工字钢悬挑脚手架的设计与应用

-1-工字钢悬挑钢管脚手架的设计与应用陈宝书刘新明俞敏翔（南通市第四建筑安装工程有限公司南通226300）摘要：上海华敏世纪广场办公楼为钢筋砼框筒结构，由2幢31层组成，高111.75m，办公楼四周均为框架柱边再向外悬挑梁板3～5m，结构特殊，主体结构和装饰施工采用在工字钢悬挑梁上搭设扣件钢管脚手架。本文介绍了设计与应用情况。关键词：工字钢悬挑梁扣件钢管脚手架设计与应用1．概况1.1工程概况华敏世纪广场办公楼为钢筋砼框筒结构，结构复杂，办公楼四周均为框架柱边再向外悬挑梁板3～5m。本工程建筑面积15.1万㎡，其中地下部分建筑面积2万㎡。地下室部分为一个整体，地下两层，地上由对称布置的2幢31层组成。屋顶高108.55m，局部总高度111.75m。底层层高为5.0m，二、三层为4.0m，四层至二十八层层高均为3.45m，屋顶一、二、三层层高分别为3.30m、3.0m、3.0m，每幢标准层建筑面积2300㎡。1.2脚手架概况脚手架主要采用两种方法搭设，七层以下采用钢管双排落地脚手架，七层起采用I18工字钢悬挑梁扣件钢管脚手架,局部采用I25a工字钢悬挑梁。脚手架用φ48×3.5钢管及扣件搭设。立杆横距为1.05m，纵距为1.80m和1.50m，步距为1.80m，内立杆距结构梁边0.4m，局部1.05m。脚手架立杆支承在工字钢制作的水平悬挑梁上，每悬挑脚手架搭设10步，即五个标准层3.45m×5=17.25m，施工层按2个作业层计，每层活载按3KN/m2计。1.3计算依据规范：建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范JGJ130-2001。钢结构设计规范GBJ17-88。建筑结构荷载规范GB50009-2001。2、荷载计算以立杆纵距1.80m为计算单位。-2-见详图二图悬挑脚手架侧面图见详图一附加斜杆竹笆脚手板密目安全网时用斜杆详图二满焊，焊缝高钢筋焊缝高5mm双面焊、满焊详图一埋入砼长度30d2.1钢管（17.25×2+1.80×6×10+1.5×10）×0.0384=6.048KN2.2扣件0.0132×9×10=1.188KN2.3竹笆脚手板1.05×1.8×10×0.10=1.89KN0.30×1.8×10×0.10=0.54KN2.4安全网17.25×1.8×0.01=0.3105KN2.5静载组合外立杆静载Nc1=（6.048+1.188+1.89）/2+0.3105=4.8735KN内立杆静载Nc2=（6.048+1.188+1.89）/2+0.54=5.103KN2.6施工荷载：外立杆：Nqk=2×1.8×1.05×3/2=5.67KN内立杆：Nqk=5.67+0.3×1.8×2×3=8.91KN2.7垂直荷载组合（设计值）：外立杆：N1S=1.2×4.8735+1.4×5.67=13.7862KN内立杆：N2S=1.2×5.103+1.4×8.91=18.5976KN-3-图2计算简图3、I18工字钢悬臂梁计算3.1I18工字钢：Wx=185cm3，Ix=1660cm4，自重q=0.241KN/m3.2最大弯矩：M=13.7862×1.45+18.5976×0.4+1.2×0.241×1.552/2=27.7764KN-m3.3根据钢结构设计规范，轧制普通工字钢受弯要考虑整体稳定，I18工字钢悬臂梁长1.45m折算成简支梁，其跨长为L=2×1.45=2.90m，查表1-3，并用插入法，求得ψb=1.370.6，改查附表1-2，ψb′=0.8402则悬挑梁弯曲应力为：σ=M/ψb′W=27.7764×106/0.8402×185×103=178.70NN/mm2205N/mm2，安全。3.4挠度计算：f=N1SL13/3EI+N2Sa2（3L-a）/6EI=13786×14503(3×2.06×105×1660×104)+18598×4002(3×1450-400)/(6×2.06×105×1660×104)=4.67mm1450/250=5.8mm，安全。3.5I18工字钢梁端锚筋计算N3=M/L=27.7764/1.4=19.84KN锚筋选用钢筋φ16，AS=201mm2σ=19840/2×201=49.35N/mm250N/mm2，安全。4、I25a工字钢悬挑梁计算4.1本工程两端部10米跨普遍内收650，工字钢挑梁悬臂长度为1.45+0.65=2.1m，用I25a工字钢。I25a工字钢：q=38.08kg/mWx=401.4cm3Ix=5017cm4N1S=13.7862KNN2S=18.5976KN4.2最大弯矩及应力：M=13.7862×2.1+18.5976×1.05+1.2×0.381×2.22/2=48.585KN-m弯曲应力：σ=M/ψb′Wx=49.585×106/0.775×401.4×103=159.4205N/mm2，安全。4.3I25a工字钢梁端锚筋：N3=49.585/2=24.793KN选Φ18钢筋做锚筋，As=254mm2σ=24793/2×254=48.850N/mm2,安全。-4-4.4挠度：f=13786×21003/（3×2.06×105×5017×104）＋18598×10502(3×2100-1050)/（6×2.06×105×5017×104）=5.862100/250=8.4mm，安全。5、立杆稳定性计算5.1无风载：取内立杆N2S=19.598KN,(立杆步距取1.8m)根据规范5.3.3，立杆计算长度：L0=kμh=1.155×1.5×1.8=3.12m则λ=L0/i=312/1.58=197.5查附录C，ψ=0.185σ=18598/0.185×489=205.6N/mm2≈205N/mm2，安全。5.2有风荷载：（计算外立杆）风压高度变化系数，取B类，查表7.2.1μ50=1.67上海市基本风压：W0=0.55KN/m2查规范，表A-3，挡风系数ψ=0.083，敞开式脚手架的挡风面积为：1.8×1.8×0.083=0.02689m2密目网的挡风系数取0.5，则外立杆挂满密目网后，脚手架的综合挡风面积为：（1.8×1.8-0.26892）×0.5+0.26892=1.75446m2则综合挡风系数ψ=1.75446/(1.8×1.8)=0.5415根据规范表4.2.4，风载体型系数μs=1.34ψWK=0.7×1.3ψ×μz·wo=0.7×1.3×0.5415×1.67×0.55=0.4526KN/m2外立杆产生的弯矩：(据公式5.3.4)Mw=0.85×1.4×0.4526×1.82×1.8/10=0.3141KN-m组合风荷载时（据公式5.3.2-2）N=1.2Nc+0.85×1.4×Nqk=1.2×4.8735+0.85×1.4×5.67=12.596KN外立杆应力：NMw125960.3141×106+=+=201.63N/mm2205N/mm2ψAW0.185×4895.08×103-5-根据以上计算说明，当建筑物高度在（50m+3.45×5=67.25m）67m以下时，立杆跨距在1.8m，稳定性能满足要求。67m以上开始悬挑脚手架的立杆跨距选用1.5m跨度。本工程总高110m，最后一排悬挑脚手架工字钢在92.45m，经核算稳定性能满足要求。6、连墙杆计算6.1本工程标准层高为3.45m，接近两步架3.60m，主体结构四周均为悬挑梁板，连墙杆只能层层设置在悬挑梁板位置。查规范表7.2.1（按B类），用插入法求得μ45=1.615，μ110=2.148，连墙杆的轴向设计值按公式5.4.1计算，规范规定双排架No取5KN。6.2脚手架高度在45m以下，连墙杆按两步（一楼层）三跨设置，采用两只扣件连接，连墙杆的轴向力设计值为：N45=NLW+NO=1.4×（0.7×1.615×1.3×0.5415×0.55）×3.45×(1.8×3)+5=16.4≈8KN×2=16KN，基本满足要求，安全。6.3脚手架高度在45~110m，连墙杆按两步（一楼层）二跨设置，采用两只扣件连接，连墙杆的轴向力设计值为：N110=1.4×（0.7×2.148×1.3×0.5415×0.55）×3.45×（1.5×2）+5=13.44KN16KN，满足要求，安全。7、值得探讨和注意的几个问题7.1本工程结构特殊，建筑物四周均为框架柱边再向外悬挑3～5m，所以本方案确定后再提交设计院对工字钢悬挑梁所在层的钢筋砼悬挑梁进行了复核，最后对相应的悬挑梁增加钢筋加强。7.2按照过去的常规做法，连墙杆件两端分别用一个扣件与立杆和墙板埋件连接，按照新规范5.4.1条款，双排架NO取5KN，而一个扣件的抗滑力设计值为8KN，减去5KN，剩下3KN，一个扣件就不能满足要求，必须采用两只扣件，这样施工比较麻烦，采用何种构造有利施工，值得进一步探讨。7.3风压高度变化系数应根据地面粗糙度类别按表7.2.1确定，地面粗糙度可分为A、B、C、D四类，取何种类型，对立杆稳定性和连墙杆轴力计算影响较大。本工程取B类。取何种类型，既经济合理又安全，值得探讨。7.4为了使工字钢悬挑式扣件钢管脚手架能反复利用，为便于安装和拆除，预埋钢筋锚筋可用预埋螺栓加钢板连接。钢板与钢管满焊，焊缝图3连墙杆详图内立杆外立杆