新型外脚手架连墙件的对比分析与计算应用研究

斯旭东

(上海殷行建设集团有限公司，上海 200082)

0 引 言

自20世纪80年代以来，我国的建筑工程领域开始大量使用扣件式钢管脚手架，经过数十年的发展，各种形式的脚手架在中国建筑工程市场各自发挥了巨大作用，归结起来，目前市场上约70%为扣件式钢管脚手架，还有各地方大力推广的诸如碗扣式脚手架、盘扣式脚手架等，剩下的就是应用在少数特殊领域的传统竹木结构脚手架。不管何种类型的脚手架，作为建筑工程外脚手架使用时，达到一定搭设高度，必须使用连墙件将架体与建筑结构可靠相连，以保证外脚手架的结构安全和稳定。连墙件是保证架体侧向稳定的重要构件，是作业脚手架设计计算的主要假定条件，对作业脚手架连墙件设置做出规定的目的是控制作业脚手架失稳破坏形态，保证架体达到专项施工方案设计规定的承载力。

连墙件的重要性显而易见，尤其是近十年来全国各地高层建筑如雨后春笋一般拔地而起，脚手架受到的水平方向拉力和压力随着高度的增高而不断增加。在混凝土结构施工阶段，外围护墙往往尚未施工，结构为敞开状态，再加上外脚手架的密目安全网等因素，造成了结构施工阶段外脚手架受到的水平风荷载较大。

国内外发生的单排或者双排脚手架倒塌事故，基本上都是由于连墙件设置不足或者被拆掉而未及时补救引起的。因此，连墙件的计算是扣件式钢管脚手架计算的重要部分。

1 连墙件的常见形式及优缺点

1.1 预埋钢管刚性连墙件

1.1.1 构造形式

预埋钢管刚性连墙件为最常见也是使用最普遍的连墙件形式，一般做法：将长约500 mm的钢管预埋于结构最外边的梁内，用短钢管将外脚手架与预埋钢管扣件连接，如图1所示。

图1 预埋钢管连墙件大样图

1.1.2 优点分析

预埋钢管连墙件的主要优点：

(1) 构造简单，易于操作，因为采用了与外脚手架相同的材料，通用性强，对于外围不规则结构有着较好的适应性。

(2) 安全性好，只要按照要求拧紧的直角扣件，其抗滑承载力能够满足大多数情况下风荷载产生的压力和拉力。

1.1.3 缺点分析

相较于预埋钢管连墙件的主要优点而言，其缺点也很明显：施工后期拆除、修补耗时耗力，每个连墙件都会在外墙上形成一个较大的孔洞，在墙体施工过程中无法封闭，等到外架拆除时，需要先将预埋的短钢管用氧气乙炔割除，再封闭外墙孔洞，然后粉刷连墙件处的外墙面，最后挂网施工外墙腻子、涂料。由上述可知，每个连墙件孔洞可谓是麻雀虽小，五脏俱全，外墙的每一道施工工序都不能落下。而在外架拆除阶段，受制于工期及安全因素，这么多的工序往往是一两天内就要完成的，从而导致连墙件孔洞处墙体材料不密实，很容易形成外墙渗漏点。而外墙的渗漏对工程后期的保修非常不利，需要耗费大量的人力物力。

1.2 软拉硬撑连墙件

1.2.1 构造形式

软拉硬撑式连墙件通过柔性材料(如钢丝绳)承受外脚手架的拉力，通过刚性材料(如钢管)承受外脚手架的压力。软拉硬撑式连墙件适用范围：不适宜预埋钢管的外脚手架、构造简单，高度较低的外脚手架。该种形式的连墙件在实际工程中运用不多。其构造形式如图2所示。

图2 软拉硬撑式连墙件大样图

1.2.2 优点分析

软拉硬撑连墙件的主要优点：无须在结构梁中预埋钢管，所以也就不需要在拆除外脚手架时修补外墙，对于预防外墙渗漏是有利的。

1.2.3 缺点分析

软拉硬撑连墙件的主要缺点：

(1) 因该形式的连墙件将抗拉和抗压分置于钢丝绳和钢管，其安全性能相对不足，所以适用场景有限制，只能应用于高度较低、较为简单的外脚手架。

(2) 操作便利性不足。每个连墙件需要在混凝土结构中施工膨胀螺栓，调整钢丝绳的长度及卡扣，再加上短钢管顶撑。

1.3 抱箍式连墙件

1.3.1 构造形式

抱箍式连墙件是将外脚手架与结构框架柱以钢管抱箍的形式相连接。适用范围较少，主要适用于超高结构，无法将钢管预埋于梁内的情形。其构造形式如图3所示。

图3 抱箍式连墙件大样图

1.3.2 优点分析

抱箍式连墙件的主要优点：

(1) 安全性好，其结构基本上等同于预埋钢管连墙件，能充分发挥钢管的抗拉和抗压能力。

(2) 施工灵活，在部分超高结构中，往往没有结构梁可用于外脚手架的连墙件预埋，采取抱箍式连墙件是个很好的选择，高低调节也很方便。

1.3.3 缺点分析

抱箍式连墙件的缺点基本上跟预埋钢管连墙件大同小异，都需要在外围护墙体施工时预留连墙件孔洞，待外脚手架拆除时才能补上孔洞，留下了外墙的渗漏隐患。抱箍式连墙件在施工便利性上也略显不足，抱箍的施工较为烦琐。

1.4 后置螺栓连墙件

1.4.1 构造形式

后置螺栓连墙件采用端部焊接了钢板的短钢管作为连墙件，用预埋螺栓或穿梁螺杆将连墙件固定于混凝土结构上。后置螺栓式连墙件的适用面较广，只要是混凝土结构基本上都能适用。其构造形式如图4所示。

图4 螺栓式连墙件大样图

1.4.2 优点分析

后置螺栓连墙件的主要优点：

(1) 克服了预埋钢管连墙件、抱箍式连墙件需要在外墙预留孔洞的不足，有效消除了因外脚手架引起的外墙渗漏隐患。

(2) 适用面较广，只要是混凝土结构均可适用，施工灵活。

1.4.3 缺点分析

后置螺栓连墙件的缺点：

(1) 工序复杂，需要焊接钢板，钢板上开螺栓孔，膨胀螺栓钻孔等工序，也导致成本较高，相较其他形式连墙件不够经济。

(2) 安全性受限制因素较多，膨胀螺栓的施工质量、数量等因素都会影响到连墙件的抗拔作用力。

2 预埋扁铁式连墙件

本文着重介绍的连墙件形式为预埋扁铁式连墙件，该形式的连墙件结合了上述几种连墙件的优点，在保证连墙件抗拉和抗压承载力的同时，兼顾了施工便利性、经济性，同时也消除了因外脚手架连墙件引起的外墙渗漏隐患。

2.1 预埋扁铁式连墙件的构造及主要优点

2.1.1 构造形式

预埋扁铁式连墙件的构造简单，由一根400 mm长的40×4镀锌扁铁和短钢管组成。镀锌扁铁端部开孔，直径12 mm，将扣件的螺栓穿过镀锌扁铁预开孔洞，从而将镀锌扁铁和短钢管连接起来。为保证镀锌扁铁的锚固性能，将扁铁弯折90°，在结构施工时，将扁铁连墙件预埋至结构梁内。待结构达到50%强度，将连墙件与外脚手架相连。短钢管顶紧结构面，承受水平压力，镀锌扁铁承受水平拉力。其构造形式如图5、图6所示。

图5 连墙件大样图

图6 连墙件大样图(局部放大图)

2.1.2 优点分析

预埋扁铁式连墙件的优点：

(1) 扁铁预埋于结构梁上侧角部，既不影响梁侧模支模，也不影响外围护墙施工，无须在连墙件处留孔，从根本上消除了因外脚手架引起的外墙渗漏问题。

(2) 施工便利，灵活方便：扁铁的加工只需要切割和钻孔；结构混凝土浇捣前固定于梁侧模板；外脚手架搭设时可将连墙件直接相连，无须其他工具；拆除外脚手架时用手持切割机将外露的扁铁割除即可。

(3) 安全性好。短钢管和扁铁的抗压抗拉强度能够抵抗绝大多数工程情况下的水平风荷载作用力。

(4) 通用性强。只要是钢筋混凝土结构，均可采用预埋扁铁式连墙件。

2.2 预埋扁铁式连墙件受力计算

下面以本人亲历的上海市浦东新区曹路基地南扩区B07-03地块配套初中工程为例，对预埋扁铁式连墙件各项受力性能进行计算论证。

2.2.1 工程概况

曹路基地南扩区B07-03地块配套初中工程位于上海市浦东新区曹路镇，东面为B07-04地块，西临龚华路，南临秦家港路，北面为已建高层住宅小区。本工程由一栋教学楼、一栋综合楼、一栋体育馆、一栋实验楼以及连廊、门卫、垃圾房、变电站组成。各子项技术指标见表1。

表1 子项技术指标

本工程建筑设计施工年限50年，抗震7度设防，按照绿色建筑一星级设计。1#连廊为短肢剪力墙结构，抗震等级三级，其余各建筑单体均为框架结构，教学楼、综合楼、实验楼、体育馆及2#连廊抗震等级为二级，门卫、变电站和垃圾房抗震等级为三级。工程基础采用桩基+承台形式，无地下室。

2.2.2 稳定性验算

(1)基本参数计算：

采用的连墙件为40×4镀锌扁钢、钢管为48×3.2，均为Q235材质，抗拉、抗压强度设计值f=205 N/mm2

① 连墙件风荷载标准值计算(按脚手架顶部高度计算)

水平风荷载标准值为：

Wk=0.7μzμsω0

(1)

式中查表可得：

μz=0.92，μs=0.693，ω0=0.55

故:

Wk=0.7×0.92×0.693×0.55=0.245 kN/m2

每个连墙件的覆盖面积内脚手架外侧的迎风面积为：

Aw= 4.5×3.8=17.1 m2

风荷载产生的连墙件轴向力设计值为：

Nlw=1.4WkAw

=1.4×0.245×17.1=5.87kN

(2)

根据《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ 130-2011),连墙件约束脚手架平面外变形所产生的轴向力为：

N0= 3.0 kN

连墙件轴向力设计值:

Nl=Nlw+N0=5.87+3=8.87 kN

② 镀锌扁钢开孔处抗拉强度验算：

开孔处截面面积：

Ac=(40-12)×4=112 mm2

镀锌扁钢抗拉强度为：

σ=Nl/Ac≤0.85f=174.25 N/mm2

(3)

σ= 8 870/112=79.20≤174.25

故：镀锌扁钢开孔处抗拉强度满足要求。

(2)镀锌扁铁锚固长度验算：

近似法：镀锌扁铁截面积为40×4=160 mm2，近似于φ14圆钢截面积，将镀锌扁铁近似于φ14圆钢进行锚固长度La1验算：

(4)

(3)握裹力计算法：

按照镀锌扁钢与混凝土水泥浆之间的握裹力计算锚固长度：

需要满足：

Asf≤S×u×La2

(5)

式中：u为混凝土对镀锌扁钢的平均握裹力，取混凝土标准抗压强度的10%，即3N/mm2;S为镀锌扁钢周长。

(6)

锚固长度取max{La1,La2}=132 mm

实际采用锚固长度250 mm>132 mm，故：锚固长度满足要求。

(4)短钢管抗压稳定性验算：

Nl/φA≤0.85f=174.25 N/mm2

(7)

由长细比l/i=400/15.9的结果查表得到φ=0.949；

A=4.5 cm2

故：短钢管稳定性满足要求。

(5)扣件抗滑承载力验算：

扣件抗滑移应满足：

Nlw≤Rc

(8)

式中：Rc为扣件抗滑移承载力设计值，直角扣件取8.0 kN。

Nlw=5.87 kN<8.0 kN

故：扣件抗滑承载力满足要求。

3 结论与建议

总结起来，以安全性、施工便利性、外墙渗漏隐患、适用范围以及经济性五个方面分别评价各个形式的外脚手架连墙件，按照一般、较好、好三个评价标准，评价结果见表2。

表2 外脚手架连墙件评价表

从表2看出，预埋扁铁式连墙件在各项评价指标中均有较好的表现，作为外脚手架连墙件有较好的优势，可以为施工单位提高施工效率，减少因外脚手架连墙件引起的外墙渗漏等质量通病，节省了工程成本。预埋扁铁式连墙件是建筑工程外脚手架搭设提质增效的有力工具。