落地式腳手架是可以直接固定在地面上的架型結構主體，其作為重要的工程施工保障平臺，與其它承壓式結構相比，具有相對較強的荷載變異性。按照所屬搭建位置的不同，落地式腳手架可分為里腳手架、外腳手架兩大類；按照構造形式的不同，則可分為爬式腳手架、立桿式腳手架、挑式腳手架、橋式腳手架、懸吊式腳手架、門式腳手架等多種類型[1]-[2]。在保持附墻支撐的施工狀態(tài)下，落地式腳手架的扣件連接節(jié)點一般采用半剛性元件結構，且節(jié)點剛性能力實際數(shù)值受到安裝質量、扣件質量等多個條件的限制，在實際操作過程中，剛性節(jié)點的支撐性能也存在較大差異。

國內(nèi)關于落地腳手架結構的研究起源于上世紀60年代，而以英、日、法為代表的其他國家在上世紀70年代前后就已經(jīng)制定出了完整的腳手架應用標準。他們認為，這種架式形態(tài)結構滿足“單元集合”的力學承載條件，可通過計算復支撐力學指標的方式，然而傳統(tǒng)扣件式鋼管腳手架對高層住宅復雜形體結構的適應能力有限，很難實現(xiàn)對附著升降架體的穩(wěn)定支撐。為解決此類問題，本文對附著受力進行分析實驗，改進高層住宅落地式腳手架附墻安全支撐施工技術方案，并通過對比實驗的方式，分析落地式腳手架支撐性能。

1.高層住宅腳手架靜力、動力特性分析

高層住宅腳手架的靜力及動力特性條件由支撐載荷、振動方程、有限元邊界條件三部分組成，具體分析計算方法如下：

1.1 支撐載荷

為實現(xiàn)落地式腳手架的安全性附墻支撐，附著架體立桿間的縱向距離不得超過1.5m、橫向距離不得超過1.05m，相鄰縱桿、橫桿間的步距實值也必須小于1.5m。按照實際層高高度來計數(shù)，連墻桿豎直間距水平需要保持在4.5m-5.0m之間，也就是常說的“每層三跨”施工技術。按照高層住宅的形體結構進行設置，為保證附墻安全施工的有效性，首排腳手架立桿的實際位置必須低于落地支撐線，整個底部立桿則采取不同長度鋼管參差布置的搭建方式，利用鋼管立桿間的接頭交錯布置原理，使相鄰橫桿間的高度方向相互錯開達到500mm，且要求同一區(qū)域內(nèi)的架體接頭必須處于不同跨度分區(qū)環(huán)境中[3]-[4]。

設ξ代表架體立桿間的縱向距離實值，α代表架體立桿間的橫向距離實值代表底部鋼管的長度平均值，聯(lián)立上述物理量，可將地式腳手架的支撐載荷量表示為：

1.2 振動方程

與支撐載荷及其他靜力有限元條件一樣，架體振動方程建立必須選取固定的單元位移模式，也就是在腳手架外測立面的首端和尾端各設置一道獨立的剪刀撐結構。為獲取最大化的附墻穩(wěn)定性支撐系數(shù)，該結構必須由架體底部延續(xù)至頂部單元。出于安全性考慮，相鄰兩道豎直剪刀撐之間的凈距離數(shù)值不得大于15m。通常情況下，剪刀撐斜桿宜采用搭接的連接形式，相距1m的架體之間至少應保留2個旋轉扣件，以實現(xiàn)腳手架與墻體之間的固定性支撐[5]。在腳手架負重的情況下，剪刀撐斜桿會出現(xiàn)一定程度地振動趨勢，為避免附墻安全性支撐能力的下降，旋轉扣件的固定位置必須保持在橫向水平桿伸出端之上，而扣件中心線與腳手架主節(jié)點間的實值距離則不宜超過150mm。在搭設首層腳手架時，應沿架體四周設置多個斜支撐結構，除拐角點保持雙向諧振形態(tài)外，其余各支撐節(jié)點均處于單向諧振形態(tài)，以便后續(xù)施工性拆除的直接實施。設 k代表剪刀撐結構實際設置數(shù)量，δ代表腳手架旋轉扣件所具備的固定性支撐動量，聯(lián)立公式（1），可將高層住宅腳手架的動力學振動方程表示為：

其中，y1代表尾端剪刀撐結構的延續(xù)性支撐系數(shù)，y0代表首端剪刀撐結構的延續(xù)性支撐系數(shù)，u代表腳手架橫向水平桿的振動連接條件，w代表腳手架縱向豎直桿的振動連接條件。

1.3 有限元邊界條件

從參考落地式腳手架的節(jié)點分布情況（圖1）來看，分析附墻安全支撐施工的有限元邊界條件，需要以架體靜力特性原理及振動方程作為研究前提。一方面可防止振動連桿的不當滑動；另一方面也可降低架體底部支撐載荷量的擴張速率[6]。

設f代表與附墻撐力指標相關的線性分布條件，代表單位時間內(nèi)元件中的壓力承載變化量，聯(lián)立公式（2），可將落地式腳手架支撐施工有限元邊界條件定義為：

其中，λ代表架體所具備的線性承力系數(shù)，p代表施工變力的線性支撐負載量，e、r分布代表兩個不同的附墻穩(wěn)定性支撐力學指標，x代表安全性架體支撐附墻條件。

2.落地式腳手架附墻安全支撐施工方案

在高層住宅腳手架靜力、動力特性原理的支持下，按照架體結構、附著支撐子系統(tǒng)的搭建流程，完成新型附墻安全支撐施工技術方案設計。

出于安全性施工能力的考慮，高層住宅落地式腳手架（圖2）的架體結構平均搭建高度的設定參考建筑物標準層的實際層高，除個別架體結構外，架體縱向高度一般保持為50m，大多為8個小型步架外加1個大型單排架的物理結構，相鄰架桿之間的縱向距離處于1.8m-2.0m之間，而橫向寬度卻始終保持為1.0m左右[7]-[8]。兩個豎直立桿間的最大水平間距不得超過1.5m，且機位的橫向跨度也必須小于6.0m，高層住宅的安全性支撐施工準則規(guī)定：附墻支承跨度與架體全高間的乘積應小于110m，而單體支撐梁的長度則完全取決于水平支承跨度及架體懸挑長度，大部分情況下，處于5m-9m之間。

落地式腳手架承載力是穩(wěn)定控制的，非線性屈曲分析可以考慮結構的幾何非線性、材料非線性、初始缺陷和殘余應力等因素[9]-[10]，可以真實反映結構的實際情況。

圖1 腳手架部分節(jié)點圖

圖2 高層住宅落地式腳手架結構圖

圖3 高層住宅腳手架施工現(xiàn)場

非線性屈曲的方程表達式如下：

其中，KT表示結構總切線剛度矩陣，KT=KL+KN+KS,KL、KN、KS分別表示結構的線性剛度矩陣、大變形矩陣和總應力矩陣，δ、P分別表示總位移列陣和總荷載列陣。

采用線性屈曲分析可以預測屈曲荷載的上限。線性屈曲的分析是假設結構在受載變形過程中，無結構形狀的變化，而當屈曲發(fā)生時，結構構形才會突然跳到另一個平衡位置，其屈曲判斷準則為：

即：

式中，K0為初始剛度矩陣，K0=? BTDBdV，KG表示幾何剛度矩陣為屈曲特征值N分別為建立在結構初始構形上的應變矩陣、彈性矩陣、應力矩陣、形函數(shù)矩陣。Pcr、P分別為屈曲的臨界荷載、設計的使用荷載。

在線性屈曲分析中，假定結構失穩(wěn)時仍處于彈性小變形范圍內(nèi)，結構的內(nèi)力與外荷載呈正比。

3.實用施工檢測方案

為驗證落地式附墻腳手架的實際應用價值，設計如下對比實驗（圖3）。選取一處于施工狀態(tài)的高層住宅作為實驗監(jiān)測對象，在等高樓體兩側分別搭建新型落地式附墻腳手架和傳統(tǒng)扣件式腳手架，其中前者作為實驗組，后者作為對照組。在相同實驗環(huán)境下，不斷增加外界作用力的數(shù)值水平，記錄TSC、LSC支撐系數(shù)的具體變化情況。

借助數(shù)據(jù)記錄儀分析實驗組、對照組腳手架的橫向與縱向施工參量，在既定實驗時長內(nèi)，將兩組記錄數(shù)據(jù)同時輸入檢測分析主機中，研究相關指標參量的實際變化趨勢。

TSC系數(shù)、LSC系數(shù)都能夠直接反應附著落地腳手架的支撐穩(wěn)定性，通常情況下，參數(shù)指標的實值水平越高，腳手架的穩(wěn)定性能力越強，反之則越弱。

表1反應了50min的實驗時間內(nèi)，實驗組、對照組TSC系數(shù)的具體數(shù)值水平。

分析表1可知，對照組TSC系數(shù)的實值波動能力相對較強，去除最大數(shù)值3.92、最小數(shù)值3.69，可知對照組TSC系數(shù)的剩余極大值為3.91、剩余極小值為3.74，二者差值為0.17。實驗組TSC系數(shù)的實值波動能力相對較弱，去除最大數(shù)值5.15、最小數(shù)值5.11，二者差值僅為0.04，遠低于對照組的極限數(shù)據(jù)差值水平。從極大值角度來看，實驗組的5.15與對照組的3.92相比，上升了1.23；從極小值角度來看，實驗組的5.11與對照組的3.69相比，上升了1.42。綜上可知，應用落地式附墻腳手架后，TSC系數(shù)出現(xiàn)了明顯增大的變化趨勢，確實增強了附著架體結構的支撐穩(wěn)定性，實現(xiàn)了對高層住宅復雜形體結構的有效適應。

表1 TSC系數(shù)對比表

表2 LSC系數(shù)對比表

表2反應了50min的實驗時間內(nèi)，實驗組、對照組LSC系數(shù)的具體數(shù)值水平。

分析表2可知，對照組LSC系數(shù)的實值波動能力相對較弱，去除最大數(shù)值5.00、最小數(shù)值4.94，可知對照組TSC系數(shù)的剩余極大值為4.98、剩余極小值為4.95，二者差值僅為0.03。實驗組LSC系數(shù)的實值波動能力相對較強，去除最大數(shù)值6.73、最小數(shù)值6.66，二者差值為0.07，雖高于對照組的極限數(shù)據(jù)差值水平，但二者間差值距離不足0.10，基本可以忽略不計。從極大值角度來看，實驗組的6.73與對照組的5.00相比，上升了1.73；從極小值角度來看，實驗組的6.66與對照組的4.94相比，上升了1.72。綜上可知，應用落地式附墻腳手架后，LSC系數(shù)也出現(xiàn)了明顯增大的變化趨勢，增強了附著架體結構的支撐穩(wěn)定性，實現(xiàn)了對高層住宅復雜形體結構有效適應的實用需求。

圖4 風速傳感器安裝示意圖

圖5 荷載時程曲線圖

圖6 模擬功率譜與目標譜的對比曲線圖

風荷載監(jiān)測以風速為監(jiān)測指標，采用WinS．YX．FG．05V風速傳感器，風速傳感器安裝在附著式升降腳手架頂部，盡量避開塔吊起吊碰撞K域，采用螺栓固定牟固，防止使用過程中發(fā)生脫落，其安裝示意圖如圖4所示。

表3 腳手架風荷載體型系數(shù)

風荷載標準值ωk的計算公式如下：

上式中，k表示風壓的折減系數(shù)，在取當?shù)鼗撅L壓時，取值為0.7；μs表示腳手架的風荷載體型系數(shù)；μz表示風壓高度變化系數(shù)；ω0表示基本風壓，架體升降狀況時可以取值為0.25kN/m2。

由圖5可以看出，通過對風荷載進行檢測，可得出風荷載曲線，從而根據(jù)體型系數(shù)（表3）與《建筑結構荷載規(guī)范》進行調整，增強腳手架施工穩(wěn)定性。

為進一步驗證支撐穩(wěn)定性，采用Matlab編制響應程序，即可得到迎風面不同標高處的模擬功率譜與目標譜的對比曲線（圖6）。

從圖6可以看出，綠色表示目標曲線，紅色表示功率曲線。功率曲線與目標曲線之間擬合程度較高，證明功率滿足目標要求。主要原因在于本文支撐技術從附著支撐子系統(tǒng)方向著手，實現(xiàn)對框架主體的控制與支撐，完成高層住宅落地式腳手架附墻安全支撐施工技術方案設計，提高支撐穩(wěn)定性。

4.結語

落地式附墻腳手架完善了附著支撐子系統(tǒng)結構主體，又重新計算了支撐載荷的實際數(shù)值水平，通過架體振動方程的建立，確定必要的有限元邊界條件，實現(xiàn)了對高層住宅腳手架靜力及動力特性的分析研究。從實用性角度來看，TSC系數(shù)、LSC系數(shù)的同步上升，不僅解決了架體結構對高層住宅復雜形體結構適應性較弱的問題，也適當增強了腳手架主體結構的支撐穩(wěn)定性，符合推廣與應用的實際施工需求。