鐘 晨，朱旭峰，陳野平

1.安徽新華學(xué)院，安徽 合肥 230088; 2.建筑結(jié)構(gòu)安徽省普通高校重點(diǎn)實驗室（安徽新華學(xué)院），安徽 合肥 230088；3.中國能源建設(shè)集團(tuán)安徽電力建設(shè)第一工程有限公司，安徽 合肥 230088；4.合肥建工集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230088

關(guān)鍵字：裝配式建筑 外掛腳手架 有限元 穩(wěn)定性分析

1 引言

裝配式建筑是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、外圍護(hù)系統(tǒng)、內(nèi)裝系統(tǒng)、設(shè)備與管理系統(tǒng)的主要部分采用預(yù)制部品部件集成，且預(yù)制構(gòu)件通過可靠連接方式建造的建筑。與傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)建筑相比，具有質(zhì)量好、效率高、工期省、節(jié)能環(huán)保、改善勞動等優(yōu)勢［1］。近年來，隨著我國建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的持續(xù)推進(jìn)，越來越多的高層建筑選擇裝配式混凝土結(jié)構(gòu)，建筑工業(yè)化成為當(dāng)前一個重要趨勢。除了裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系、設(shè)計、材料外，施工技術(shù)也是保證其安全、質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)［2］。外掛腳手架通過穿墻螺栓附著于外墻上，具有方便拆裝、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、重復(fù)利用率高等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前廣泛使用的腳手架形式［3］。

2 外掛腳手架工藝原理

外掛腳手架由三個部分所組成：腳手板、三角支撐架和臨邊防護(hù)架，如圖1所示。

腳手板骨架采用50mm×50mm×3mm的方鋼管焊接而成，上鋪點(diǎn)焊3mm的花紋鋼板，縱、橫方鋼管利用M10螺栓套管連接，套管和外掛吊裝環(huán)的位置應(yīng)與三角支撐架錯開布置。

圖1 外掛提升式腳手架示意圖

三角支撐架是外掛腳手架主要的承重構(gòu)件，由水平橫桿、豎向立桿和斜向支撐組成，內(nèi)部采用10#槽鋼焊接連成整體，加勁桿選用6.3#槽鋼增加穩(wěn)定性。三角支撐架的兩端各有一個著墻支座，每個支座上預(yù)留兩個穿墻螺栓孔，便于與外墻體用穿墻螺栓連接。當(dāng)腳手板懸挑過大時，常在三角支撐架的加勁桿與預(yù)制外墻體內(nèi)側(cè)通道之間增設(shè)一道加強(qiáng)斜撐，以及在墻底角部設(shè)置角碼，兩者相互聯(lián)系可共同提高整個外掛腳手架的穩(wěn)定性［4-5］。

1.8 m的臨邊防護(hù)高度可有效防止施工人員墜落事故的發(fā)生，防護(hù)骨架采用40mm×40mm×3mm的方鋼管焊接，套管連接方式與腳手板相同，防護(hù)骨架內(nèi)側(cè)點(diǎn)焊25mm×25mm×2.5mm的鐵絲方格防護(hù)網(wǎng)片，外側(cè)焊接200mm高踢腳板。

3 外掛腳手架施工技術(shù)

對進(jìn)場的三角支撐架、腳手板、臨邊防護(hù)架等進(jìn)行全面檢查，確保鋼管及其配件的規(guī)格和質(zhì)量均合格。

（1）起吊三角支撐架。將預(yù)制三角架掛在塔式起重機(jī)掛鉤上，1人于地面指揮，2人站在落地腳手架上，1人在樓層室內(nèi)指揮，1人負(fù)責(zé)樓層操作面安全旁站。將三角架慢速吊至安裝位置附件，距離約0.5m，站在落地腳手架上的架子工扶正三角架，并調(diào)整好垂直度，配合指揮緩慢將臨邊防護(hù)架靠近預(yù)制外墻體，并將臨邊防護(hù)架與預(yù)制外墻體上預(yù)留孔洞對孔。

（2）安裝三角支撐架。由2人在室內(nèi)將穿墻螺栓連同三角架從墻內(nèi)側(cè)插入預(yù)留孔，在沒有擰緊所有臨邊防護(hù)架螺栓前，不能移動塔吊。在穿墻螺栓外側(cè)使用開口銷固定好穿墻螺母，內(nèi)側(cè)用雙螺母緊固，穿墻螺桿露出螺母應(yīng)不少于三扣，從而將三角支撐架固定在主體結(jié)構(gòu)上。將外三角架單元所有螺栓擰緊后，邊緩慢松鉤邊觀察整個受力體系是否有異常。按照上述步驟依次完成首層一圈外掛腳手架，完成后確保一圈封閉。二層操作同一層，外側(cè)操作人員站立位置為首層外三角架。

（3）檢查三角支撐架緊固情況。本層三角架安裝完畢后，使用扭力扳手逐個檢查穿墻螺栓是否鎖緊到位，確保安全穩(wěn)固。

（4）安裝走道板、護(hù)欄。將走道板和護(hù)欄一并起吊安裝到三角支撐架上，并用卡扣、螺母將其固定于三角架上方。

（5）安裝安全警示標(biāo)志。待首層安裝完成后，懸掛上安全警示牌和限重牌，標(biāo)識允許荷載等內(nèi)容。

（6）驗收。首先由施工單位自檢，合格后由項目部安全、質(zhì)量部門聯(lián)合檢查，在檢查合格后再由項目經(jīng)理、技術(shù)總監(jiān)等各相關(guān)單位負(fù)責(zé)人共同驗收，驗收合格后懸掛驗收合格牌，方可投入使用。

（7）周轉(zhuǎn)吊裝。采用塔吊分段整體提升方式，將組合后單段架體、護(hù)欄及架體平臺為單元整體提升。一般情況下，配備兩套外掛腳手架周轉(zhuǎn)。在每棟樓作業(yè)層的下一層預(yù)制外墻安裝一套外掛腳手架，對作業(yè)層臨邊施工人員進(jìn)行防護(hù)，作業(yè)層的預(yù)制外墻吊裝時同步安裝另一套外掛腳手架，作為上一層施工的防護(hù)架，即第N層外防護(hù)架提升至第N+2層安裝［4］。

4 外掛腳手架有限元分析

采用通用有限元軟件ABAQUS，建立外掛腳手架模型。三角支撐架、腳手板、腳手板骨架、臨邊防護(hù)均采用S4R殼單元模擬，材料屬性均為鋼材，取值為彈性模量Es=2.06×105N/mm2，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85×10-9t/mm3。截面尺寸如下：三角支撐架橫桿、立桿和斜桿都為100mm×48mm×5.3mm的槽鋼，加勁桿為63mm×40mm×4.8mm的槽鋼；腳手板骨架為50mm×50mm×3mm的方鋼管，腳手板用3mm厚的鋼板；臨邊防護(hù)骨架為40mm×40mm×3mm的方鋼管；穿墻螺栓按實際受力狀態(tài)用鉸接模擬［6］。

建立外掛腳手架標(biāo)準(zhǔn)模型尺寸如圖2所示：三角支撐架立桿800mm，三角架橫桿600mm，腳手板跨中長度1600mm，腳手板邊跨長度600mm，腳手板寬度600mm，臨邊防護(hù)骨架高1800mm。邊界條件按鉸接來模擬三角支撐架立桿上的四個穿墻螺栓實際受力情況［7］。

外掛腳手架主要承受的是和作用在腳手板上的豎向荷載，包括構(gòu)件自重、施工荷載以及冬季的雪荷載等，以及建筑主體上的水平風(fēng)荷載。

圖2 外掛架有限元模型

建立外掛式腳手架各構(gòu)件的自重荷載標(biāo)準(zhǔn)值，如表1所示。

表1 外掛腳手架構(gòu)件自重荷載

根據(jù)《腳手架安全技術(shù)規(guī)范》JGJ130-2011，考慮施工荷載和風(fēng)荷載，對腳手板施加豎直向下2.5kN/m2的面荷載，建筑主體由內(nèi)向外施加垂直于臨邊防護(hù)網(wǎng)面的面荷載0.73kN/m2為風(fēng)荷載［6］。模型中荷載布置方式均采用均布荷載，如圖3所示。

基本風(fēng)壓采用10年一遇且≮0.3kN/m2，基本風(fēng)壓設(shè)定為w0=0.3kN/m2，地面粗糙類別C類，建筑總高度按90m。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012，取風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz=1.43，風(fēng)荷載局部體型系數(shù):μs=1.0，風(fēng)振系數(shù)βz=1.71，可計算出作用在臨邊防護(hù)水平風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：

圖3 外掛架邊界條件及荷載布置

4.1 外掛腳手架模態(tài)分析

在標(biāo)準(zhǔn)尺寸外掛腳手架基礎(chǔ)上，分別對臨邊防護(hù)骨架里無水平加勁桿、居中設(shè)置一道水平加勁桿、等距設(shè)置兩道水平加勁桿的模型分別進(jìn)行數(shù)值分析，得到外掛腳手架前六階模態(tài)如圖4所示。從表2模態(tài)分析結(jié)果看，在地震情況下第一主振型以平動為主，較為合理。

圖4 外掛架模態(tài)分析

表2 外掛架前六階振型情況

4.2 標(biāo)準(zhǔn)尺寸外掛腳手架模擬分析

在標(biāo)準(zhǔn)尺寸外掛腳手架基礎(chǔ)上，首先分別對臨邊防護(hù)骨架里無水平加勁桿、居中設(shè)置一道水平加勁桿、等距設(shè)置兩道水平加勁桿的模型分別進(jìn)行數(shù)值分析，得到如下圖5的應(yīng)力與變形云圖。由表3數(shù)據(jù)可知，居中設(shè)置一道水平加勁桿時，峰值應(yīng)力較小，兩道水平加勁桿次之，無水平加勁桿峰值應(yīng)力最大。經(jīng)分析，外掛腳手架對水平風(fēng)荷載非常敏感，等距增加兩道水平加勁桿時，其提供的抗側(cè)剛度非常有限，且兩道水平加勁桿受風(fēng)面均多承擔(dān)了風(fēng)荷載，增加了水平力。故建議設(shè)計時應(yīng)重點(diǎn)考慮水平風(fēng)荷載的影響，可沿臨邊防護(hù)高度方向居中設(shè)置一道水平加勁桿。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)模型防護(hù)骨架水平加勁桿設(shè)置分析

表3 標(biāo)準(zhǔn)模型防護(hù)骨架水平加勁桿設(shè)置模擬分析數(shù)據(jù)

其次對安裝三角支撐架的穿墻螺栓進(jìn)行受力分析，模擬結(jié)果見圖6。其中右上角位置的螺栓為1號，其余2～4號按順時針編號，即1、3號為上部螺栓，軸向受拉；2、3號為下部螺栓，軸向受壓。三角支撐架局部模擬分析結(jié)果見圖7，可見螺栓處的應(yīng)力及沿三個整體坐標(biāo)系方向的位移數(shù)據(jù)。由于本次分析外掛腳手架各部件均采用三維殼單元進(jìn)行分析，具有空間剛度，在外力作用下，三角支撐架發(fā)生微小的水平偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致穿墻螺栓產(chǎn)生了一定的水平剪力，如表4所示。

圖6 外掛腳手架穿墻螺栓受力分析

圖7 三角支撐架局部模擬分析

表4 標(biāo)準(zhǔn)模型防護(hù)骨架水平加勁桿設(shè)置模擬分析數(shù)據(jù)

再對連接臨邊防護(hù)一側(cè)腳手板骨架鋼材厚度進(jìn)行變參數(shù)分析，厚度分別取3.0mm、3.5mm、4.0mm、4.5mm、5.0mm，應(yīng)力云圖和最大應(yīng)力見圖8、表5。通過分析可知，隨著連接臨邊防護(hù)一側(cè)腳手板骨架鋼材厚度增加，最大應(yīng)力逐步減小。

圖8 改變連接臨邊防護(hù)一側(cè)腳手板骨架鋼材厚度模擬分析

表5 改變連接臨邊防護(hù)一側(cè)腳手板骨架鋼材厚度模擬分析數(shù)據(jù)

最后，在外側(cè)腳手板骨架連接臨邊防護(hù)兩端且平行于臨邊防護(hù)骨架內(nèi)側(cè)位置（圖9所示），通過焊接各增加一道3mm厚的加勁鋼板后，進(jìn)行模擬分析的應(yīng)力云圖見圖10。通過分析可知，增加兩塊加勁板可有效減小最大應(yīng)力，而增加的鋼材質(zhì)量卻非常少，可有效控制成本增加。加勁板位于臨邊防護(hù)骨架內(nèi)側(cè)下對最大應(yīng)力稍小于位于臨邊防護(hù)骨架外側(cè)下，從方便施工角度，建議在外側(cè)腳手板骨架兩端口部增加。

圖9 連接臨邊防護(hù)的腳手板骨架內(nèi)增加加勁板(t=3mm)示意圖

圖10 連接臨邊防護(hù)的腳手板骨架增加加勁板(t=3mm)模擬分析

表6 連接臨邊防護(hù)的腳手板骨架增加加勁板(t=3mm)模擬分析數(shù)據(jù)

4.3 穿墻螺栓的承載力驗算

將三角支撐架和預(yù)制外墻體連接在一起的穿墻螺栓同時受拉和剪力作用，螺栓內(nèi)徑為d=8.37mm，對于4.6級、4.8級鋼材的C級普通螺栓，抗拉強(qiáng)度設(shè)計值為170MPa，抗剪強(qiáng)度為140MPa。由表4可進(jìn)行穿墻螺栓承載力驗算：

（1）穿墻螺栓單獨(dú)受拉時，M10螺栓抗拉承載力設(shè)計值為：

（2）穿墻螺栓單獨(dú)受剪時，M10螺栓抗剪承載力為：

（3）同時受剪和受拉

螺栓1：水平拉力 Nt1=1510N，剪力Nv1=760N。

M10螺栓滿足要求。

螺栓2：水平壓力 Nt2=1329N，剪力Nv2=1599N。

M10螺栓滿足要求。

螺栓3：水平拉力 Nt3=1537N，剪力Nv3=720N。

M10螺栓滿足要求。

螺栓4：水平壓力 Nt4=1358N，剪力Nv4=1633N。

M10螺栓滿足要求。

5 結(jié)論

由以上模擬分析和螺栓承載力驗算可知：（1）在最不利工況下，外掛架各構(gòu)件應(yīng)力水平正常，不會發(fā)生整體傾覆；（2）可在臨邊防護(hù)骨架里沿防護(hù)高度方向居中設(shè)置一道水平加勁桿，可降低其峰值應(yīng)力；（3）對外側(cè)腳手板骨架的兩端平行于臨邊防護(hù)骨架的位置，通過焊接各增加一道3mm厚的加勁鋼板，可在少量增加成本的基礎(chǔ)上獲得穩(wěn)定性能的提升。

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)外掛腳手架的應(yīng)用，達(dá)到了提速降本增效的目的，而且在保證工程質(zhì)量、降低施工風(fēng)險方面也具備優(yōu)勢，符合當(dāng)前綠色建造的趨勢。模擬計算結(jié)果顯示，施工外掛腳手架本身安全穩(wěn)定，并具有較大的安全儲備，驗證了外掛腳手架設(shè)計的安全可靠性。