斯旭東
(上海殷行建設(shè)集團(tuán)有限公司,上海 200082)
自20世紀(jì)80年代以來,我國(guó)的建筑工程領(lǐng)域開始大量使用扣件式鋼管腳手架,經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展,各種形式的腳手架在中國(guó)建筑工程市場(chǎng)各自發(fā)揮了巨大作用,歸結(jié)起來,目前市場(chǎng)上約70%為扣件式鋼管腳手架,還有各地方大力推廣的諸如碗扣式腳手架、盤扣式腳手架等,剩下的就是應(yīng)用在少數(shù)特殊領(lǐng)域的傳統(tǒng)竹木結(jié)構(gòu)腳手架。不管何種類型的腳手架,作為建筑工程外腳手架使用時(shí),達(dá)到一定搭設(shè)高度,必須使用連墻件將架體與建筑結(jié)構(gòu)可靠相連,以保證外腳手架的結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定。連墻件是保證架體側(cè)向穩(wěn)定的重要構(gòu)件,是作業(yè)腳手架設(shè)計(jì)計(jì)算的主要假定條件,對(duì)作業(yè)腳手架連墻件設(shè)置做出規(guī)定的目的是控制作業(yè)腳手架失穩(wěn)破壞形態(tài),保證架體達(dá)到專項(xiàng)施工方案設(shè)計(jì)規(guī)定的承載力。
連墻件的重要性顯而易見,尤其是近十年來全國(guó)各地高層建筑如雨后春筍一般拔地而起,腳手架受到的水平方向拉力和壓力隨著高度的增高而不斷增加。在混凝土結(jié)構(gòu)施工階段,外圍護(hù)墻往往尚未施工,結(jié)構(gòu)為敞開狀態(tài),再加上外腳手架的密目安全網(wǎng)等因素,造成了結(jié)構(gòu)施工階段外腳手架受到的水平風(fēng)荷載較大。
國(guó)內(nèi)外發(fā)生的單排或者雙排腳手架倒塌事故,基本上都是由于連墻件設(shè)置不足或者被拆掉而未及時(shí)補(bǔ)救引起的。因此,連墻件的計(jì)算是扣件式鋼管腳手架計(jì)算的重要部分。
1.1.1 構(gòu)造形式
預(yù)埋鋼管剛性連墻件為最常見也是使用最普遍的連墻件形式,一般做法:將長(zhǎng)約500 mm的鋼管預(yù)埋于結(jié)構(gòu)最外邊的梁內(nèi),用短鋼管將外腳手架與預(yù)埋鋼管扣件連接,如圖1所示。
圖1 預(yù)埋鋼管連墻件大樣圖
1.1.2 優(yōu)點(diǎn)分析
預(yù)埋鋼管連墻件的主要優(yōu)點(diǎn):
(1) 構(gòu)造簡(jiǎn)單,易于操作,因?yàn)椴捎昧伺c外腳手架相同的材料,通用性強(qiáng),對(duì)于外圍不規(guī)則結(jié)構(gòu)有著較好的適應(yīng)性。
(2) 安全性好,只要按照要求擰緊的直角扣件,其抗滑承載力能夠滿足大多數(shù)情況下風(fēng)荷載產(chǎn)生的壓力和拉力。
1.1.3 缺點(diǎn)分析
相較于預(yù)埋鋼管連墻件的主要優(yōu)點(diǎn)而言,其缺點(diǎn)也很明顯:施工后期拆除、修補(bǔ)耗時(shí)耗力,每個(gè)連墻件都會(huì)在外墻上形成一個(gè)較大的孔洞,在墻體施工過程中無法封閉,等到外架拆除時(shí),需要先將預(yù)埋的短鋼管用氧氣乙炔割除,再封閉外墻孔洞,然后粉刷連墻件處的外墻面,最后掛網(wǎng)施工外墻膩?zhàn)?、涂料。由上述可知,每個(gè)連墻件孔洞可謂是麻雀雖小,五臟俱全,外墻的每一道施工工序都不能落下。而在外架拆除階段,受制于工期及安全因素,這么多的工序往往是一兩天內(nèi)就要完成的,從而導(dǎo)致連墻件孔洞處墻體材料不密實(shí),很容易形成外墻滲漏點(diǎn)。而外墻的滲漏對(duì)工程后期的保修非常不利,需要耗費(fèi)大量的人力物力。
1.2.1 構(gòu)造形式
軟拉硬撐式連墻件通過柔性材料(如鋼絲繩)承受外腳手架的拉力,通過剛性材料(如鋼管)承受外腳手架的壓力。軟拉硬撐式連墻件適用范圍:不適宜預(yù)埋鋼管的外腳手架、構(gòu)造簡(jiǎn)單,高度較低的外腳手架。該種形式的連墻件在實(shí)際工程中運(yùn)用不多。其構(gòu)造形式如圖2所示。
圖2 軟拉硬撐式連墻件大樣圖
1.2.2 優(yōu)點(diǎn)分析
軟拉硬撐連墻件的主要優(yōu)點(diǎn):無須在結(jié)構(gòu)梁中預(yù)埋鋼管,所以也就不需要在拆除外腳手架時(shí)修補(bǔ)外墻,對(duì)于預(yù)防外墻滲漏是有利的。
1.2.3 缺點(diǎn)分析
軟拉硬撐連墻件的主要缺點(diǎn):
(1) 因該形式的連墻件將抗拉和抗壓分置于鋼絲繩和鋼管,其安全性能相對(duì)不足,所以適用場(chǎng)景有限制,只能應(yīng)用于高度較低、較為簡(jiǎn)單的外腳手架。
(2) 操作便利性不足。每個(gè)連墻件需要在混凝土結(jié)構(gòu)中施工膨脹螺栓,調(diào)整鋼絲繩的長(zhǎng)度及卡扣,再加上短鋼管頂撐。
1.3.1 構(gòu)造形式
抱箍式連墻件是將外腳手架與結(jié)構(gòu)框架柱以鋼管抱箍的形式相連接。適用范圍較少,主要適用于超高結(jié)構(gòu),無法將鋼管預(yù)埋于梁內(nèi)的情形。其構(gòu)造形式如圖3所示。
圖3 抱箍式連墻件大樣圖
1.3.2 優(yōu)點(diǎn)分析
抱箍式連墻件的主要優(yōu)點(diǎn):
(1) 安全性好,其結(jié)構(gòu)基本上等同于預(yù)埋鋼管連墻件,能充分發(fā)揮鋼管的抗拉和抗壓能力。
(2) 施工靈活,在部分超高結(jié)構(gòu)中,往往沒有結(jié)構(gòu)梁可用于外腳手架的連墻件預(yù)埋,采取抱箍式連墻件是個(gè)很好的選擇,高低調(diào)節(jié)也很方便。
1.3.3 缺點(diǎn)分析
抱箍式連墻件的缺點(diǎn)基本上跟預(yù)埋鋼管連墻件大同小異,都需要在外圍護(hù)墻體施工時(shí)預(yù)留連墻件孔洞,待外腳手架拆除時(shí)才能補(bǔ)上孔洞,留下了外墻的滲漏隱患。抱箍式連墻件在施工便利性上也略顯不足,抱箍的施工較為煩瑣。
1.4.1 構(gòu)造形式
后置螺栓連墻件采用端部焊接了鋼板的短鋼管作為連墻件,用預(yù)埋螺栓或穿梁螺桿將連墻件固定于混凝土結(jié)構(gòu)上。后置螺栓式連墻件的適用面較廣,只要是混凝土結(jié)構(gòu)基本上都能適用。其構(gòu)造形式如圖4所示。
圖4 螺栓式連墻件大樣圖
1.4.2 優(yōu)點(diǎn)分析
后置螺栓連墻件的主要優(yōu)點(diǎn):
(1) 克服了預(yù)埋鋼管連墻件、抱箍式連墻件需要在外墻預(yù)留孔洞的不足,有效消除了因外腳手架引起的外墻滲漏隱患。
(2) 適用面較廣,只要是混凝土結(jié)構(gòu)均可適用,施工靈活。
1.4.3 缺點(diǎn)分析
后置螺栓連墻件的缺點(diǎn):
(1) 工序復(fù)雜,需要焊接鋼板,鋼板上開螺栓孔,膨脹螺栓鉆孔等工序,也導(dǎo)致成本較高,相較其他形式連墻件不夠經(jīng)濟(jì)。
(2) 安全性受限制因素較多,膨脹螺栓的施工質(zhì)量、數(shù)量等因素都會(huì)影響到連墻件的抗拔作用力。
本文著重介紹的連墻件形式為預(yù)埋扁鐵式連墻件,該形式的連墻件結(jié)合了上述幾種連墻件的優(yōu)點(diǎn),在保證連墻件抗拉和抗壓承載力的同時(shí),兼顧了施工便利性、經(jīng)濟(jì)性,同時(shí)也消除了因外腳手架連墻件引起的外墻滲漏隱患。
2.1.1 構(gòu)造形式
預(yù)埋扁鐵式連墻件的構(gòu)造簡(jiǎn)單,由一根400 mm長(zhǎng)的40×4鍍鋅扁鐵和短鋼管組成。鍍鋅扁鐵端部開孔,直徑12 mm,將扣件的螺栓穿過鍍鋅扁鐵預(yù)開孔洞,從而將鍍鋅扁鐵和短鋼管連接起來。為保證鍍鋅扁鐵的錨固性能,將扁鐵彎折90°,在結(jié)構(gòu)施工時(shí),將扁鐵連墻件預(yù)埋至結(jié)構(gòu)梁內(nèi)。待結(jié)構(gòu)達(dá)到50%強(qiáng)度,將連墻件與外腳手架相連。短鋼管頂緊結(jié)構(gòu)面,承受水平壓力,鍍鋅扁鐵承受水平拉力。其構(gòu)造形式如圖5、圖6所示。
圖5 連墻件大樣圖
圖6 連墻件大樣圖(局部放大圖)
2.1.2 優(yōu)點(diǎn)分析
預(yù)埋扁鐵式連墻件的優(yōu)點(diǎn):
(1) 扁鐵預(yù)埋于結(jié)構(gòu)梁上側(cè)角部,既不影響梁側(cè)模支模,也不影響外圍護(hù)墻施工,無須在連墻件處留孔,從根本上消除了因外腳手架引起的外墻滲漏問題。
(2) 施工便利,靈活方便:扁鐵的加工只需要切割和鉆孔;結(jié)構(gòu)混凝土澆搗前固定于梁側(cè)模板;外腳手架搭設(shè)時(shí)可將連墻件直接相連,無須其他工具;拆除外腳手架時(shí)用手持切割機(jī)將外露的扁鐵割除即可。
(3) 安全性好。短鋼管和扁鐵的抗壓抗拉強(qiáng)度能夠抵抗絕大多數(shù)工程情況下的水平風(fēng)荷載作用力。
(4) 通用性強(qiáng)。只要是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),均可采用預(yù)埋扁鐵式連墻件。
下面以本人親歷的上海市浦東新區(qū)曹路基地南擴(kuò)區(qū)B07-03地塊配套初中工程為例,對(duì)預(yù)埋扁鐵式連墻件各項(xiàng)受力性能進(jìn)行計(jì)算論證。
2.2.1 工程概況
曹路基地南擴(kuò)區(qū)B07-03地塊配套初中工程位于上海市浦東新區(qū)曹路鎮(zhèn),東面為B07-04地塊,西臨龔華路,南臨秦家港路,北面為已建高層住宅小區(qū)。本工程由一棟教學(xué)樓、一棟綜合樓、一棟體育館、一棟實(shí)驗(yàn)樓以及連廊、門衛(wèi)、垃圾房、變電站組成。各子項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見表1。
表1 子項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)
本工程建筑設(shè)計(jì)施工年限50年,抗震7度設(shè)防,按照綠色建筑一星級(jí)設(shè)計(jì)。1#連廊為短肢剪力墻結(jié)構(gòu),抗震等級(jí)三級(jí),其余各建筑單體均為框架結(jié)構(gòu),教學(xué)樓、綜合樓、實(shí)驗(yàn)樓、體育館及2#連廊抗震等級(jí)為二級(jí),門衛(wèi)、變電站和垃圾房抗震等級(jí)為三級(jí)。工程基礎(chǔ)采用樁基+承臺(tái)形式,無地下室。
2.2.2 穩(wěn)定性驗(yàn)算
(1)基本參數(shù)計(jì)算:
采用的連墻件為40×4鍍鋅扁鋼、鋼管為48×3.2,均為Q235材質(zhì),抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=205 N/mm2
① 連墻件風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算(按腳手架頂部高度計(jì)算)
水平風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為:
Wk=0.7μzμsω0
(1)
式中查表可得:
μz=0.92,μs=0.693,ω0=0.55
故:
Wk=0.7×0.92×0.693×0.55=0.245 kN/m2
每個(gè)連墻件的覆蓋面積內(nèi)腳手架外側(cè)的迎風(fēng)面積為:
Aw= 4.5×3.8=17.1 m2
風(fēng)荷載產(chǎn)生的連墻件軸向力設(shè)計(jì)值為:
Nlw=1.4WkAw
=1.4×0.245×17.1=5.87kN
(2)
根據(jù)《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ 130-2011),連墻件約束腳手架平面外變形所產(chǎn)生的軸向力為:
N0= 3.0 kN
連墻件軸向力設(shè)計(jì)值:
Nl=Nlw+N0=5.87+3=8.87 kN
② 鍍鋅扁鋼開孔處抗拉強(qiáng)度驗(yàn)算:
開孔處截面面積:
Ac=(40-12)×4=112 mm2
鍍鋅扁鋼抗拉強(qiáng)度為:
σ=Nl/Ac≤0.85f=174.25 N/mm2
(3)
σ= 8 870/112=79.20≤174.25
故:鍍鋅扁鋼開孔處抗拉強(qiáng)度滿足要求。
(2)鍍鋅扁鐵錨固長(zhǎng)度驗(yàn)算:
近似法:鍍鋅扁鐵截面積為40×4=160 mm2,近似于φ14圓鋼截面積,將鍍鋅扁鐵近似于φ14圓鋼進(jìn)行錨固長(zhǎng)度La1驗(yàn)算:
(4)
(3)握裹力計(jì)算法:
按照鍍鋅扁鋼與混凝土水泥漿之間的握裹力計(jì)算錨固長(zhǎng)度:
需要滿足:
Asf≤S×u×La2
(5)
式中:u為混凝土對(duì)鍍鋅扁鋼的平均握裹力,取混凝土標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度的10%,即3N/mm2;S為鍍鋅扁鋼周長(zhǎng)。
(6)
錨固長(zhǎng)度取max{La1,La2}=132 mm
實(shí)際采用錨固長(zhǎng)度250 mm>132 mm,故:錨固長(zhǎng)度滿足要求。
(4)短鋼管抗壓穩(wěn)定性驗(yàn)算:
Nl/φA≤0.85f=174.25 N/mm2
(7)
由長(zhǎng)細(xì)比l/i=400/15.9的結(jié)果查表得到φ=0.949;
A=4.5 cm2
故:短鋼管穩(wěn)定性滿足要求。
(5)扣件抗滑承載力驗(yàn)算:
扣件抗滑移應(yīng)滿足:
Nlw≤Rc
(8)
式中:Rc為扣件抗滑移承載力設(shè)計(jì)值,直角扣件取8.0 kN。
Nlw=5.87 kN<8.0 kN
故:扣件抗滑承載力滿足要求。
總結(jié)起來,以安全性、施工便利性、外墻滲漏隱患、適用范圍以及經(jīng)濟(jì)性五個(gè)方面分別評(píng)價(jià)各個(gè)形式的外腳手架連墻件,按照一般、較好、好三個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),評(píng)價(jià)結(jié)果見表2。
表2 外腳手架連墻件評(píng)價(jià)表
從表2看出,預(yù)埋扁鐵式連墻件在各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)中均有較好的表現(xiàn),作為外腳手架連墻件有較好的優(yōu)勢(shì),可以為施工單位提高施工效率,減少因外腳手架連墻件引起的外墻滲漏等質(zhì)量通病,節(jié)省了工程成本。預(yù)埋扁鐵式連墻件是建筑工程外腳手架搭設(shè)提質(zhì)增效的有力工具。