文/陳炳超、李騰昌 廣西建工大都租賃有限公司 廣西南寧 530000

背景介紹

現(xiàn)階段的高層建筑或超高層建筑施工中，提倡節(jié)能減排及綠色文明施工已成為未來建筑工程的發(fā)展趨勢，現(xiàn)代化施工項目也對外防護腳手架的技術(shù)性能提出了更智能化、安全化、標(biāo)準(zhǔn)化的要求。在此形勢下，附著式升降腳手架（簡稱“爬架”）孕育而生，并以其成本低、可操控、美觀大方和高效安全等優(yōu)勢特點迅速成為高層、超高層建筑施工腳手架的主流選擇。

附著式升降腳手架于上世紀(jì)80年代末開始研發(fā)并投入使用，最初前身為鋼管式整體提升腳手架，依靠人工手動提升，機械化、系統(tǒng)化程度較低。經(jīng)過幾十年改良創(chuàng)新，現(xiàn)行主流產(chǎn)品已升級為全鋼型模塊化附著式升降腳手架，其構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，內(nèi)置系統(tǒng)可實時動態(tài)顯示受荷狀況，并可通過遙控器、電腦遠(yuǎn)程控制爬升，實用性有了非常大的提高。住建部也曾將其作為建筑新產(chǎn)品、新技術(shù)進行過推廣，這對爬架的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。

目前，主流爬架的結(jié)構(gòu)構(gòu)型已能達到大多數(shù)施工項目的使用要求，但仍存在少許問題，有一定改善空間。由于高層、超高層建筑中間部位存在避難層、設(shè)備層等特殊層，層高較高，且部分建筑結(jié)構(gòu)較為不規(guī)則，施工工序產(chǎn)生影響，若爬架本身防護高度過低，將易導(dǎo)致工作面外露，極大的威脅了現(xiàn)場施工安全，使得爬架的防護作用在某種程度上形同虛設(shè)。此外，部分爬架架體桿件截面規(guī)格過多，既不利于生產(chǎn)加工，也影響了現(xiàn)場工人的安裝，延誤施工進度，標(biāo)準(zhǔn)化程度低，不符合先進、集約、經(jīng)濟的施工要求。

針對附著式升降腳手架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及力學(xué)分析，國內(nèi)已有不少學(xué)者開展過理論研究。其中，胡世軍等[1]對爬架在不同工況下的模態(tài)分析進行了研究，得到不同工況（使用狀態(tài)和提升狀態(tài)）對爬架振型及固有頻率造成的影響。劉曉旭等[2]探討了支座形式對附著式升降腳手架的影響，并得出了架體受力及變形受支座剛度的影響很大的結(jié)論。周印堂等[4]對附著升降腳手架進行了精細(xì)化模擬，通過不同模型的對比揭示了爬架局部構(gòu)件對其整體穩(wěn)定性的重要作用。但是，目前針對爬架現(xiàn)場的適用性研究及技術(shù)優(yōu)化改造案例卻很少，本文通過聯(lián)系現(xiàn)場實際，對爬架防護高度及架體構(gòu)件進行優(yōu)化，解決目前主流爬架存在的安全隱患問題。

圖1 作業(yè)面外露

1、工程概況

柳州華潤中心幸福里項目工程位于廣西柳州市魚峰區(qū)桂柳路9號，結(jié)構(gòu)為剪力墻、結(jié)構(gòu)梁、雙飄板形式。建筑總高度為133.7m，建筑總層數(shù)共42層，標(biāo)準(zhǔn)層從3層開始，標(biāo)準(zhǔn)層高3m，風(fēng)壓高度變化系數(shù)按C類場地取值，基本風(fēng)壓按10年一遇風(fēng)壓取0.2kN/m2，高度修正系數(shù)取1.54，其中16、17、32、33層有外圍結(jié)構(gòu)延伸，外延的跨度較大，但增加的層數(shù)較少，因此經(jīng)研討后決定將此外伸結(jié)構(gòu)后做。其中圖3-1為該項目6#樓爬架機位布置圖，鑒于該工程結(jié)構(gòu)特殊、施工工序復(fù)雜，易出現(xiàn)前文所述的安全隱患問題?，F(xiàn)以柳州幸福里6#樓為例對原架體進行改造優(yōu)化、技術(shù)分析，其計算思路和解決方案可供同類工程借鑒。

圖2 爬架機位布置圖

2、建模分析

2.1 優(yōu)化重點

1）通過增加立桿和改進受力構(gòu)件，綜合考慮架體總質(zhì)量、架體最大變形量、架體最大應(yīng)力比三項指標(biāo)，使得架體受力更均勻且材料用量減少，達到安全情況下更經(jīng)濟的目的；

2）綜合考慮施工條件、主體結(jié)構(gòu)等因素，計算出最不利附著部位的最小配筋要求，按照設(shè)備適應(yīng)建筑而非建筑適應(yīng)設(shè)備的原則，減少對原施工工況的影響，避免額外增加配筋或修改施工圖紙；

3）在嚴(yán)格遵循規(guī)范要求的前提下，依照原架體機位布置圖的基礎(chǔ)上對架體進行改進，降低優(yōu)化復(fù)雜度，建立一種簡單、便捷、合理、可行的優(yōu)化思路和模式。

2.2 初步優(yōu)化

原架體防護高度為13.5m,共7步，覆蓋4.5個標(biāo)準(zhǔn)層，頂部懸臂高度為4.5米，提升機額定噸位為7.5噸，架體自重4kN每延米，最大跨度為18號機位，跨度為5.1米。為提高架體的安全性和經(jīng)濟性，現(xiàn)額外增設(shè)1米立桿，提高架體防護高度至14.5米，并將立桿，橫桿，桁架截面形式統(tǒng)一，一致改良為60＊30＊3 mm規(guī)格，并對其進行建模分析。

采用MIDAS-GEN進行有限元建模，施工荷載的取值參照《建筑荷載設(shè)計規(guī)范》與《建筑施工工具式腳手架安全技術(shù)規(guī)范》，爬升葫蘆及導(dǎo)軌作為荷載作用于架體；整體框架、支撐三角架、均采用梁單元；主框架豎向結(jié)構(gòu)與橫桿剛性連接，上下框架拼接為剛性連接，架體其余的連接均為鉸接。各層走道板及側(cè)面的防護網(wǎng)均采用薄板單元，厚度按照實際取值，爬架的構(gòu)件均采用Q 235鋼；根據(jù)現(xiàn)場施工情況和規(guī)范要求，模擬工程中常見的不同類型工況，各工況組合如下：

組合一：恒載、升降荷載；

組合二：恒載、施工荷載；

組合三：恒載，風(fēng)荷載；

組合四：恒載、升降荷載、風(fēng)荷載

組合五：恒載、施工荷載、風(fēng)荷載；

對腳手架結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)靜力分析主要有以下三方面用途：①對腳手架的力安全進行校核，包括檢查架體結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)剛度、強度、穩(wěn)定性不滿足的情況，如出現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全問題則對架體進行相應(yīng)的改進，保證架體在施工過程中處于安全狀態(tài)；②在保證腳手架結(jié)構(gòu)安全的情況下，分析其受力特點，包括最大變形量的數(shù)值和位置，最大組合應(yīng)力的分布區(qū)域等，為下一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)；③與原架體形式進行對比，探討本次改良選型是否存在不足之處，提出具體解決方案。

表1 爬架各向最大位移表(單位：mm)

圖3 爬架架體變形圖例

由空間整體變形計算結(jié)果可見,不管是在施工工況還是在升降工況下，本架體結(jié)構(gòu)的水平位移都遠(yuǎn)大于豎向位移，而且在風(fēng)荷載的作用下水平位移增大顯著，這說明水平風(fēng)荷載對架體結(jié)構(gòu)的影響最大，它是架體結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制荷載。

而在影響腳手架豎向承載能力的因素中，架體與結(jié)構(gòu)橫向連接件的設(shè)置尤為重要。風(fēng)荷載使腳手架立桿從軸向受壓變?yōu)閴簭?，降低了其豎向承載力，而橫向連接件可直接抵抗風(fēng)荷載的不利影響，其在腳手架中的作用主要表現(xiàn)在兩個方面：①直接承受水平風(fēng)荷載； ②作為腳手架的橫向支點，約束其橫向變形。因此，連接件的設(shè)置直接影響到腳手架立桿的穩(wěn)定，從而影響整個腳手架的承載能力。

為減少風(fēng)荷載對架體的不利影響，決定以增加橫向拉結(jié)的方式對架體進行二次優(yōu)化。

2.3 二次優(yōu)化

本架體頂部懸臂高5.5米，規(guī)范要求當(dāng)懸臂超過6米時必須與結(jié)構(gòu)間有可靠的拉結(jié)（嚴(yán)禁與支模架進行拉結(jié)），目前未超過限值，但數(shù)值偏高。為確保爬架的安全性，擬采取鋼管拉結(jié)對其加固，每榀間設(shè)置一個拉結(jié)點(如圖4所示)。頂板澆筑時，在頂板上預(yù)留f48預(yù)埋鋼管（鋼管外露200m）。預(yù)埋鋼管距結(jié)構(gòu)外皮2.0m左右，間距不大于6m，架體提升后，用5m鋼管將架體與結(jié)構(gòu)預(yù)埋環(huán)進行拉結(jié)。除不考慮拉結(jié)節(jié)點處斜拉繩或桿件自身伸，縮變形外，計算中都考慮拉結(jié)點處變形為零，側(cè)向變形的增大趨勢是向兩拉結(jié)點處的中心節(jié)點集中。與拉結(jié)前對比，變形降到原先變形的五分之一，頂層與下一層各節(jié)點的變形下降趨勢可通過圖6對比表示。

有上圖可知風(fēng)荷載效應(yīng)組合對稱分布，架體同一層上的位移左右對稱，根據(jù)圖6顯示，拉結(jié)前后位移相差一個數(shù)量級，拉結(jié)前的位移值最大值為37.2mm，拉結(jié)后最不利工況組合下的最大位移值大大降低，Y向最大僅為6.53。此外，架體下一層的節(jié)點位移變化受框架桿件節(jié)點連接方式的影響不大，不會出現(xiàn)頂層位移波峰波谷的現(xiàn)象。

圖4 架體拉結(jié)點示意圖

圖5 頂板處預(yù)埋鋼管詳圖

圖6 拉節(jié)后最不利工況組合爬架架體變形圖

上述的分析可以得出架體與結(jié)構(gòu)的拉結(jié)作用對控制側(cè)向變形是很有利的，拉結(jié)后的最大位移6.53/5400=1/827＜1/400，有兩倍以上的安全系數(shù)，所以適當(dāng)?shù)睦Y(jié)作用能起到四兩撥千斤的作用，明顯減小側(cè)向變形效果。因此，架體最終優(yōu)化方案包括增設(shè)立桿、調(diào)整構(gòu)件截面以及增加橫向拉結(jié)三個方面。

3、承載力驗算

選取6#樓最不利機位附著點位置對邊梁進行驗算，附著情況如圖7所示，梁截面尺寸為200x500mm，上下配筋為2φ14、2φ14。梁跨度為3000mm。此處機位承受的架體荷載跨度L為5.1米,節(jié)點A承受架體荷載高度為6.45米。

圖7 框架梁結(jié)構(gòu)圖

梁所受局部壓力和豎向集中力P=70.8kN，其兩端為固定梁，為安全起見按一端固定一端簡支計算。結(jié)構(gòu)自重及架體對梁產(chǎn)生的彎矩為：M=Mz+MJ=2.97+52.57=55.54kN/m。由于架體提升時，最上方機位附著的鋼筋混凝土強度等級未達到設(shè)計值，混凝土強度等級按C20、鋼筋等級為II級。查詢《鋼筋混凝土房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》并通過插值法求得：截面尺寸為500×200mm的梁的彎矩：[M]≈79.22kN/m＞M=55.54kN/m，梁承載力滿足要求。

螺栓受力驗算，本工程均采用45號鋼，4.8級 M27螺 栓，，。根據(jù)《建筑施工工具式腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（GB 202-2010），取18號機位螺栓處的受力進行 驗 算 得：Nbv=120.18kN＞24.78kN；Nbt78.03kN＞35.12kN；[(Nv/Nbv)2+( Nt/Nbt)2]-2=0.7468＜1；螺栓滿足要求。

根據(jù)驗算結(jié)果可知，優(yōu)化后的架體在未改變原設(shè)計圖紙的情況下滿足承載力要求，可用于現(xiàn)場施工使用。

4、效益分析

通過改變架體的高度、截面形式，架體的安全性得到了大大提高，同時也具有較好的經(jīng)濟效益，主要表現(xiàn)在：

（1）由于桿件截面形式進一步統(tǒng)一，其標(biāo)準(zhǔn)化、適用性得以高，周轉(zhuǎn)更加靈活，利于翻新維修可在不同類型的架體部位互相使用，簡化了生產(chǎn)流水線，降低生產(chǎn)成本。

（2）由于改進了截面形式、截面面積，架體在保證正常使用剛度的情況下，其每延米的用鋼量減少，更為綠色、環(huán)保、經(jīng)濟、合理。

（3）相較于市面的主流爬架，改進后的架體結(jié)構(gòu)更易于安裝，有效提高了施工效率，實現(xiàn)高層建筑施工流水作業(yè)優(yōu)化，避免因作業(yè)計劃沖突而影響施工進度，可在一定程度上減少人工成本和時間成本。

結(jié)語：

（1）爬架多用于高層、超高層住宅樓樓棟項目施工，必須切實保證其安全性，而高層、超高層中往往有層高較高的非標(biāo)準(zhǔn)層，又或因各方原因未能及時提升爬架，使得頂層圍護高度達不到規(guī)范要求，會對項目現(xiàn)場安全造成一定程度的影響。因此，本文建議將標(biāo)準(zhǔn)層為3米的爬架的防護高度提高至14.5米，以加大其安全性。

（2）架體構(gòu)件的截面形式對架體的經(jīng)濟性起十分重要的作用，同時也關(guān)系著現(xiàn)場工人安裝效率，本文建議將架體截面統(tǒng)一為60×30×3mm的規(guī)格形式，進一步提高了架體生產(chǎn)、使用、翻新維修的全過程經(jīng)濟效益。

（3）爬架在外吸風(fēng)荷載作用下架體會產(chǎn)生較大的偏離結(jié)構(gòu)的變形，存在向外傾覆的風(fēng)險.且架體附墻節(jié)點的反力較大，造成附著節(jié)點的負(fù)擔(dān)過大，安全儲備降低.針對該情況，本文給出了將外爬架與結(jié)構(gòu)進行拉結(jié)的解決方案。計算結(jié)果表明，采用拉結(jié)方案后，爬架的抗傾覆能力大大提高，架體與結(jié)構(gòu)的拉結(jié)作用對控制側(cè)向變形時很有利的，減小側(cè)向變形效果很明顯，拉結(jié)后的最大位移僅為未拉結(jié)的十分之一。

（4）爬架的發(fā)展日新月異，要提升其使用性能，不僅要加大對產(chǎn)品的理論研究投入，更要注重聯(lián)系現(xiàn)場情況，根據(jù)實際需求改進產(chǎn)品技術(shù)性能。對架體進行優(yōu)化后，除了對架體本身進行靜力分析外，還需對架體附著點條件進行驗算，以適應(yīng)工程實踐。