吳 剛 萬立華 畢東海 張金山 柴 磊

1. 濟(jì)南市槐蔭區(qū)工程質(zhì)量與安全中心 山東 濟(jì)南 250023；2. 濟(jì)南市工程質(zhì)量與安全中心 山東 濟(jì)南 250014；3. 中建八局第二建設(shè)有限公司 山東 濟(jì)南 250014

外作業(yè)腳手架為建筑施工提供作業(yè)平臺(tái)及安全防護(hù)，它既要承受豎向施工荷載，又要承受水平向的風(fēng)荷載。作業(yè)腳手架是建筑施工安全的重要內(nèi)容，搭設(shè)高度24 m及以上的落地式鋼管腳手架及懸挑式腳手架均屬于建筑施工中危險(xiǎn)性較大的分項(xiàng)工程。

在公共建筑、廠房工程建設(shè)中，大開間、大跨度、大體量建筑較多。由于這類建筑的柱網(wǎng)尺寸、建筑層高較大，使建筑施工腳手架連墻件的布置受到限制，不能滿足JGJ 130—2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》、JGJ 231—2010《建筑施工承插式盤扣件鋼管支架安全技術(shù)規(guī)程》等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求，給腳手架安全管理帶來了隱患。本文以實(shí)際工程為例，探討如何提高大跨度、高層高的框架結(jié)構(gòu)外作業(yè)腳手架在連墻件無法按正常設(shè)置時(shí)的架體穩(wěn)定性。

1 工程概況

濟(jì)南市槐蔭區(qū)某公共建筑工程8#樓，結(jié)構(gòu)形式為混凝土框架結(jié)構(gòu)，地下1層，地上6層，總高度27.0 m，首層層高為6.0 m，2—6層為4.2 m，主要柱距9.0 m。外架采用雙排盤扣式腳手架，由于與車庫(kù)相連，落地腳手架在車庫(kù)頂直接搭設(shè)，搭設(shè)高度12.5 m，在2層頂進(jìn)行一次懸挑，防護(hù)至屋面層，懸挑腳手架搭設(shè)高度為17.0 m。落地架與懸挑架的主要施工參數(shù)均為立桿縱距1.5 m、橫距0.9 m、步距1.5 m。

2 特殊工況下外架穩(wěn)定性施工方法

2.1 連墻件的重要性

外腳手架的寬度遠(yuǎn)小于縱向長(zhǎng)度和豎向高度，側(cè)向剛度很小，只能依靠連墻件與建筑物的可靠連接來保持整體穩(wěn)定，架體寬度越小，腳手架的側(cè)向剛度越小，風(fēng)荷載作用下的側(cè)向變形就越大。

連墻件不但可以直接承受風(fēng)荷載，同時(shí)也能約束架體的橫向變形，阻止腳手架整體側(cè)向位移，防止腳手架向內(nèi)或向外傾覆。

此外，設(shè)置連墻件不僅是為防止腳手架在風(fēng)荷和其他水平力作用下產(chǎn)生傾覆，更重要的是它對(duì)立桿起中間支座的作用。這表明連墻件的設(shè)置對(duì)保證腳手架的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

根據(jù)本工程專項(xiàng)施工方案計(jì)算得出，需要按照兩步兩跨設(shè)置連墻件才能滿足風(fēng)荷載要求，如果采用在邊梁內(nèi)垂直預(yù)埋鋼管，使用直角扣件與外架水平拉結(jié)的傳統(tǒng)方法，無法滿足本工程實(shí)際需求。以兩層一個(gè)柱距空間為例，傳統(tǒng)做法僅能做到兩步六跨（兩側(cè)做抱柱拉結(jié)點(diǎn)），遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到施工方案及上述規(guī)范對(duì)連墻件的設(shè)置要求。因此，為保證施工安全，必須采取相關(guān)措施來解決連墻件不能正常設(shè)置問題。

2.2 規(guī)范中提高架體剛度的措施及應(yīng)用

在該工程的實(shí)際情況下，常規(guī)的抱柱及邊梁預(yù)埋連墻件已不能滿足要求，必須采取其他措施增強(qiáng)外作業(yè)架穩(wěn)定性。我們計(jì)劃從提高架體自身剛度入手作出改進(jìn)，具體分析如下。

1）根據(jù)JGJ 231—2010《建筑施工承插式盤扣件鋼管支架安全技術(shù)規(guī)程》第6.2.6條“對(duì)雙排腳手架的每步水平桿層，當(dāng)無掛扣鋼腳手板加強(qiáng)水平層剛度時(shí)，應(yīng)每5跨設(shè)置水平斜桿”。在此基礎(chǔ)上，可以在框架柱處沿柱高每?jī)刹奖еO(shè)置連墻件，并在該步的每一跨增加設(shè)置連續(xù)的“之”字形盤扣專用水平斜桿，形成一道水平桁架，將風(fēng)荷載通過連墻件傳遞給柱，并約束腳手架的橫向變形。

2）根據(jù)JGJ 231—2010《建筑施工承插式盤扣件鋼管支架安全技術(shù)規(guī)程》第6.2.6條“雙排腳手架的斜桿或剪刀撐設(shè)置應(yīng)符合下列要求：沿架體外側(cè)縱向每5跨每層應(yīng)設(shè)置一根豎向斜桿或每5跨間應(yīng)設(shè)置扣件鋼管剪刀撐”。在此基礎(chǔ)上，可以沿架體外側(cè)縱向每跨每步均設(shè)置一根豎向斜桿，以增加架體縱向剛度。

3）參照J(rèn)GJ 130—2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》第6.6.4條“高度在24 m以下的封閉型雙排腳手架可不設(shè)橫向斜撐，高度在24 m以上的封閉型腳手架，除拐角應(yīng)設(shè)置橫向斜撐外，中間應(yīng)每隔6跨距設(shè)置一道”。參照規(guī)范要求，我們可以在腳手架對(duì)應(yīng)位置增加豎直橫向斜撐（柱距9.0 m，立桿縱距1.5 m，斜桿間隔3跨一設(shè)），自底到頂連續(xù)設(shè)置，可以增大腳手架的橫向剛度（增加橫向斜桿會(huì)在一定程度上增加施工人員的行走和操作不便，因此設(shè)置間距需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，在必要情況下操作層位置可斷開）。

以上述提高架體剛度的措施為基礎(chǔ)，我們制定實(shí)施方案，并針對(duì)盤扣式、鋼管扣件式架體的不同工況分別進(jìn)行了計(jì)算對(duì)比。

3 外作業(yè)腳手架穩(wěn)定措施可行性分析

3.1 盤扣式腳手架各方案計(jì)算對(duì)比

為驗(yàn)證上述提高架體剛度措施是否可行，我們針對(duì)盤扣式腳手架設(shè)計(jì)了3種不同工況進(jìn)行定量對(duì)比分析，分別為增加上述措施前的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況、假設(shè)滿足施工方案中兩步兩跨連墻件的理想工況、采取上述加強(qiáng)措施后的工況，具體如下。

1）方案1（采取上述加強(qiáng)措施前的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況）。腳手架參數(shù)為：立桿縱距1.5 m、橫距0.9 m、步距1.5 m。盤扣式外腳手架采用Q345A的φ48 mm×3.2 mm焊接鋼管，橫桿采用Q235B的φ48 mm×2.5 mm焊接鋼管（圖1）。連墻件兩步六跨（兩側(cè)做抱柱拉結(jié)點(diǎn)）。

圖1 方案1腳手架搭設(shè)構(gòu)造

2）方案2（假設(shè)框架結(jié)構(gòu)中部存在可作為拉結(jié)點(diǎn)的梁、柱構(gòu)件，且滿足兩步兩跨，屬于施工方案中最理想狀態(tài)下的工況）。外腳手架體參數(shù)不變，與方案1相同（圖2）。連墻件正常能滿足兩步兩跨搭設(shè)要求。

圖2 方案2腳手架搭設(shè)構(gòu)造

3）方案3（采取上述加強(qiáng)措施后的工況）?？蚣苤幯刂呙恳徊奖еO(shè)置連墻件，并間隔兩步設(shè)置1道水平斜撐，腳手架對(duì)應(yīng)兩柱的正中間位置每間隔3跨設(shè)置1道豎直橫向斜撐，自底到頂連續(xù)設(shè)置（圖3）。在各個(gè)樓層標(biāo)高處按照常規(guī)做法每2跨設(shè)置連墻件。

圖3 方案3腳手架搭設(shè)構(gòu)造

采用通用有限元軟件SAP2000對(duì)腳手架進(jìn)行線性分析，Q235B鋼管彈性模量取2.06×105MPa，鋼管設(shè)計(jì)強(qiáng)度205 MPa（影響桿件的應(yīng)力比，本次計(jì)算不涉及）。取12.5 m×9 m即一跨框架間距的腳手架作為計(jì)算單元，采用空間半剛性節(jié)點(diǎn)框架計(jì)算模型，通過設(shè)置小橫桿來實(shí)現(xiàn)半剛性節(jié)點(diǎn)連接，桿端彈簧剛度為40 kN×m/rad；水平斜撐、大橫桿在節(jié)點(diǎn)處抗彎剛度均取40 kN×m/rad。支座設(shè)置：最左側(cè)兩立柱節(jié)點(diǎn)設(shè)置X向和Z向兩向約束（考慮其他榀對(duì)本榀的支撐作用），立柱底X向、Y向剛度設(shè)定為980 kN/m[1-5]（模擬與地面摩擦力）。

風(fēng)荷載取值參考JGJ 231—2010《建筑施工承插性盤扣式鋼管支架安全技術(shù)規(guī)程》，取0.30 kN/m2，木腳手板、鋼腳手板自重標(biāo)準(zhǔn)值取0.35 kN/m2，作業(yè)層欄桿與擋腳板自重標(biāo)準(zhǔn)值取0.17 kN/m，施工均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值3 kN/m2；施工均布活荷載僅考慮2層頂位置。

方案1屈曲分析結(jié)果如下（1×恒＋1×活＋1×風(fēng)作為屈曲分析工況）：平面外失穩(wěn)屈曲因子為1.31×10－4，可知為非穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，失穩(wěn)模態(tài)如圖4所示；風(fēng)荷載單工況下平面外（Y向）最大位移為75.536 mm，發(fā)生在第9步第4跨立柱位置，如圖5所示。

圖4 方案1失穩(wěn)模態(tài)

圖5 方案1風(fēng)荷載單工況下平面外（Y向）最大位移

方案2屈曲分析結(jié)果如下（1×恒＋1×活＋1×風(fēng)作為屈曲分析工況）：平面外失穩(wěn)屈曲因子為5.887 71，失穩(wěn)模態(tài)如圖6所示；風(fēng)荷載單工況下平面外（Y向）最大位移為8 mm，發(fā)生在第6步第2榀立柱位置，如圖7所示。

圖6 方案2失穩(wěn)模態(tài)

圖7 方案2風(fēng)荷載單工況下平面外（Y向）最大位移

方案3屈曲分析結(jié)果如下（1×恒＋1×活＋1×風(fēng)作為屈曲分析零初始條件）：平面外失穩(wěn)屈曲因子為6.569 28，失穩(wěn)模態(tài)如圖8所示；風(fēng)荷載單工況下平面外（Y向）最大位移為4 mm，發(fā)生在第二步位置，如圖9所示。

圖8 方案3失穩(wěn)模態(tài)

圖9 方案3風(fēng)荷載單工況下平面外（Y向）最大位移

3.2 盤扣式腳手架各方案對(duì)比結(jié)論

由上述各方案整體穩(wěn)定性與平面外位移情況可知，方案3采用改進(jìn)的方式，使盤扣式架體達(dá)到甚至超過設(shè)置兩步兩跨連墻件的剛度、穩(wěn)定性水平[6-7]。

3.3 鋼管扣件式腳手架各方案計(jì)算對(duì)比

考慮到目前建筑市場(chǎng)仍大比例使用鋼管扣件式腳手架，故對(duì)鋼管扣件式腳手架也按上述3種工況進(jìn)行比對(duì)計(jì)算，其余架體參數(shù)相同。

鋼管扣件式腳手架采用的材料均應(yīng)符合以下要求：鋼管扣件式外腳手架采用φ48.3 mm×3.6 mm鋼管（考慮到現(xiàn)場(chǎng)鋼管磨損折舊，腳手架計(jì)算采用φ48 mm×2.7 mm鋼管），扣件選用可鍛鑄制作的扣件，不得有裂紋、氣孔，不宜有縮松、砂眼。在螺栓擰緊扭力達(dá)65 N·m時(shí)，不得發(fā)生破壞。

1）方案1（采取上述加強(qiáng)措施前的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況）：同3.1節(jié)方案1。

2）方案2（假設(shè)框架結(jié)構(gòu)中部存在可作為拉結(jié)點(diǎn)的梁、柱構(gòu)件，且滿足兩步兩跨，屬于施工方案中最理想狀態(tài)下的工況）：同3.1節(jié)方案2。

3）方案3（采取上述加強(qiáng)措施后的工況）：同3.1節(jié)方案3。

采用通用有限元軟件SAP2000對(duì)腳手架進(jìn)行線性分析，鋼管彈性模量取2.06×105MPa，設(shè)計(jì)強(qiáng)度205 MPa。其他未單獨(dú)說明的計(jì)算單元、剛度設(shè)置、荷載參數(shù)與3.1節(jié)取值保持一致。

方案1屈曲分析結(jié)果如下（1×恒＋1×活＋1×風(fēng)作為屈曲分析工況）：平面外失穩(wěn)屈曲因子為10.15×10－5，可知為非穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，失穩(wěn)模態(tài)如圖10所示；風(fēng)荷載單工況下平面外（Y向）最大位移為115.1 mm，發(fā)生在第9步第4跨立柱位置，如圖11所示。

圖10 方案1失穩(wěn)模態(tài)

圖11 方案1風(fēng)荷載單工況下平面外（Y向）最大位移

方案2屈曲分析結(jié)果如下（1×恒＋1×活＋1×風(fēng)作為屈曲分析工況）：平面外失穩(wěn)屈曲因子為4.83，失穩(wěn)模態(tài)如圖12所示；風(fēng)荷載單工況下平面外（Y向）最大位移為12.2 mm，發(fā)生在第6步第2榀立柱位置，如圖13所示。

圖12 方案2失穩(wěn)模態(tài)

圖13 方案2風(fēng)荷載單工況下平面外（Y向）最大位移

方案3屈曲分析結(jié)果如下（1×恒＋1×活＋1×風(fēng)作為屈曲分析零初始條件）：平面外失穩(wěn)屈曲因子為5.40，失穩(wěn)模態(tài)如圖14所示；風(fēng)荷載單工況下平面外（Y向）最大位移為4.978 mm，發(fā)生在第2步位置，如圖15所示。

圖14 方案3失穩(wěn)模態(tài)

圖15 方案3風(fēng)荷載單工況下平面外（Y向）最大位移

3.4 鋼管扣件式腳手架各方案對(duì)比結(jié)論

由上述各方案整體穩(wěn)定性與平面外位移情況可知，方案3采用改進(jìn)的方式，使鋼管扣件式架體達(dá)到甚至超過設(shè)置兩步兩跨連墻件的剛度、穩(wěn)定性水平，是各方案中穩(wěn)定性最好的。

4 結(jié)語

本文所述施工方法，通過采取架體本身加固措施，增加腳手架各類斜桿設(shè)置，形成穩(wěn)定的水平、豎向桁架，能極大地提高架體的整體穩(wěn)定性，約束架體水平位移，特別適用于無法常規(guī)設(shè)置連墻件的大跨度、高層高框架結(jié)構(gòu)施工，值得推廣使用。