超高盘扣式脚手架数值模拟与方案对比分析

严再春 杨锲的

1. 上海建工集团股份有限公司 上海 200080；2. 上海市建筑装饰工程集团有限公司 上海 200072

作业脚手架是为施工方便而搭设的临时性架体，通常应用于外墙、内部装饰等层高较高且无法直接施工的地方。在我国大规模新建和改建项目实施过程的同时，脚手架行业也在不断发展和革新。由20世纪50年代木脚手架到80年代钢管脚手架，脚手架种类有门式脚手架、扣件式脚手架、盘扣式脚手架、碗扣式脚手架、悬挂式脚手架等多种类型。承插型盘扣式钢管脚手架因其经济合理、设计简单、拆装灵活、自重小、安装效率高、结构体系可靠等优点在越来越多的建筑工程中使用。

我国现行规范指出，承插型盘扣式钢管支架搭设双排脚手架搭设高度不宜大于24 m。脚手架通过连墙件依附于刚度足够大的建筑主体结构，保证脚手架侧向稳定，确保脚手架整体稳定和使用安全。因此，连墙件计算是脚手架计算的重要内容，连墙件为承受水平力作用的支座，建筑主体结构为提供支座的主体。另一方面，随着建筑高度和脚手架高度的增加，脚手架受风荷载影响增加迅速[1-7]。

上海展览中心修缮工程作业脚手架高60 m，脚手架依附的主体结构为建于1955年的钢塔，此类结构体系在实际工程中较为少见，不能按常规脚手架进行验算。本文首先进行脚手架选型，再通过Midas Gen有限元分析软件，考虑钢塔和脚手架共同作用，对不同脚手架搭设方案的受力性能和结构安全进行分析，为脚手架的搭设和方案优化提供数值依据。并在此基础上，针对不同风荷载作用提出相应措施以保证整个结构安全可靠。

1 工程概况

上海展览中心始建于1955年，序馆共14层，顶部冠以鎏金钢塔，塔顶装饰红五角星。现鎏金钢塔年久失修已影响建筑外观风貌，需搭设作业脚手架以重新修缮，作业脚手架搭设于11层平台，搭设范围如图1所示。钢塔底座固定于13层楼面，总高约53.5 m，钢塔平面形式主要为正八边形。整个钢塔外包钢板，钢板厚均为6 mm。每节钢塔上下两端设有水平环形钢板，钢板厚10～15 mm。

图1 脚手架搭设范围示意

2 脚手架选型与设计

2.1 工程特点分析

1）作业脚手架总高60 m，属于危大工程，且支撑于原结构屋顶平台，连墙件不能直接与钢塔相连。

2）工程施工周期6个月，时间紧迫，任务重。

3）本作业脚手架为外脚手架，仅为修缮作业，受施工荷载影响小，受风荷载影响大。

2.2 脚手架选型

根据以上工程特点，本工程采用承插型盘扣式钢管脚手架，它采用套管式插管连接，水平杆和斜杆通过杆端扣接头卡入8孔连接盘，用楔形插销连接，整体视为多层多跨空间框架结构，其优点体现在以下几个方面：

1）杆件主要以受拉、受压，以及插座跟插头之间受剪的形式为主，节点连接安全可靠，脚手架形成良好的空间受力体系，可以同时抵抗竖向和水平荷载。

2）连接盘固定在杆件上，零件不易丢失，装拆方便，可以大大提高搭设效率，节约施工工期。

3）立杆采用Q345A钢，水平杆采用Q235A钢，承重力大，质量轻。

2.3 脚手架设计方案

脚手架总高60 m，底部标高50.00 m，平面为正方形，底部中空沿序馆外围搭设。立杆规格为φ48 mm×3.2 mm，水平杆规格为φ42 mm×2.5 mm，斜杆规格为φ33 mm×2.3 mm。脚手架自下而上步距均为2 m，每跨均布置斜杆，上部设水平剪刀撑形成环形抱箍与钢塔相连。本文选用3种搭设方案进行对比，搭设方案如图2所示。

图2 脚手架搭设方案

方案1：脚手架体系共分为3级，第1级底部外围边长17.7 m，内围边长9.9 m，高24 m，单侧设4排立杆，脚手架内围向上随主体结构逐渐内缩，局部支撑在标高58.80 m和66.30 m上，纵横向各布置15跨，采用模数1.5、0.9、0.6 m；第2级平面为边长11.7 m正方形，高6 m，11跨，纵、横距模数同第1级；第3级平面为边长3.9 m正方形，高30 m，3跨，高宽比为7.7。

方案2：在方案1的基础上增加1级，第1、2、4级同方案1。第3级平面为边长6.9 m正方形，高10 m，5跨，纵、横距采用模数1.5、0.9 m；第4级高20 m，高宽比为5.1。

方案3：在方案2的基础上，脚手架平面变截面处增设外斜支撑杆，外斜支撑杆为φ48 mm×3.2 mm。

3 数值模拟与分析

3.1 计算分析

通常，作业脚手架通过连墙件依附于主体结构上，立杆与水平杆组成桁架共同承担荷载。我国现行规范采用单杆铰接计算理论，即假定杆件节点为理想铰接，连接点为铰接点，无滑移、无刚接影响，立杆按连墙件为支点的竖向多跨连续桁架梁考虑，以单根杆件计算形式验算脚手架整体稳定承载力。横杆在结构体系中不受力，仅减少立杆有效长度。上述基本假定依靠连墙件、水平杆、剪刀撑（斜撑杆）、扫地杆的构造设置满足。忽略脚手架空间整体作用，把空间体系转化为平面体系计算。

本工程脚手架总高60 m，底部和上层局部立于原结构，最大净高43.7 m（无竖向支撑），上部与钢塔相连的剪刀撑可为脚手架提供侧向支撑。钢塔本身是对风荷载比较敏感的竖向细长悬臂型结构，不能提供固定无侧移支撑，需考虑脚手架和钢塔的相互作用。另一方面，我国现有脚手架规范中未把风荷载列入水平杆强度的设计荷载中，将水平杆件的抗弯强度、节点连接强度和连墙件强度列入脚手架计算范围。为确保脚手架体系的抗侧能力，对斜杆提出构造要求，未对斜杆进行力学计算。因此，本文脚手架体系不能根据规范按常规作业脚手架进行验算，可按多层多跨空间钢管框架进行分析。

3.2 基本假设

为便于计算，本文数值模拟基于假设条件有：立杆、水平杆和斜杆相交于一点，忽略竖向荷载偏心作用；立杆为刚性杆，水平杆、斜杆、支撑杆与立杆之间为铰接；不考虑构件的初始缺陷（初始弯矩、锈蚀、断面偏差等）；忽略杆件扭转效应对结构整体稳定的影响。

3.3 建立模型

采用有限元分析软件Midas Gen建立模型。

3.3.1 单元类型

采用梁单元和板单元这2种类型，其中脚手架立杆、水平杆、斜杆、支撑杆和钢塔主梁均采用梁单元模拟，钢塔面板采用板单元模拟。

3.3.2 材料

立杆和外斜支撑杆为Q345A钢，水平杆为Q235B钢，斜杆为Q195钢，钢塔梁、柱、板均为Q235钢。钢材弹性模量为2.06×105N/mm2，泊松比为0.3，密度为7.85×103kg/m3。

3.3.3 边界条件

1）脚手架底部三向铰接，上部节点根据与序馆搭设的实际情况按单向或双向铰支模拟。

2）钢塔底部按固结模拟。

3）脚手架与钢塔按弹性仅受压连接模拟。

3.3.4 荷载及荷载效应组合

本文主要考虑结构永久荷载、施工荷载和风荷载，不考虑地震荷载和偶然荷载作用。

1）永久荷载，主要包括脚手架构件自重和安全网、脚手板、栏杆等附件自重。

2）施工荷载，脚手架仅作为钢塔维修使用，维修施工阶段人员只需简单工具就能完成相应工作。为满足安装需要、塔身镀金铜板分块拆卸与安装，简单人力能满足搬运和安装需求。脚手架除自重外需要承担的外部荷载不大，本文根据现场实际情况，施工荷载参照相关规范按2层作业层2 kN/m2取值（装饰装修作业）。

3）风荷载，钢塔对风荷载较敏感，脚手架顶部标高110 m，风压高度变化系数根据实际离地面高度取值。钢塔和脚手架为高耸结构，考虑第一振型影响计算风振系数。

我国相关规范要求六级及以上强风天气停止架上作业，根据现场实际情况和施工安排，计算工况分为六级风载作用、十年重现期风载作用这2种工况。

1）六级风载作用：风荷载按六级风（风速最大值13.8 m/s）计算，基本风压取0.12 kN/m2。带密目网的脚手架结构风荷载体型系数取值1.3，不计钢塔风荷载效应，考虑施工荷载作用。

2）十年重现期风载作用：基本风压按0.4 kN/m2取值（临时设施，十年重现期），脚手架风荷载体型系数按多榀桁架计，考虑钢塔风荷载效应，不考虑施工荷载作用。

计算规范结合GB 50017—2017《钢结构设计标准》和JGJ 231—2010《建筑施工承插型盘扣式钢管支架安全技术规程》，荷载效应组合和计算项目如表1所示。

表1中，计算构件承载力时，当永久荷载效应对结构不利时，永久荷载的分项系数分别取1.3；当永久荷载效应对结构有利时，取1.0。施工荷载和风荷载的分项系数取1.5，荷载调整系数取0.9。计算结构位移时，各类荷载分项系数均取1.0。作业脚手架搭设高度大于40 m，安全等级为Ⅰ级，结构重要性系数取1.1。

表1 荷载效应组合和计算项目

3.4 计算结果与分析

经建模分析后，计算结果如表2所示，构件稳定性验算均由程序自动计算完成。

表2 数值模拟结果

1）方案1：立杆最大拉力13.9 kN，大于承插式连接立杆连接节点受拉承载力设计值15 kN/1.1＝13.6 kN，不满足要求。

2）方案2：立杆组合应力为－73.4～52.5 MPa，水平杆组合应力为－71.0～75.2 MPa，立杆最大拉力11.9 kN，杆件承载力满足要求。

3）方案3：立杆组合应力为－74.3～46.1 MPa，水平杆组合应力为－71.0～73.9 MPa，立杆最大拉力8.5 kN，杆件承载力满足要求。

4）方案3与方案2对比：在方案3中，立杆最大组合应力和最大拉力分别为46.1 MPa和8.5 kN，比方案2分别减少12.2%和28.6%；斜杆最小组合应力和最大组合应力分别为－60.1 MPa和37.7 MPa，比方案2分别减少3.2%和16.6%；顶部位移22.6 mm，比方案2减少19%。方案2和方案3脚手架上部34 m的立杆组合应力分布如图3所示。由图3中可以看到，脚手架顶部34m的立杆组合应力最小值和最大值，方案2分别为－52.5 MPa和71.3 MPa，方案3分别为－46.1 MPa和65.1 MPa，方案3比方案2分别减少13.8%和9.6%。经过方案3和方案2的构件受力、顶部位移对比分析可以得到，方案3的结构受力更均衡，结构体系更加合理。

图3 脚手架顶部34 m立杆组合应力云图

5）方案3在十年重现期风载作用。在基本风压为0.4 kN/m2的情况下，方案3中立杆最大拉力为20.8 kN，大于承插式连接立杆连接节点受拉承载力设计值15 kN/1.1＝13.6 kN，杆件稳定性验算不满足要求。

3.5 方案3控制要素分析

常规脚手架杆件稳定条件是检验和校核体系安全的控制因素，本文中脚手架受水平荷载影响大。现分别就节点拉力和立杆稳定性为控制要素，以六级风荷载（基本风压0.12 kN/m2）为单位荷载，单位荷载的倍数为荷载系数，计算不同荷载系数工况下结构的受力情况。

3.5.1 以节点拉力为控制要素

在不同荷载工况下立杆节点最大拉力如表3所示。六级风荷载作用下，节点最大拉力8.5 kN，当六级风荷载增大10%时，节点最大拉力12.7 kN，较六级风荷载增大48.9%；六级风荷载增大40%时，节点最大拉力增大105%。由此可见，立杆节点最大拉力对风荷载较为敏感。六级风荷载系数1.16时，立杆最大压力13.6 kN，达到节点受拉承载力设计值，对应风压0.139 2 kN/m2，风速14.9 m/s，属于七级风（13.9～17.1 m/s），此时，可以采取局部加强节点等措施以增加结构安全性。

表3 不同荷载系数作用下立杆节点最大拉力

3.5.2 以立杆稳定性为控制要素

在不同荷载工况下，立杆稳定性验算系数如表4所示。

表4 不同荷载系数作用下立杆稳定性验算系数

六级风荷载作用下，立杆稳定验算系数为0.663，小于1.0。当六级风荷载增大60%时，立杆稳定验算系数为0.993，接近1.0，对应风压0.19 kN/m2，风速17.53 m/s，属于八级风（17.2～20.7 m/s），此时结构易发生失稳破坏，可采用缆风绳、增加剪力撑等措施进行加固，必要时可拆除部分密目网卸除部分风荷载，以确保脚手架安全。

4 结语

1）通过理论分析和有限元模拟可知，方案3在正常施工条件下构件的强度和稳定性均满足规范要求。在施工期间，本作业脚手架顶部实测最大风速为11.28 m/s，属六级强风，结构安全可靠。

2）室外高耸或塔型作业脚手架对于风荷载较敏感，控制结构高宽比是首要任务，在变截面处增加斜杆有助于减小构件应力，均衡结构内力分布。

3）室外作业脚手架与刚度较大结构进行可靠连接，可以大大减小杆件受力，减少风荷载影响，增加作业脚手架搭设高度。建议在类似工程，作业脚手架体系应尽可能与周边刚度较大结构进行可靠连接。