚手架设置参数及外挑飘板尺寸，水平悬挑钢梁最长悬挑长度达3 900 mm，建筑物内锚固计算长度取2 400 mm，悬挑工字钢总长度为6 600 mm左右。

4.1 悬挑钢梁受力分析

本工程使用品茗安全计算软件对悬挑脚手架进行受力分析计算，立杆稳定性计算结果如下:

不考虑风荷载作用时，单立杆的最大轴心压力设计值N = 1.2(NG1K+NG2K)+1.4ΣNQK= 10.89 kN，最大轴心压力标准值N = NG1K+ NG2K+ ΣNQK=8.756 kN，σ = 136.614 N/mm2≤［f］= 205 N/mm2;

考虑风荷载作用时，单立杆的最大轴心压力设计值N =1.2(NG1K+NG2K)+0.9 ×1.4ΣNQK=10.622 kN，最大轴心压力标准N = NG1K+NG2K+ΣNQK= 8.756 kN，σ = 184.944 N/mm2≤=205 N/mm2，立杆稳定性均满足相应设计规范要求。

各排立杆传至梁上荷载设计值取单立杆的最大轴心压力设计值N = 10.89 kN，对悬挑钢梁进行受力分析，计算结果如下:

若采用16#工字钢悬挑梁，σmax= 534.366 N/mm2＞= 215 N/mm2，vmax= 202.706 mm ＞= 2 × 3 900/250 =31.2 mm，即悬挑梁抗弯强度及悬挑臂端最大挠度均不满足要求。

若悬挑端不加设斜撑支杆，则悬挑梁需采用32a#工字钢方能满足设计要求:σ = 113.09 N/mm2＜= 215 N/mm2，vmax= 21.365 mm ＜=2 ×3 900/250 = 31.2 mm。32a# 工字钢自重线密度为53.78 kg/m，单根悬挑钢梁最大重量约为355 kg，材料购置费用较高，且现场运输及安拆难度大，特别是高空作业，存在较大的安全隐患。

因此，在结构构造形式简单的直接悬挑方式无法实施的情况下，采用16#工字钢作为悬挑梁，加设槽钢斜撑支杆解决受力及安拆等问题。

4.2 加设斜撑支杆构造及受力分析

本工程层高4.78 m，层间夹层层高2.39 m，按下撑常规斜撑支杆方式，具体支设位置及尺寸见图4。

图4 斜撑设置示意图

悬挑脚手架立杆搭设形式、荷载值等其他参数不变，悬挑钢梁选用16#工字钢，其自重线密度为20.92 kg/m，斜撑采用12.6#槽钢，相当于增设1 个铰支座。

4.2.1 悬挑钢梁受力分析215 N/mm2，vmax=3.472 mm ＜［v］=2×3900/ 250=

16#工字钢悬挑梁，σ =66.456N/mm2＜=31.2 mm，悬挑梁抗弯强度及悬挑臂端最大挠度均满足要求。

4.2.2 斜撑支杆受力分析

悬挑钢梁斜撑支杆处支座反力R = 26.352 kN，

斜撑角度β = arctan(2 390/2 950)= 39.013°，

下撑杆轴向力N =26.352/sin39.013° =41.861 kN，

按绕X 轴轴心受压稳定性计算:

长细比λX= L0X/iX= 3 796.656/49.53 = 76.654，

σ1X= N/(φ1XA)=41 861.411/(0.707 ×1 569)=203.667 N/mm2≤f = 205 N/mm2，斜撑稳定性满足要求。

按绕Y 轴轴心受压稳定性计算:

长细比λY= L0Y/iY=3 796.656/15.67 =242.288，

σ1Y= N/(φ1YA)=41 861.411/(0.131 ×1 569)=37.737 N/mm2≤f = 205 N/mm2，斜撑稳定性满足要求。

斜撑12.6#槽钢与悬挑主梁16#工字钢对焊焊接，焊缝面积取斜撑12.6#槽钢截面面积1 569 mm2。

对接焊缝验算:

σ = N/(lWt)=41.861 ×103/1 569 =26.68 N/mm2≤fWC= 185 N/mm2，焊缝抗拉及抗压强度满足要求。

4.2.3 锚固点压环钢筋受力分析

锚固点压环钢筋受力:N = 4.299 kN

根据《混凝土结构设计规范(GB 50010—2010)》第9.7.6 条规定，在构件的自重标准值作用下，每个吊环按2 个截面计算的钢筋应力不应大于65 N/mm2。

压环钢筋验算:

σ =2N/πd2=2 ×4.299 ×103/(3.14 ×162)=10.70 N/mm2≤［f］= 0.85 ×65 N/mm2(另一个压环作为安全保险措施)，满足要求。

4.3 钢丝绳的设置及受力计算

每道悬挑工字钢外端设置一道斜拉钢索与上一层主体结构梁拉结(夹层外挑飘板部分位置需预留孔穿钢丝绳)，作为斜撑支杆失效时的安全保险措施(即斜撑支杆未破坏失效时，斜拉钢索不起作用;但当斜撑支杆破坏失效时，斜拉钢索作为悬挑主梁支点单独计算)［2］。斜拉钢索采用型号6 ×19(a)钢丝绳，公称抗拉强度1 570 MPa(钢芯)，公称直径18 mm，最小破断拉力181.0 kN［3］。钢丝绳拉结采用φ20 mm 的HPB300U 形钢筋预埋吊环。

4.3.1 悬挑钢梁受力分析

由品茗计算软件计算抗弯强度验算，见图5、图6。

图5 荷载分布简图

图6 弯矩图/(kN·m)

σ = M/W =6.82 ×106/141 000 =48.371 N/mm2≤［f］= 215 N/mm2，满足要求。

最大挠度验算:vmax= 2.102 mm ≤［v］ = 2 ×1/250 = 2 ×3 900/250 = 31.2 mm，满足要求。

钢丝绳上拉角度计算:

钢丝绳处支座力:R = 19.033 kN。

悬挑钢梁轴向力:

钢丝绳轴向力:N2=R/sinα1=19.033/sin51.516°= 24.315 kN。

悬挑钢梁稳定性验算:

压弯构件强度σ = M/(γW)+ N/A = 6.82 ×106/(1.05 × 141 × 103)+ 15.131 × 103/2 610 =51.865 N/mm2≤［f］= 215 N/mm2，满足要求。

φb=0.853，σ = M/(φbWx)=6.82 ×106/(0.853 ×141 ×103)= 56.701 N/mm2≤［f］= 215 N/mm2，满足要求。

4.3.2 钢丝绳受力分析

钢丝绳破断拉力总和:Fg= 181.0 kN ×1.308 =236.748 kN，

［Fg］= α ×Fg/k =0.85×236.748/8 =25.154 kN ≥NS= 24.315 kN(钢丝绳之间荷载不均匀系数α =0.85，钢丝绳使用安全系数K = 8)，满足要求。

4.3.3 锚固点压环受力分析

锚固点压环受力:N = 0.971 kN

压环验算:

σ =2N/πd2=2 ×0.971 ×103/(3.14 ×162)=2.42 N/mm2≤［f］=65 N/mm2(另一个压环作为安全保险措施)，满足要求。

4.3.4 钢丝绳吊环受力分析

σ =2N/πd2=2 ×24.315 ×103/ (3.14 ×202)=38.72 N/mm2≤［f］= 65 N/mm2，满足要求。

5 脚手架施工工艺流程及操作要点

5.1 施工工艺流程

脚手架施工工艺流程如下:预埋锚板→预埋U形拉环(上层吊环)→安装工字钢悬挑梁→焊接斜撑→纵向扫地杆→立杆→横向扫地杆→小横杆→大横杆(搁栅)→剪刀撑→连墙件→铺脚手板→装防护栏杆→扎安全网→张拉钢丝绳。

5.2 操作要点

5.2.1 预埋锚板及U 形钢筋拉环

(1)预埋锚板及拉环应严格按照施工方案所定的位置、数量和型式正确设置。

(2)预埋锚板采用Q235 级钢，锚板尺寸200 mm×200 mm×10 mm，锚筋采用2 排4 根φ16 mm HRB400 钢筋，不应采用冷加工钢筋，直锚长度不小于30 d。直锚筋与锚板应采用T 形焊接，当锚筋直径不大于20 mm时宜采用压力埋弧焊;当采用手工焊时，焊缝高度不宜小于6 mm，且对300 MPa 级钢筋不宜小于0.5 d，对其他钢筋不宜小于0.6 d，d 为锚筋的直径。

(3)U 形钢筋拉环应预埋至混凝土梁、板底层钢筋位置，并应与混凝土梁、板底层钢筋焊接或绑扎牢固，其锚固长度不应小于30 d，见图7。锚固位置设置在楼板上时，楼板的厚度不宜小于120 mm，如果楼板厚度小于120 mm 则应采用加固措施。

图7 预埋钢筋拉环示意图

5.2.2 安装工字钢悬挑梁

(1)悬挑梁应严格按照施工方案所定的位置、悬挑和固定段长度、悬臂端间距设置。

(2)悬挑梁悬挑端应设置能使脚手架立杆与钢梁可靠固定的定位点，定位点离悬挑梁端部不应小于100 mm。

(3)锚固悬挑梁的主体结构混凝土强度等级不得低于C20。

(4)U 形钢筋拉环、锚固螺栓与型钢悬挑梁间隙应用钢楔或硬木楔楔紧。

(5)型钢悬挑梁固定端应采用不少于2 个U 形钢筋拉环或锚固螺栓与建筑结构梁板固定。

(6)现浇结构混凝土强度必须达到设计强度75%后方可安装型钢悬挑梁。5.2.3 满铺脚手板及密目网

(1)脚手板应每步铺满、铺稳、铺平。竹笆脚手板应按其主竹筋垂直于纵向水平杆方向铺设，且应对接平铺，采用18#铅丝双股并联4 角固定在纵向水平杆上。

(2)脚手架内立杆距墙体净距大于200 mm 时，应铺设站人板。在施工层及以下每隔3 步与建筑物之间应进行水平封闭隔离，首层及顶层应设置水平封闭隔离。

(3)脚手架外侧应采用合格的密目式安全网封闭，安全网应采用18#铅丝固定在脚手架外立杆内侧。5.2.4 杆件设置

(1)底部立杆必须设置纵横向扫地杆，纵向扫地杆宜采用直角扣件固定在距底座上皮不大于200 mm 立杆上，横向扫地杆也应用直角扣件固定在纵向水平杆下方立杆上。

(2)立杆接长除在顶层顶部可采用搭接外，其余各层各步必须采用对接。采用对接时，对接扣件应交错布置，2 根相邻立杆的接头不应设置在同步内，同步内隔一根立杆的2 个相隔接头在高度方向错开的距离不宜小于500 mm，且各接头中心至主节点的距离不宜大于步距的1/3;搭接时搭接长度不小于1 m，且不少于3 只旋转扣件紧固。端部扣件盖板边缘至立杆端距离不应小于100 mm。

(3)纵向水平杆应设置在立杆内侧，单根长度不应小于3 跨。应采用对接扣件连接或搭接，2 根相邻纵向水平杆接头不宜设置在同步或同跨;不同步或不同跨相邻接头在水平方向错开距离不应小于500 mm;各接头中心至最近主节点的距离不应大于纵距的1/3。搭接长度不应小于1 m，应等间距设置3 个旋转扣件固定，端部扣件盖板边缘至搭接纵向水平杆杆端的距离不应小于100 mm。

5.2.5 剪刀撑

(1)剪刀撑应从底部边角沿高度和长度方向连续设置至顶部。

(2)剪刀撑斜杆应与立杆或横向水平杆的伸出端进行连接。斜杆接长应采用搭接，搭接长度不小于1 m，且不少于3 只旋转扣件紧固，倾角为45°～60°(优先采用45°)，每道剪刀撑跨越立杆根数为5～7 根，宽度不应小于4 跨，且不应小于6 m。

5.2.6 安装钢丝绳斜拉索

(1)钢丝绳斜拉索每个端部绳卡不得少于3 个。

(2)钢丝绳斜拉索与工字钢悬挑梁的夹角不小于45°。

(3)钢丝绳斜拉索出现断丝严重、断丝局部聚集、绳股断裂、磨损或腐蚀严重不得使用［4］。

6 结 语

本工程超长悬挑脚手架采用工字钢上拉下撑结构形式，有效解决了落地式脚手架无法满足稳定性要求及直接悬挑脚手架钢梁挠度过大且安装操作困难等不利因素，使施工安全得到保证，缩短了施工周期，降低了成本，取得了良好的综合效益。

［1］ 江强.非常规悬挑脚手支架的设计与优化［J］.建筑施工，2014(8):966 -969.

［2］ 李玲，姚纪平，井谢谢，等.在钢丝绳斜拉索与工字钢悬挑梁组合平台体系上搭设模板支撑架的施工技术［J］. 建筑施工，2014(8):964 -966.

［3］ 封卫江，郭宁.高层建筑悬挑脚手架性钢梁与斜拉钢丝绳共同作用原理分析［J］.建筑安全，2011(4):7 -10.

［4］ 石伟国.高层建筑型钢悬挑脚手架设计及施工技术［J］. 建筑技术，2012(8):717 -721.