扣件式钢管脚手架连墙件在超高层建筑施工中的布置策略

陈灏谦

摘要：当前，国内高层建筑的数量持续攀升，使得扣件式钢管脚手架的应用也更为广泛，由于其具备搭设便捷而且快速、稳定性好并且能够多次周转利用。本文从脚手架搭设过程中受力分析角度出发，根据在不同连墙件布置方案情况下架体杆件的内力分布以及节点位移云图进行对比分析，建立脚手架模型，进而对建筑施工的布置策略进行研究。

Abstract： At present， the number of high-rise buildings in China continues to rise， making the application of fastener-type steel pipe scaffolds more extensive， because it is easy to set up， fast， stable and can be used repeatedly. In this paper， from the perspective of force analysis in the process of erection of scaffolding， comparative analysis of internal force distribution and node displacement cloud diagram of frame members under different wall-to-wall layout schemes is carried out， the scaffolding model is established and the layout strategy of the building construction is studied.

关键词：超高层建筑施工;扣件式钢管脚手架;连墙件

Key words： super high-rise building construction;fastener-type steel pipe scaffolding;wall fastener

1  架体模型和载荷

1.1 架体模型

在进行脚手架的搭设之前，首先应该依照建筑物的整体高度以及建筑物自身的结构，外围面面积进行模型处理，以求能够达到最优化的设计。本文采用模型化的架体模型，另一个目的在于对连墙件的菱形布置和矩形布置进行对比。根据我国有关脚手架的安全技术规范要求，对 100m高度建筑物以下连墙件的布置做以下规定，连墙件布置的数量如表1所示。

超高建筑存在的主要问题就在于风荷载的横向剪力作用，本文对超高建筑施工脚手架采用2步2跨的布置形式，具体模型见表2。为更好的体现两种设计方案的优劣，本文在采用连墙件间距均为2步2跨的形式基础上，将矩形布置设为方案一、菱形布置设为方案二。

本文所研究的与脚手架相关的部件有小横杆、大横杆、立杆、连墙件、剪刀撑等，它们通过扣件的方式连接成整体，其中连墙件的间距采用两步两跨式，在纵向立杆的搭设上，悬挑式钢管脚手架实际模型如图1所示。

如图1，连墙件的作用是使脚手架与建筑结构主体之间形成作用力联系，进而确保工人在主体结构外围进行装修等施工的安全性。在模型中连墙件的覆盖面积达到7.5m2，在一定程度上，能满足受力要求，为脚手架的整体稳定性提供基本保障。两种布置方式的对比计算也论证了这一基本条件。

1.2 载荷

1.2.1 高层建筑施工脚手架连墙件水平风载

高层建筑的外墙施工装修都必须要以脚手架作为辅助施工措施，高层和超高层脚手架的搭设面对最大的安全问题在于风荷载的影响。随着高度的不断递增，风力作用产生的风振系数会明显提高，因此，除了要考虑脚手架排布形式的稳固性外，好要考虑风荷载所带来的间接影响。脚手架在高层建筑中的整体性，通过构件与构件之间的铰接联系起来，需要考虑到形状的稳定性。这也是为什么脚手架在横杆外围会存在剪刀撑的原因。相对于现存的多变形结构而言，三角形的结构最稳定。剪刀撑的存在，保证了脚手架的形状不变形，为工程施工的安全性带来了保障。风荷载的作用虽然很强，但对于整体性较好的脚手架而言，这些作用力均在可抗范围内。

1.2.2 脚手架载竖向载荷

脚手架的竖向荷载分为两个方面，一是脚手架横撑与竖撑的自重，二是工人施工时所产生的活荷载。竖向荷载的传递主要依靠脚手架與底部钢板的连接来传递，在我国相关的规范中也明确给出竖向荷载的标准值。

2  连墙件不同布置方案下的架体有限元分析

2.1 基本假设

研究高层脚手架的布置策略，首先必须对脚手架的单元作用力有明确的了解。一般而言，脚手架的连接不会完全进行刚性连接，而是介于铰接与刚接的半钢性连接，这一连接方式适用于弹簧作用力下产生的自由度现象。通过对耦合重合节点x，y，z三个方向进行位移大小研究，进而找出杆件与杆件之间转动刚度产生的荷载变化作用。在我国相关的技术规范中也对具体的数值给了明确的规定，一般按照35（kN·m）/rad来计算。在本实验中，如果想要得出科学的实验结果，需要在实验结论前假设一定的条件。根据结构受载情况，施加相应约束和载荷最后再解得该结构的位移与内力，并对比分析其计算所得结果。根据本文1.2中所提及的荷载情况进行计算，所得结果按照集中N=5kN，迎风面均布载荷q=2×103MPa施加在结构上，菱形布置和矩形布置的加载方式和大小完全相同。

2.2 有限元计算结果分析

从整体受力角度来看，连墙件的菱形布置和矩形布置并无多大差距。将受力从X，Y，Z三个方向进行分解，确保各方向受力均衡是确保脚手架稳定的基础，之所以以菱形和矩形进行对比，主要是考虑到在有限计算单元内，风荷载对连墙件的受力影响变化，一般情况下，小横杆之间发生的最大位移出现在非固定端距离连墙件的最远处，最大的值分别为11.254mm，17.512mm，位移较小故刚度满足要求。

2.2.1 两种布置的内力分布

通过对比两种连墙件的内力分布图，很明显可以看到菱形布置更加均衡。脚手架的内力传导主要依靠连墙件与底部的固定作用。在实验中，以架体模型位置杆件内力的数据分析，计算出了两者布置方式内力的具体数据大小，虽然在环境上忽略了一定的实际因素，但是两者布置环境的相似性，消除了外界因素的影响。比如说，中间架体模型5步8跨到8步12跨之间）的杆件内力以及节点位移进行数据分析统计，菱形和矩形的对比一目了然。菱形布置的连墙件的小横杆受力均匀，相比于无连墙件而言，有连墙件的小横杆受力有明显的变化。这种控制变量的实验对比方式，只适用于研究单独的连墙件布置优劣性，在具体的受力合理性上，需要综合衡量各种因素进行系统的布置方案设计。

2.2.2 两种布置的节点位移

通过实验论证的数据显示，以整个脚手架模型中间部分进行节点位移分析，我们不难发现，节点的布置是按照自左向右自上向下的顺序进行的，除了连墙件的布置要按菱形规则布置外。为保证脚手架纵向的稳定性，底部往往会和钢板、钢梁等预埋件连接，以保证整体的稳定性。菱形布置的连墙件能将受力分解到x，y两个不同方向，整体布置成错开咬合的形式，加强了受力的稳定性和一体性，在整体上较之于矩形更加均匀。

3  在超高层建筑中以图论为基础对脚手架连墙件进行优化布置

本文以双排架脚手架连墙件布置为研究对象，脚手架轴向力按照规定应为3kN。本文把连墙件在风荷载作用下的优化布置作为重点研究对象。

在200m以上的超高层建筑中，脚手架受风荷载的影响特别明显，对脚手架稳定性与安全性的破坏作用非常显著，连墙件若是布置的合理就能够将水平方向的风荷载尽可能的传递给建筑物，可以使整个架体更加稳定。连墙件的规范性布置方法是将其布置成菱形或矩形，其中的菱形还是优先推荐的布置方法。但是在工况比较复杂的情况下，譬如在那些基本风压就很大的地区，如果开展超高层建筑施工时，其脚手架若是光用两种方法进行布置，就不能够保证其安全性。秦桂娟等人对连墙件的矩形布置方法与菱形布置方法进行了对比分析，发现那些采用矩形布置法的脚手架各杆件之间的内力变化往往会比较大，而且其节点位移也经常会出现突变;采用菱形布置法的脚手架虽然比矩形布置法能够好上那么一点，在一些比较重要的位置上还是会由于连墙件未能布置的更加合理而出现较大的位移，从而使工程留下隐患。故而本文以菱形布置作为基础，按照运筹图论中求P-重心下届的方法，对于比较重要的部位进行优化布置，把脚手架架体侧立面的变形位移降到最小。在工况比较复杂的时候，连墙件布置的是否合理就格外的重要，这些复杂工况往往存在于高层建筑工程的上部，其连墙件大多是按2步2跨的形式进行布置，故而在这种情况下，本文先通过有限元软件求取该手脚架立面上某处的变形信息，从脚手架中提取若干变形最大节点中的信息，再通过节点的组合构建出图论结构中的网络图，把图中所示的顶点权重大小、边值还有权距离及其矩阵全部计算出来，最后算得各重心，并结合重心所在确定增加连墙件的具体位置。

3.1 图论中的设点问题

3.1.1 普通设点问题

在图论中为了使某项指标值能够达到最优，往往需要在一定范围内为一个或多个服务设施选定一个最佳选址问题。借助网络很方便把脚手架中的目标节点相互联系以节点关系的形式反映出来。由于在各目标节点处于分散状态，所以需要用到的顶点往往比较离散，那么在相对集中的一个区域范围内，则就可以适当的简化问题。下面的图2就是某脚手架结构转换后的网络实例。在这个网络图中，目标节点一共有9个，以各顶点的位移值作为其权重值，为了让图看起来能够更简便，没有在图上一一标识出来，各边线上标示的数字是各边对应的权值，反映的是两节点之间的直线距离。

如此一来就可以把整个脚手架结构简化为这几个节点的结构模型，然后只需要求出有数的几个重心，就是在部分作为重心的节点位置上布置连墙件，以改变脚手架整体在使用中的动态响应。

3.1.2 在脚手架上设点有限节点

对连墙件的布置进行优化基本上类似于设点问题。本文就直接将超高层建筑项目施工过程中的连墙件布置优化问题当做是布置服务设施问题，然后运用图论方法计算扣件式脚手架钢管体系在发生动态响应状况下对连墙件的布置进行优化，使脚手架达到最稳定状态。

3.2 创建模型

本文考虑的主要是在200m及以上超高层建筑中对其脚手架连墙件的布置如何进行的优化问题，首先是为扣件式脚手架的钢管结构创建模型，所有的钢管按表3布设。要求连接扣件的每一个节点均可实现半刚性节点所具有的效果。

故而根据表5中的参数可以算出风荷载在201m处的大小为3.09kN/m2，而在221m处则为3.19kN/m2，荷载大小在竖直方向上呈梯形分布。连墙件采用的是2步2跨式的，其布置状况见图3。

3.3 通过建好的模型得到网络图

在以上计算可以知道，最上两步节点位移最大，最大位移可达18.15mm，有连墙件附近的节点没有出现大的位移值，而其上下均未布置连墙件的那些节点，其位移值往往特别大，见图4。

本文将所有节点中移值最大的几个，单独提取出来作为目标节点，以这些目标节点为顶点构建网络图，把这几个目标节点上发生的位移作为网络顶点的权重值，将各目标节点相互之间的空间距离当做各顶点间的权重距离。因脚手架本身左右对称，仅取其一半来研究即可。将所得目标节点以由上往而、由左至右的顺序一一编号，所得的网络图见图5。

通过在Midas中进行计算，可以得到连墙件经过优化布置后的节点位移信息，其原本18.15mm的偏移量优化后变成2.79mm，使脚手架更加稳定。脚手架连墙件经过优化布置后，其位移效果见图6。

通过分析可以得到的几点结论具体如下：①设点问题在一定的程度上类似于脚手架当中目标节点的布置，在超高层建筑工程的施工当中，对连墙件的具体布置情况进行优化将其等效为服务设施的优化布置，然后就可以运用图论方法在扣件式脚手架整体处于动态响应的状况下，求取连墙件布置的最优效果。②第一步是通过图论的语言把一个实际问题给表示出来，求出各不同节点与目标节点之间的权距离，并列出矩阵。③按照求取普通设点下界的算法，求取目标节点网络图中的重心P下界，等到重心被求出后，再结合重点下届选择相应的节点位置对连墙件进行布置。

4  结束语

①在常见的脚手架搭设过程中，连墙件的布置一直以矩形和菱形居多，主要是在受力和布置形式上，它们不仅具有美观高强的作用，而且通过对比分析，控制变量，能清晰的看出各自的优势与不足。本工程中结论证实菱形布置中杆件的内力相差不大，而矩形布置的大横杆内力最大相差到2370N，明显大于菱形布置，同时菱形布置的节点位移的分布也比矩形布置更加均匀。②随着脚手架使用期限的延长，各连墙件与墙体之间，以及杆件与杆件之间的连接会有松懈，必須要在菱形布置连墙件的基础上扩大数量以最大化的降低位移产生的影响，消除施工作用安全，提高施工作业精度。③在高层建筑施工中，风荷载的影响无法避免，必须在脚手架的连墙件布置上确保脚手架的横纵向稳定性，确保施工过程的整体安全性。

参考文献：

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