悬挑脚手架在方案设计中注意的问题

高层建筑悬挑脚手架方案设计中存在的几个问题为满足结构施工和外装饰施工的需要，分段悬挑搭设的扣件式钢管脚手架应用得非常普遍，由于其对人员安全、施工质量、施工速度和工程成本以及邻近建筑物和场地都有着重大的影响，所以，悬挑脚手架施工方案是否完整、合理、可靠，是否能正确指导施工人员制作、安装、搭设悬挑脚手架，是确保架体安全的重要因素之一。因此对其悬挑结构的选型、脚手架的设计计算、构造与搭拆施工及使用管理都有着严格的要求。根据《危险性较大工程安全专项施工方案编制及专家论证审查办法》，悬挑脚手架必须编制专项施工方案。方案主要编制依据有《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130-2001（以下简称JGJ130-2001规范）、《建筑施工安全检查标准》JGJ59-99、《钢结构设计规范》GB50017-2003，以及地方标准等。施工方案应包括有设计计算书(包括对架体整体稳定性、支撑杆件的受力计算)，有针对性较强的、较具体的搭设、维护及拆除等安全技术措施，并应有平面、立面图以及节点详图。由于现在建筑施工企业技术人员一般使用PKPM或品茗等软件计算和编制方案，关于计算的详细内容本人不再赘述，本文仅就施工方案设计和施工时与构造措施有关的几个热点问题与广大同行进行探讨。一、关于悬挑结构的选型悬挑式脚手架的全部荷载最终都是通过悬挑结构传递给建筑结构，因此，悬挑式脚手架的关键是悬挑结构，它必须具有足够的强度、刚度和稳定性，并能与建筑结构可靠连接，以将脚手架的荷载安全地传递给建筑结构。悬挑脚手架按其受力型式分为悬臂式、斜撑式、斜拉式等三类。悬臂式，顾名思义，是直接在建筑结构上伸出型钢挑梁作为脚手架的支撑体系；斜拉式是在由建筑结构伸出的型钢挑梁端部加钢丝绳、圆钢或型钢材料进行斜拉，钢丝绳、圆钢或型钢另一端采用绳卡或焊接等方式固定到预埋在建筑结构内的吊环或预埋件上；下撑式是在挑梁端部下面加一斜杆支撑，支撑下部固定到建筑结构或预埋在建筑结构内的预埋件上。悬臂式结构由于受力体系简单，制作方便，应用较普遍。其他两类悬挑结构在实际工程中也有广泛的应用，但其受力体系及使用上各有特点：斜拉式悬挑结构的承载能力由受拉构件控制的，而下撑式悬挑结构的承载能力由下撑杆的受压稳定性控制。二、关于悬挑式脚手架的设计计算内容悬挑式脚手架的计算包括脚手架架体的计算和悬挑结构的计算两部分。1、根据JGJ130-2001规范要求，脚手架架体的计算要考虑的荷载恒荷载和活荷载。恒荷载一般包含：脚手架结构自重，包括立杆、纵向水平杆、横向水平杆、剪刀撑、横向斜撑和扣件等的自重；构、配件自重，包括脚手板、栏杆、挡脚板、安全网等防护设施的自重等。活荷载一般包含：施工荷载，包括作业层上的人员、器具和材料等的自重；风荷载等。其计算内容包括纵向、横向水平杆等受弯构件的强度和连接扣件的抗滑承载力计算；立杆的稳定性计算；连墙件的强度、稳定性和连接强度的计算；架体中受弯构件的变形验算等。2、悬挑结构的计算内容根据悬挑式脚手架的荷载传递途径，计算应包括：脚手架立杆底部型钢横担（如有设置）和悬挑梁型钢的计算（包括抗弯强度计算、抗剪强度计算、局部承压强度计算、整体稳定性验算和挠度计算）；斜拉式悬挑结构应包括钢丝绳拉索（作为卸荷作用）、圆钢或型钢等的抗拉强度计算；下撑式悬挑结构应包括下撑杆的强度和稳定性计算。3、悬挑结构与建筑结构的连接计算根据悬挑结构与建筑结构连接具体方式的不同，可能包括建筑结构混凝土的局部抗压验算；吊环的强度计算；螺栓或预埋构件焊缝连接部位的抗拉、抗剪计算等。三、关于悬挑脚手架搭设的高度悬挑脚手架施工方案编制的主要依据是JGJ130-2001规范，该规范对悬挑脚手架并没有限高的规定，而各地方的做法不尽相同，昆山地区考虑到风荷载较大缘故，一般规定每道型钢支承架上部的脚手架高度不宜大于20m。对于高层建筑而言，风荷载是重要的水平荷载，是使结构产生内力和位移的重要因素，对于外脚手架也不例外，随着高度的增加，风荷载的作用会逐渐增大，因此在分段悬挑时，应尽量使上一步悬挑高度小于下一步的，确保立杆的稳定性。建筑施工企业技术人员目前一般使用PKPM或品茗等安全计算软件编制方案，方案编制时一般先根据经验初步拟定每段悬挑脚手架的高度及各项参数，再核算外脚手架本身的力学性能，尤其要验算连墙件的受力情况，如不能通过验算，应逐个调整参数，继续验算直至强度、刚度、稳定性、节点强度等各项要求均满足。四、关于悬挑梁的截面选型悬挑脚手架应采用型钢制作的悬挑梁、悬挑桁架或附着式钢三角架，不得采用钢管。目前悬挑梁多采用普通工字钢或槽钢，由于普通工字钢具有双轴对称截面，受力明确，传力直接，得到广泛使用。对于型钢梁型号规格的选择，一般仅选择危险性较大的、悬挑构件荷载受力复杂且较大的有代表性的几根悬挑梁进行验算，通常选择转角、阳台、飘窗及采光井等悬挑长度较长、构件受力较大的部位，尤其是要注意在阳台等悬挑结构部位，由于阳台有5cm的室内外高低差，此时悬挑构件的支点应设在承重的结构挑梁上，所以该处悬挑构件的悬挑长度往往较大。在建筑物的阳角处，型钢梁悬挑长度并不一定是最长的，但此处是两侧立杆的交汇点，有可能采用横担的方式传力，其承受的荷载比较大，且不易固定，所以，转角等特殊部位应根据现场实际情况采取加强措施，并且在专项方案中应有验算和构造详图。五、关于斜拉式悬挑结构能否采用钢丝绳的问题一些专业脚手架公司的搭设人员认为脚手架的大部分荷载是可以由钢丝绳来承担的，钢丝绳可以作为斜拉式悬挑结构的主要受力构件。但本人认为钢丝绳作为柔性材料，斜拉钢丝绳如果作为主要受力构件，则存在以下一些问题：1、钢丝绳是否承担荷载，以及承担荷载的多少不易确定。钢丝绳的伸长率大与悬挑型钢的变形不匹配，当钢丝绳达到设计抗力时，悬挑脚手架挑梁早已挠度变形过大，处于不稳定状态了，即使采用调紧装置，也难以保证各根钢丝绳都能按照设计意图均衡受力。在斜拉式悬挑脚手架实际搭设和使用过程中，我们经常发现钢丝绳受力时的张紧程度并不一致，说明各绳受力的大小不一样。如果按简支结构作为计算模型，以钢丝绳的破断拉力作为极限荷载，这样选择的悬挑型钢偏小；但如果完全按悬挑结构计算，选择的型钢则很大，造成了很大的浪费；如果考虑型钢梁和钢丝绳各承担一部分荷载，对钢丝绳的极限荷载进行折减，如折减30%～40%，但这很难进行理论计算和试验测定。两种力学模型的计算简图见图1a、b。（F3为钢丝绳受力）图1斜拉式悬挑架计算简图2、偏心问题。由于构造原因，钢丝绳受力后拉结点往往偏于型钢的一侧，脚手架立杆位置一般设置在型钢截面中心，两者之间存在一定偏心距，使悬挑构件产生平面扭转；由于各悬挑构件一般情况都是独立的受力体系，相互之间未采用纵向连系杆连接，当脚手架钢管立杆安装位置出现不利偏差时，这种影响将更大。3、固接端断丝问题。钢丝绳的直径一般在12~18mm，有的甚至更粗，实际安装时，为保证采用调紧装置的拉直效果，固接端钢丝绳弯曲半径往往设置过小，钢丝绳受力后容易在固接端处出现断丝过多的情况，使实际承载力下降。4、钢丝绳是一种柔性材料，当悬挑脚手架受建筑物周围环境和遇到台风、龙卷风等恶劣天气等的影响，产生向上的翻流作用时，是不能保证悬挑结构几何不变的，即使出现轻微的浮（振）动，对悬挑脚手架而言也是极其危险的。5、由于斜拉钢丝绳的设置要等上一层（锚固部位）楼面结构混凝土强度达到要求时才能设置，当采用纯斜拉式结构悬挑脚手架时，将出现上部脚手架搭设滞后的问题。因此，在高层悬挑脚手架的设计时，一般悬挑架计算时悬挑型钢和钢丝绳的受力是分开计算的，悬挑型钢能够独立承受外架的受力。钢丝绳等柔性材料作为受拉构件，仅可以作为一种安全储备构件来计算，钢丝绳在计算时是能够独立受力的，避免悬挑型钢在某种情形下失效后出现外架倾覆的危险，受条件限制，必须采用斜拉式悬挑脚手架时，宜采用圆钢或型钢等材料制作刚性斜拉构件。六、关于型钢悬挑构件室内长度和末端的固定方法我们一般设计悬挑架的钢梁的锚固长度时，室内长度一般设计为悬挑长度的1.5-2倍。但是对于部分比较特殊的脚手架，比如在转角、阳台、栏杆等水平高低处，由于支点搁置部位的影响，使得一些构件的实际悬挑长度往往过大，假如悬臂达到3米的话，那室内的锚固长度就最少4.5米，此时由于室内空间限制，根本达不到末端长度的要求。本人认为，方案设计时不必过于强调1.5倍或2倍的束缚，只要通过验算，适当增加锚固和斜撑，使悬挑梁锚固措施及混凝土强度能够满足要求，就是安全的。型钢悬挑构件室内末端与主体混凝土结构的固定一般可采用两道预埋螺栓固定、钢筋拉环锚固等方法，在阳角等特殊部位亦可采用将型钢直接预埋在混凝土墙板和柱内，连接强度应经计算确定，为保证锚固的可靠性，不得采用扣件连接。当采用钢筋拉环锚固时，拉环应锚入楼板30d，并压在楼板下层钢筋下面。如不能保证钢筋的混凝土保护层厚度，也可以将拉环压在楼板下层钢筋上面，同时在拉环上部两侧各附加两根直径14～16的钢筋，并与楼板钢筋绑扎牢固，以确保拉环不会从混凝土楼板中拔出。图2所示为几种常见的固定方法。a)预埋螺栓固定b)钢筋拉环锚固（拉环压在楼板下层钢筋下面）c)钢筋拉环锚固（拉环压在楼板下层钢筋下面）d)钢筋拉环大样图2型钢梁与主体混凝土结构的固定方式七、关于连墙件的设置根据JGJ130规范规定，连墙件宜靠近主节点设置，偏离主节点的距离不应大于300mm，在实际施工中并不易实现。施工方案一般按两步三跨或两步两跨设置，脚手架的步距一般为1.5m～1.8m，为了方便施工人员行走，通常采用1.8m，由于层高很难与步距的整数倍匹配，因此连墙件的位置有可能会在洞口等无法设置的地方。编制人员在计算时应考虑此问题，避免出现无法固定的情况，给架体的稳定带来隐患。由于高层结构很多采用剪力墙结构，连墙件可以利用剪力墙模板固定留下的对穿拉杆孔洞来进行加固处理。根据JGJ130规范第6.4.2.4条“一字型、开口型脚手架的两端必须设置连墙件，连墙件的垂直间距不应大于建筑物的层高，并不应大于4m（两步）。”、第6.6.3.2条“一字型、开口型双排脚手架的两端必须设置横向斜撑。”等强制性条文要求，现场施工升降机、工具式脚手架、悬挑接料平台等开口处往往存在较多的安全隐患，编制人员在编制方案时应考虑此问题，并将此类问题单独考虑，合理安排开口部位，同时应绘制详图，重点说明。抗风涡流的措施在施工方案中也是经常被忽略的，JGJ130-2001规范中的6.4.7条“架高超过40m且有风涡流作用时，应采取抗上升翻流作用的连墙措施”，但具体应采取什么连墙措施来抵抗上升翻流作用呢？客观地说，落实该条规定有一定的难度。风涡流产生的原因很复杂，在不同建筑物的不同平、立面产生的作用力大小不同，在不易定量分析计算的情况下可采取如下预防措施：在与连墙杆对应的外立杆处设置刚性斜拉杆与上层主体结构的预埋件连接或将连墙件的间距加密。根据本地区的实际情况，一般采用“U”卡和螺栓搭配使用的方式来设置预埋式的刚性连墙件，由此从根本上杜绝了钢管扣件式连墙件容易被拆除、易松动、扣件抗滑力不足等缺点。八、关于主体结构相关位置的承载力验算型钢梁固定在主体结构上，脚手架上的荷载通过型钢梁传到支承的结构构件上，如果外脚手架悬挑太高或型钢梁悬挑太长，该荷载超过了型钢梁的支承构件的承载能力，将会引起构件的损伤或破坏，将导致外架的失稳和垮塌。但在施工方案中却经常忽略对支承结构构件的验算。型钢梁支承在梁、楼板或墙上。对于墙，一般认为可以不再验算，对于梁、板，则需要验算其强度和刚度，验算内容包括：支承点混凝土的抗弯、抗剪、抗扭、局部承压承载力，如采用钢筋拉环，还应验算混凝土的抗拔承载力。如不满足承载力的要求，应降低悬挑脚手架的高度，或者对结构构件进行加强。九、关于保证水平方向稳定的构造措施限制脚手架的侧向变形、保证脚手架的侧向稳定也是施工中应注意的问题。一般情况下，按规范要求设置剪刀撑、纵向和横向扫地杆，能很好的限制脚手架的侧向变形，起到保证脚手架侧向稳定、加强脚手架整体性的作用。但在基本风压较大和台风地区，除设置剪刀撑、纵向和横向扫地杆外，