侯玉飛 金寶宏

工程技術(shù)

高層建筑扣件式腳手架支撐結(jié)構(gòu)研究與有限元分析

侯玉飛 金寶宏

伴隨不斷發(fā)展的城鄉(xiāng)建設(shè)速度，在高層建筑工程項目建設(shè)中，不論是其基本理論，還是其相應的技術(shù)措施，都有著廣泛應用，在這當中，扣件式腳手架支撐結(jié)構(gòu)的管理又是其中應用較為重要且較為難以控制的關(guān)鍵之一。然而，由于目前高層建筑工程項目扣件式腳手架支撐結(jié)構(gòu)在管理應用的時候，還存在一些缺乏成熟經(jīng)驗的問題，這就使得進行高層建筑扣件式腳手架支撐結(jié)構(gòu)的應用過程中，還存在各種問題，直接影響著高層建筑施工管理的效率，進而也嚴重影響著工程的施工質(zhì)量和安全。下面結(jié)合工程實例，對高層建筑扣件式腳手架支撐結(jié)構(gòu)進行了研究與有限元分析。

一、高層建筑扣件式腳手架支撐結(jié)構(gòu)研究

1.工程概況

寧夏大武口區(qū)富錦嘉園4#工程為住宅樓，地下二層地上十八層；總建筑面積約32850.14m2，其中地上建筑面積為29788.14m2，地下車庫建筑面積為3060m2。總建筑高度54.90m，標準層層高2.8m。本工程鋼梁懸挑外架從二層頂板開始施工，分為兩個挑段：第一挑段為三～十層，第二挑段為十一～頂層。懸挑外架鋼梁采用普通熱軋I16工字鋼，外腳手架采用雙排單立桿鋼管扣件式腳手架（Φ48×3.5mm鋼管）。

2.腳手架構(gòu)造

（1）使用φ20鋼筋固定懸挑梁尾端樓板，按照樓板厚度制作180～200mm樓板面的鋼筋股，在樓板鋼筋網(wǎng)中預埋，箍筋底部牢牢連接樓板下層筋。對挑梁進行安置過程中，在鋼箍內(nèi)預埋挑梁尾端，固定打緊可使用木楔。選用6×19直徑Φ16的鋼絲繩。下端和挑桿和平桿、立桿的交點處綁在一起，相隔3m；上部在三層以上結(jié)構(gòu)層樓板內(nèi)預埋鋼筋拉環(huán)。使用鋼絲繩夾扣固定連接鋼絲繩和鋼梁及拉環(huán)。各端至少布置3個以上鋼絲繩夾扣，相隔距離為150mm。

（2） 在立桿處安裝工字鋼，將直徑為25mm的短鋼筋焊于梁上，超過100mm作為底座，腳手架立桿插入固定，接著和掃地桿相綁，由底部的懸挑架承受一段高度的腳手架荷載。腳手架每二步三跨設(shè)拉墻桿，在遇到柱、剪力墻后，使用鋼管抱箍拉結(jié)墻柱，在外側(cè)設(shè)腳手架立桿，在立桿內(nèi)側(cè)設(shè)水平桿。

（3）立桿應使用對接扣件進行接長，兩根相鄰立桿的接頭不宜同步設(shè)置，同步內(nèi)間隔一根立桿的兩個相隔接頭在高度方向錯開的距離必須在500mm以上，各接頭中心到主節(jié)點必須保持1/3步距以內(nèi)的距離。在各作業(yè)層下部每一層鋪滿腳手架板、竹膠板或者模板當做硬防護層，懸挑架外側(cè)滿掛安全網(wǎng)，掛在立桿內(nèi)側(cè)，使用由尼龍繩綁扎的1.5×6m的安全網(wǎng)，間距≤300。禁止綁扎使用綁扎絲。立桿最好采用對接，錯開各個接頭。鋪滿腳手板，和墻保持小于20cm的距離，同時不得存在空隙和探頭板。外側(cè)立面沿長度與高度連續(xù)設(shè)置剪刀撐，其斜桿連接立桿與伸出的小橫桿。必須在節(jié)點附近設(shè)置連墻桿，同時自底層第一步大橫桿處即進行設(shè)置，和主節(jié)點距離不超過300mm；固定外懸挑腳手架節(jié)點設(shè)置雙扣件。

（4）剪刀撐能有效避免腳手架產(chǎn)生縱向變形，對剪刀撐進行正確設(shè)置，能促使腳手架整體剛度增強。在該工程中，腳手架剪刀撐在腳手架外側(cè)立面沿著長度與高度進行了連續(xù)設(shè)置，剪刀撐斜桿必須連接立桿與伸出的小橫桿。剪刀撐斜桿和地面傾角為45°～60°。剪刀撐必須跟隨立桿，縱橫向水平桿等同步搭設(shè)。使用旋轉(zhuǎn)扣件將斜桿和立桿或橫向水平桿牢牢緊扣。剪刀撐斜桿使用搭接進行接長，搭接長度必須在1m以上，至少使用4個以上旋轉(zhuǎn)扣件進行固定，端部扣件蓋柜的邊緣到桿端距離在10cm以上，各組剪刀撐從底部到頂層為之字形進行連續(xù)設(shè)置，使用旋轉(zhuǎn)扣件和其相交的橫向水平桿伸出端進行固定，扣件中心和節(jié)點的距離必須在150mm以內(nèi)。

（5）橫桿水平桿使用直角扣件在立柱上扣緊，伸出內(nèi)外立桿必須在10cm以上，必須在橫向水平桿上設(shè)置縱向水平桿，靠內(nèi)外立桿的縱向橫桿使用直角扣件在立桿內(nèi)側(cè)和立桿固定，中間的縱向橫桿固定于小橫桿（橫向水平桿），必須保持40cm以內(nèi)的間距。

（6）架體拉結(jié)（連墻件）使用剛性節(jié)點，和主節(jié)點間距必須在300mm以內(nèi)，按照建筑物每層樓面的高度設(shè)置拉結(jié)垂直間距，水平間距3.0m即可設(shè)置一個連墻件，上下層設(shè)置為錯開的梅花形，轉(zhuǎn)角處1m內(nèi)設(shè)一拉結(jié)點。拉秸稈和墻面保持水平設(shè)置，和腳手架連接的一段可稍稍往下傾斜，禁止上翹。在砼墻中預埋的連墻體，僅能在砼強度超過15MPa時使用。

（7）使用鍛鑄鐵制作扣件，保持和鋼管外徑一致的規(guī)格，扣件螺栓擰緊扭力矩必須大于40N·M，且小于65N·M，在主節(jié)點處對大、小橫桿（橫向水平桿）剪刀撐等進行固定，各種扣件中心點相互間距必須保持150mm以下，各桿件端頭伸出扣件蓋板邊緣距離必須在100mm以上，對接扣件必須轉(zhuǎn)上或轉(zhuǎn)內(nèi)開口。

二、高層建筑扣件式腳手架支撐結(jié)構(gòu)有限元分析

1.模型建立

該工程搭設(shè)的為懸挑腳手架，由于架體需要保證整體空間，對架體進行有限元分析則可使用有限元程序SAP2000，構(gòu)建三維空間整體有限元分析模型。全部桿件都是干系單元，桿件間根據(jù)鉸接節(jié)點作建模分析處理。

2.有限元分析結(jié)果

（1）針對縱、橫向水平桿件以及懸挑橫桿，由于其主要作用為受彎，在截面應力和桿件撓度變形上，有限元計算與平面結(jié)構(gòu)受力分析相似，并且手算結(jié)果相對較為保守，經(jīng)過分析可知主要是以下原因造成二者相似：二者選擇了相似的假定和條件，重點在于跨數(shù)和荷載等效存在細微差別。

（2）針對實際在拉彎狀態(tài)的懸掛立桿，通過兩種不同算法得出略微不同的結(jié)果，有限元結(jié)果稍小，主要是因為將縱、橫向水平橫桿和斜撐桿的空間整體性考慮在內(nèi)，能使得立桿內(nèi)力顯著減小。

（3）對斜撐桿而言，因為其主要受軸向壓力，有限元分析結(jié)果比平面結(jié)構(gòu)受力分析結(jié)果小得多，主要是因為有限元將腳手架支撐體系的空間整體性考慮在內(nèi)進行分析，在整體結(jié)構(gòu)中，斜支撐桿件更有效。

三、結(jié)語

總而言之，和有限元分析結(jié)果比較而言，平面結(jié)構(gòu)受力分析所得結(jié)果相對較為保守，和現(xiàn)實情況更接近，存在相應的安全儲備，因此，這種懸挑式腳手架結(jié)構(gòu)較為安全。

（作者單位：侯玉飛 ，寧夏大學新華學院；金寶宏，寧夏大學土木與水利工程學院）

寧夏大學新華學院院級科學研究基金項目14XHKY08