悬挑外脚手架底部支撑体系的设计改进

谭红军

（湖南中天建设集团股份有限公司，湖南 株洲 421000）

建筑外脚手架是建筑工程施工中不可或缺的施工安全防护措施之一。传统悬挑外脚手架下部主要支撑一般采用固定在混凝土楼盖上的工字钢或H 型钢。悬挑型钢穿过后砌的外隔墙，不得不预留大量的施工洞，后期拆除型钢支撑后再进行施工洞封堵。一旦施工工艺监管不到位，就极易造成外墙渗漏。

外墙渗漏一直是建筑行业的质量通病之一，为防止这一质量通病的发生，政府相关职能部门和建设单位一直要求设计单位和施工单位从方案设计、施工工艺到后期维护全过程进行重点监控，以保障建筑外墙使用功能的完整性，维护业主的合法权益。同时，施工单位也在不断改进外脚手架施工工艺。

除了外墙渗漏之外，这种传统的悬挑型钢支撑体系，还存在如下不可避免的弊端：

（1）钢材用量大，增加能耗，不利于节能减排，与现行国家环保政策相悖。

（2）型钢的后端荷载方向向上，与楼板正常使用时的荷载相反，建筑物结构设计时一般不考虑该荷载，对楼板结构不利；在短肢剪力墙结构中的阳角处，工字钢安装相对集中，造成部分工字钢从边缘构件中穿过导致纵向钢筋偏位，甚至将暗柱纵向钢筋打断，对主体结构安全产生一定的影响。

（3）后期在进行墙体砌筑、内外墙装修、地面工程施工时，型钢安装位置施工不得不预留大量的收尾工序，不利于安全文明施工；外墙预留的大量临时施工洞口，在外架拆除后需要进行专业封堵，存在外墙渗水隐患，导致使用功能缺陷，造成质量事故，后期修复成本极高。

（4）在高空进行拆除工字钢作业时，需要塔吊配合施工，不但拆除困难，而且存在一定的安全隐患；如操作人员操作不当，导致发生高空坠落和物体打击事故，极易出现生产安全事故。

1 悬挑外脚手架斜拉支撑体系简介

悬挑外脚手架斜拉支撑体系是将固定在楼板上的较长的工字钢或H 型钢改为短工字钢或H 型钢，并将其固定在主体结构构件上，同时在型钢的前端设置斜拉杆，形成稳定的三角形外支撑受力体系。悬挑外脚手架斜拉支撑体系具体的构造做法如图1 所示。

图1 斜拉支撑体系悬挑脚手架构造示意图

该体系主要由支撑型钢、斜拉杆、上吊件及预埋螺栓组成，如图2 ～5 所示。关键构件是支撑型钢和斜拉杆。

图2 支撑型钢

图3 斜拉杆

图4 支撑型钢预埋螺栓

图5 上吊件及预埋螺栓

2 关键构件受力分析

下面以某工程实例对关键构件（型钢和斜拉杆）进行强度验算。

2.1 工程简介

某住宅工程，建筑面积约13500m2，工程造价约2430 万 元（ 按1800 元/m2计）。 地 面 以 上32 层，1 层地下室，地下室顶部覆土厚度1.5m，总建筑高度98.4m。首层室内外高差0.30m，层高5.1m，其他标准层层高3.0m。采用短肢剪力墙结构，结构混凝土强度等级最低为C25，外侧梁截面为200mm×550mm。外脚手架采用斜拉支撑体系外悬挑双排钢管扣件式外脚手架，架体正常使用高度18m（考虑到架体搭设的需要，在进行斜拉支撑体系安全性验算时，按24m/8 层计算荷载）；架体形式同传统外悬挑脚手架，从三层开始起挑，支撑型钢采用14# 工字钢（H=140mm，B=80mm，腹板厚度tn=5.5mm，t=9.1mm，R=7.5mm），斜拉杆采用φ=20mm 的HRB300 普通镀锌圆钢，钢管扣件式脚手架采用φ48mm×3.0mm 的Q235 钢管；架体结构重要性系数γ0=1.1。该工程外脚手架搭设分段层次如表1 所示。

表1 悬挑脚手架分段层次表

2.2 支撑型钢受力分析

（1）型钢强度验算。

型钢与主体结构采用螺栓连接。经计算，该型钢承受最大弯矩为7.2kN·m。

水平钢梁采用14 号工字钢，强度计算公式如下：

根据《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）表4.4.1，水平支撑梁的设计强度f=215.0N/mm2，满足规范要求。

（2）型钢稳定性验算。

水平钢梁采用14 号型钢，稳定性计算公式如下：

式中：ψb为均匀弯曲的受弯构件整体稳定系数。查《钢结构设计规范》（GB 50017-2017）附录得到ψb=2.00。由于ψb大于0.6，按照《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）附录C 其值ψb'=1.07-0.282÷ψb=0.929。

经过计算得到强度σ=1.1×7.2×106÷（0.929× 102000.00）=83.58N/mm2。σ ＜[f]，满足要求。

（3）预埋螺栓强度验算。

经计算，该处的受力螺栓承受的剪力最大值为17.2kN，斜拉杆拉力最大值为42.32kN；该处采用2 根φ14 普通C 级螺栓，螺栓同时承受剪力和拉力，每根螺栓承受的剪力为8.6kN，拉力为18.829kN。

查《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）表4.4.6螺栓连接强度指标,得4.8 级C 级普通φ20 螺栓的强度指标为：=140N/mm2，=170N/mm2，=140×3.14×7×7=21540N，= 170×3.14×7×7=26155N。

单个螺栓承受的设计剪力为8.6kN，拉力设计值为9.41kN，代入式（3）：

求得应力比=0.5374 ＜1，满足要求。

2.3 斜拉杆受力分析

（1）斜拉杆强度验算。

斜拉杆采用d=20mm 的HRB300 圆钢制作，经计算，该斜拉杆承受的拉力Nmax=40.418kN。

可得σ=40.418×1000÷（3.14×10²）=128.72N/mm²。小于抗拉强度设计值270N/mm²，满足规范要求。

（2）耳板强度验算。

连接耳板采用两块100mm×90mm×8mm 的Q235钢板，如图6 所示。

图6 耳板焊接构造图

耳板承受最大拉力为40.418kN，每块耳板承受剪力为20.209kN。 故fv=20.209÷8÷（80-23.5）=44.71N/mm2＜=140N/mm2。耳板强度满足要求。

（3）上吊件螺栓强度验算。

采用1 根直径20mm 的普通Q235 的螺栓连接，该螺栓可直接承受连接件的剪切和拉应力，查《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）表4.4.6 螺栓连接强度指标，得4.8 级C 级普通φ20 螺栓的强度指标为：fvb=140N/mm2，ftb=170N/mm2，Nvb=140×3.14×10×10=43960N，Ntb=170×3.14×10×10=53380N。

该螺栓承受的最大设计剪力为36000N，拉力设计值为18330N，代入式（3），求得应力比为0.8879 ＜1。满足要求。

3 项目应用对比分析

根据悬挑脚手架斜拉支撑体系在工程实践中的应用，文章从安全性、经济性、适用性、绿色施工、建筑节能等方面将之与进行传统的悬挑外脚手架支撑体系对比分析。

3.1 安全性

（1）支撑体系的安全性：这两种脚手架支撑体系的安全性均能满足架体安全的需要。

（2）安装拆除的安全性：斜拉支撑体系由于结构构件较小，工人在进行安装拆除时，更加方便安全，减小了高处坠落的安全风险。

（3）对结构构件的完整性破坏：传统的悬挑型钢支撑体系在穿过剪力墙时，有可能对主体结构产性不利影响，破坏了主体结构完整性。

3.2 经济性

（1）用钢量：一般传统的悬挑型钢平均用钢量为76kg/根，斜拉支撑型钢用量为35.676kg/根，减少型钢用量约54%。

（2）后期封堵外墙成本：按60 元/处的工程直接计算，单栋住宅工程预留施工洞约500 处，可节约直接工程成本约3.0 万元。

（3）塔吊台班：采用斜拉支撑体系，垂直运输的塔吊台班仅需要1 小时/悬挑层，整体住宅完工台班用量不足2 个台班；而采用传统的悬挑支撑体系，型钢安装、拆除加上垂直运输至少需要15 个台班，按1000 元/台班计价（含人工费、塔吊租金、电费等），斜拉支撑体系可节约机械台班费用约1.3 万元。

（4）材料运输成本：斜拉支撑体系的运输量仅为传统型钢的一半，可节约运输成本约0.18 万元。

（5）安装拆除人工成本：斜拉支撑体系安装拆除时，仅需要2 人即可进行操作，而传统的悬挑支撑体系需要3 人，而且需要塔吊配合，每层悬挑可节约6 个工日左右，整栋住宅下来，可节约约30 个工日，按300元/工日计算，人工成本相对于传统支撑体系，可节约人工成本约0.9 万元。

（6）工期节约综合成本：采用斜拉支撑体系，可节约工期约20d，按5000 元/d 计，可节约工期综合成本10 万元。

合计节约工程直接成本约15.38 万元，节约成本占工程总造价的0.63%，而且还不考虑后期因预留施工洞封闭不到位造成外墙渗漏产生的维修增加的成本。

3.3 适用性

（1）模板完整性：悬挑支撑体系需要在模板上开口，而采用斜拉支撑体系只需要在螺栓预埋的位置钻孔即可，保证了模板的完整性。

（2）安装的便利性：采用斜拉支撑体系，安装和拆除时，两个人配合即可完成操作，悬挑支撑体系安装拆除时需要3 人操作，而且还要塔吊配合才能完成。

（3）对悬挑层地面、墙面工程的影响：采用悬挑支撑体系，楼地面和墙面不得不留下大量的收尾工作，现场卫生也不好清理。

（4）对楼梯间通行的影响：悬挑支撑体系，当悬挑型钢传楼楼梯间时，阻断上下交通，对通行不利；而斜拉支撑体系不存在此类问题。

（5）对材料堆场的影响：由于斜拉支撑体系型钢构件尺寸较小，如及时安排，几乎不占用施工场地，而悬挑支撑体系由于安装拆除的工期影响，不可避免存在短期内占用场地的现象，特别是后期拆除又需要在室外附属工程赶工的情况下，对场地的影响显得尤为突出。

3.4 绿色施工

采用斜拉支撑体系，用钢量仅为悬挑支撑体系的46%左右，且斜拉支撑体系的型材可以周转重复使用，可作为绿色施工技术之一，有利于节能减排。

3.5 对使用功能的影响

悬挑支撑体系破坏了外墙的完整性，存在外墙渗漏隐患；而斜拉支撑体系不存在此类问题。

4 结论

根据斜拉支撑体系在工程实践中的应用结果，通过与传统悬挑支撑体系的比较分析，可以清晰地看到，在高层建筑悬挑外脚手架采用斜拉支撑体系，具有明显的优势。具体而言：安全性方面，在保证架体安全的前提下，减少了安全事故隐患，降低了工程安全事故的风险；经济性方面，节约了工程直接成本；在进度上缩短了工期；适用性方面，操作简便，更利于安装拆除；使用功能方面，在施工工艺上彻底解决了传统悬挑支撑体系的外墙渗漏隐患；节能减排方面，因钢材用量大量减少，可节约大量能源，减少废弃物的排放，同时可作为绿色施工技术措施之一。

鉴于上述原因，大量推广建筑悬挑外脚手架斜拉支撑体系在工程实践中应用，具有十分重要的意义。