新型桁架式承重悬挑架在装配式建筑中的应用

王晓研，解 丹

(北京城建十六建筑工程有限责任公司，北京 100089)

0 引言

装配式建筑因具有部件化、工业化、产业化等特点深受国内建筑市场的认可，随着国家对装配式建筑支持政策的不断出台，装配式建筑的标准、技术、产品、监管等体系不断完善，其效益、质量及品质也不断加强。建筑方式的转变会带来施工技术的改变，预制构件工厂化无法采用传统现浇结构工字梁悬挑架的做法，因传统做法需预留较多孔洞，会影响整体装配式构件施工效率，大量的孔洞也会给装配式结构外墙保温、防水等造成不可避免的质量隐患，且传统工字梁锚固长度过长，阳角复杂。

针对装配式外墙防护，采用桁架式承重悬挑架，通过在预制外墙中预留螺栓孔洞，将三角架通过螺栓固定在预制外墙中，解决装配式墙体外防护问题。桁架式承重悬挑架体积小、用钢量少、质量小、搬运便利、安装及拆卸方便、工人劳动强度小，可减少塔式起重机工作量、提高工效、消除拆除安全隐患，产品质量可控、安全可靠性高、经济性高。但桁架式承重悬挑架应用于装配式墙体时，由于中间保温层对螺栓的承载力与现浇结构不同，存在复杂的受力关系，需对装配式外墙进行系统的计算与受力分析，同时结合现场使用及试验情况进行验证，确保这一体系在装配式外墙使用中的安全性。螺栓连接作为桁架式承重悬挑架的重要连接形式，很难预防或发现螺栓的疲劳破坏，需对螺栓重点受力部位加强关注与研究。

1 工程概况

某项目建筑功能主要为住宅、配套设施、幼儿园及地下车库。住宅采用装配式结构，地下2层，地上10～15层，钢筋混凝土预制构件包括3，4层以上外墙、部分内墙、叠合板、空调板、阳台板及楼梯梯段板等，钢筋混凝土结构预制率>40%，预制装配率>50%。

2 桁架式承重悬挑架体系

本工程以桁架式承重悬挑架作为外防护脚手架的基础，如图1所示。悬挑架为三角桁架结构，主材立杆采用□80×4，横杆、斜杆采用□70×4，腹杆采用□50×4，选用Q235B级钢材；钢管间采用焊接连接。悬挑架上部铺设I16，由穿墙螺栓固定在墙上，并采用U形筋固定型钢，为上部脚手架提供支撑。

图1 桁架式承重悬挑架

3 桁架式承重悬挑架加载试验

对悬挑架进行加载试验(见图2)，验证三角架加载值为设计使用荷载时混凝土夹心墙板外叶墙和窗洞附近混凝土的承载情况。考虑到窗洞附近是薄弱点，须验证悬挑架在常规安装距离范围内加载是否满足要求，因此设计2榀距混凝土夹心墙窗口底部400mm、水平两侧各100mm的三角架，2榀三角架水平间距为1 700mm，按上部承担4根(内、外立杆各2组)步距1 500mm、纵距1 500mm、横距900mm的8层脚手架立杆(218m)荷载计算(即纵向3m范围内总荷载)，考虑荷载基本组合值及重要性系数后取30kN。计划加载方案为：以6kN为荷载梯级逐级对称加载，接近极限后以3kN为梯级进行加载。实际加载方案为：0→24kN→30kN→36kN→42kN→52kN→64kN→76kN。每级荷载加载完毕后，静置一段时间，观测墙体、窗洞、三角架螺栓孔等荷载较大处的混凝土状况，重点关注是否出现裂缝及压溃情况。

图2 桁架式承重悬挑架加载试验

加载值为64kN时，在墙体、窗洞、三角架螺栓孔位置均未发现裂缝，且三角架未出现明显变形,说明三角架满足该使用条件，且存在一定的安全储备，满足规范要求的试验综合安全系数>1.5。加载至76kN时，外叶墙窗口两侧均发现开裂(见图3)。

图3 外叶墙窗口裂缝

三角架上部螺栓受拉力和竖向剪切力的共同作用，外叶墙在窗洞角落处因应力集中首先出现拉裂缝。螺栓在竖向偏心剪力作用下，螺栓孔靠近外侧局部会有较大压力，在竖向荷载作用下先出现裂缝。

4 螺栓在保温及外叶墙板悬挑150mm工况分析

4.1 装配式预制外墙概况

外墙采用预制混凝土夹心保温外墙板，内叶墙板为200mm厚C30混凝土，中间为90mm厚挤塑聚苯保温板，外叶墙板为60mm厚C30混凝土。本项目中应用于预制外墙板的不锈钢保温拉结件系统由承重拉结件和限位拉结件构成，外叶墙自重和地震荷载等由承重拉结件承担。承重拉结件规定塑性延伸强度(屈服强度)≥380MPa，抗拉强度≥600MPa；在内、外叶墙中锚固深度应≥50m。板型保温连接件剖面如图4所示。

图4 板型保温连接件剖面

4.2 螺栓在保温位置纯悬挑

1)选取最大反力点

该位置螺栓分担6根脚手架立杆传递的总荷载，约18.5kN。荷载基本组合(恒荷载组合系数1.3，活荷载组合系数1.5)下对应的螺栓反力值如表1所示，最大螺栓反力值拉力为37.17kN，剪力为23.19kN，螺栓拉剪组合验算为：

表1 各节点荷载值情况

2)螺栓悬挑模型

选取4.8级普通T30螺栓，假设螺栓与保温及外叶墙板及外叶墙板重叠部位存在150mm悬空，即保温不参与受力计算，建立螺栓悬挑模型如图5所示。边界条件为预制外墙构件中200mm厚混凝土内叶墙，螺栓受x，z2个方向(垂直螺栓方向)的位移约束，螺母受y方向(沿螺栓方向)位移约束。

图5 螺栓悬挑模型

螺栓等效应力计算结果如图6所示。由图6可知，考虑螺栓在保温及外叶墙板位置纯悬挑且不参与受力的情况下，螺栓最大等效应力为1 664.1MPa， 超过4.8级螺栓的强度(400MPa)。

图6 螺栓等效应力(单位：Pa)

4.3 改进分析模型

外叶墙板对螺栓提供支撑，荷载由拉结件传递给内叶墙。若按悬挑考虑，则螺栓强度不满足要求。若不考虑夹心保温板受力状态，即将螺栓中间90mm考虑为悬挑状态，则螺栓强度不满足要求。但实际上螺栓的受力条件不是纯悬挑状态，考虑到预制外墙实际由60mm厚外叶墙板、90mm厚保温板、200mm厚内叶墙板共同受力，通过保温连接件可将三者形成一个整体进行受力分析螺栓受力如图7所示。

图7 螺栓受力(单位：Pa)

带窗口板型不锈钢连接件布置如图8所示。根据连接件承载能力及其布置情况，墙板制作时采用160型、120型连接件作为竖向抗剪连接件，每块墙板布置2个抗剪连接件，考虑钢材抗力分项系数1.4，恒荷载分项系数1.3。对于160型连接件，其抗剪强度标准值为48.72kN，使用该连接件的最大墙板(2.89m×2.89m)为实心墙，其外叶墙自重为2.89×2.89×0.06×25=12.53kN，因此，单个连接件存在48.72/1.4-12.53/2×1.3=26.66kN的抗剪承载力储备；同理，对于120型连接件，其单个连接件承载力标准值为36.54kN，采用120型抗剪连接件的最大墙体为带窗洞墙，墙体尺寸为3.21m×2.89m，窗洞尺寸为2.1m×1.4m，其外叶墙自重为(3.21×2.89-2.1×1.4)×0.06×25=9.51kN，得单个竖向拉结件有36.54/1.4-9.51/2×1.3=19.92kN的抗剪承载力储备。综上，单个连接件有约20kN的抗剪承载力储备，每块墙板布置2个竖向受剪连接件，可提供足够的承载力。

图8 带窗口板型不锈钢拉结件布置

考虑外叶墙为60mm厚C30混凝土，根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》(2015年版)，其螺栓孔处局部抗压强度为1.35×1×1×14.3×30×60/1 000=34.75kN，大于为螺栓提供的支撑力23.74kN，外叶墙不会发生局部受压破坏。

5 桁架式承重悬挑脚手架优化方案

5.1 调整脚手架参数降低荷载

结合目前悬挑脚手架方案和受力模型分析情况，优化悬挑脚手架方案，减少脚手架部分荷载，降低三角桁架及穿墙螺栓的受力。计划将悬挑脚手架立杆横距从900mm调整为750mm，增大安全系数。

5.2 设置双道钢丝绳增加安全储备

取最不利位置及转角位置，即2.1m三角架采取加强措施，设置双道钢丝绳，其中1道作为安全储备，为避免螺栓在材料、荷载分布、应力幅度等因素下发生疲劳强度破坏，此处螺栓不周转使用。

5.3 增加对外挂架受力较大部位的监测

实际施工时，悬挑脚手架各部件可能存在计算模型和受力分析无法考虑的状况，在应力集中区域布置监测设备，对架体搭设过程中的架体挠度和螺栓拉力进行监测，并与数值模拟结果进行对比分析。监测测量精度可达0.005°，规范中型钢悬挑脚手架的设计挠度限值为1/250，即最大角度变形为0.23°，其测量精度可满足架体挠度的测量要求。

5.4 加强对墙体位移的监测

悬挑脚手架每层架体搭设后，针对三角桁架变形、螺栓松动等情况进行检查。同时加强对墙体位移的监测，确保混凝土结构安全。

6 结语

以桁架式承重悬挑架为研究体系，结合项目实际应用情况，从体系的工作原理、施工技术、螺栓受力等方面进行研究，通过对该体系进行试验分析、数值模拟、现场监测等，不断优化受力计算模型，使有限元分析趋于合理化，同时不断优化调整现场施工方案，使整体防护体系更加安全合理。实践证明，桁架式承重悬挑脚手架施工标准化、工具化，符合装配式建筑绿色施工要求，随着未来装配式建筑的不断发展，桁架式承重悬挑脚手架外墙防护结构在装配式体系中将具有广阔的应用前景。