吳 剛 萬立華 畢東海 張金山 柴 磊

1. 濟南市槐蔭區(qū)工程質(zhì)量與安全中心 山東 濟南 250023；2. 濟南市工程質(zhì)量與安全中心 山東 濟南 250014；3. 中建八局第二建設(shè)有限公司 山東 濟南 250014

外作業(yè)腳手架為建筑施工提供作業(yè)平臺及安全防護(hù)，它既要承受豎向施工荷載，又要承受水平向的風(fēng)荷載。作業(yè)腳手架是建筑施工安全的重要內(nèi)容，搭設(shè)高度24 m及以上的落地式鋼管腳手架及懸挑式腳手架均屬于建筑施工中危險性較大的分項工程。

在公共建筑、廠房工程建設(shè)中，大開間、大跨度、大體量建筑較多。由于這類建筑的柱網(wǎng)尺寸、建筑層高較大，使建筑施工腳手架連墻件的布置受到限制，不能滿足JGJ 130—2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》、JGJ 231—2010《建筑施工承插式盤扣件鋼管支架安全技術(shù)規(guī)程》等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求，給腳手架安全管理帶來了隱患。本文以實際工程為例，探討如何提高大跨度、高層高的框架結(jié)構(gòu)外作業(yè)腳手架在連墻件無法按正常設(shè)置時的架體穩(wěn)定性。

1 工程概況

濟南市槐蔭區(qū)某公共建筑工程8#樓，結(jié)構(gòu)形式為混凝土框架結(jié)構(gòu)，地下1層，地上6層，總高度27.0 m，首層層高為6.0 m，2—6層為4.2 m，主要柱距9.0 m。外架采用雙排盤扣式腳手架，由于與車庫相連，落地腳手架在車庫頂直接搭設(shè)，搭設(shè)高度12.5 m，在2層頂進(jìn)行一次懸挑，防護(hù)至屋面層，懸挑腳手架搭設(shè)高度為17.0 m。落地架與懸挑架的主要施工參數(shù)均為立桿縱距1.5 m、橫距0.9 m、步距1.5 m。

2 特殊工況下外架穩(wěn)定性施工方法

2.1 連墻件的重要性

外腳手架的寬度遠(yuǎn)小于縱向長度和豎向高度，側(cè)向剛度很小，只能依靠連墻件與建筑物的可靠連接來保持整體穩(wěn)定，架體寬度越小，腳手架的側(cè)向剛度越小，風(fēng)荷載作用下的側(cè)向變形就越大。

連墻件不但可以直接承受風(fēng)荷載，同時也能約束架體的橫向變形，阻止腳手架整體側(cè)向位移，防止腳手架向內(nèi)或向外傾覆。

此外，設(shè)置連墻件不僅是為防止腳手架在風(fēng)荷和其他水平力作用下產(chǎn)生傾覆，更重要的是它對立桿起中間支座的作用。這表明連墻件的設(shè)置對保證腳手架的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

根據(jù)本工程專項施工方案計算得出，需要按照兩步兩跨設(shè)置連墻件才能滿足風(fēng)荷載要求，如果采用在邊梁內(nèi)垂直預(yù)埋鋼管，使用直角扣件與外架水平拉結(jié)的傳統(tǒng)方法，無法滿足本工程實際需求。以兩層一個柱距空間為例，傳統(tǒng)做法僅能做到兩步六跨（兩側(cè)做抱柱拉結(jié)點），遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到施工方案及上述規(guī)范對連墻件的設(shè)置要求。因此，為保證施工安全，必須采取相關(guān)措施來解決連墻件不能正常設(shè)置問題。

2.2 規(guī)范中提高架體剛度的措施及應(yīng)用

在該工程的實際情況下，常規(guī)的抱柱及邊梁預(yù)埋連墻件已不能滿足要求，必須采取其他措施增強外作業(yè)架穩(wěn)定性。我們計劃從提高架體自身剛度入手作出改進(jìn)，具體分析如下。

1）根據(jù)JGJ 231—2010《建筑施工承插式盤扣件鋼管支架安全技術(shù)規(guī)程》第6.2.6條“對雙排腳手架的每步水平桿層，當(dāng)無掛扣鋼腳手板加強水平層剛度時，應(yīng)每5跨設(shè)置水平斜桿”。在此基礎(chǔ)上，可以在框架柱處沿柱高每兩步抱柱設(shè)置連墻件，并在該步的每一跨增加設(shè)置連續(xù)的“之”字形盤扣專用水平斜桿，形成一道水平桁架，將風(fēng)荷載通過連墻件傳遞給柱，并約束腳手架的橫向變形。

2）根據(jù)JGJ 231—2010《建筑施工承插式盤扣件鋼管支架安全技術(shù)規(guī)程》第6.2.6條“雙排腳手架的斜桿或剪刀撐設(shè)置應(yīng)符合下列要求：沿架體外側(cè)縱向每5跨每層應(yīng)設(shè)置一根豎向斜桿或每5跨間應(yīng)設(shè)置扣件鋼管剪刀撐”。在此基礎(chǔ)上，可以沿架體外側(cè)縱向每跨每步均設(shè)置一根豎向斜桿，以增加架體縱向剛度。

3）參照J(rèn)GJ 130—2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》第6.6.4條“高度在24 m以下的封閉型雙排腳手架可不設(shè)橫向斜撐，高度在24 m以上的封閉型腳手架，除拐角應(yīng)設(shè)置橫向斜撐外，中間應(yīng)每隔6跨距設(shè)置一道”。參照規(guī)范要求，我們可以在腳手架對應(yīng)位置增加豎直橫向斜撐（柱距9.0 m，立桿縱距1.5 m，斜桿間隔3跨一設(shè)），自底到頂連續(xù)設(shè)置，可以增大腳手架的橫向剛度（增加橫向斜桿會在一定程度上增加施工人員的行走和操作不便，因此設(shè)置間距需結(jié)合現(xiàn)場實際，在必要情況下操作層位置可斷開）。

以上述提高架體剛度的措施為基礎(chǔ)，我們制定實施方案，并針對盤扣式、鋼管扣件式架體的不同工況分別進(jìn)行了計算對比。

3 外作業(yè)腳手架穩(wěn)定措施可行性分析

3.1 盤扣式腳手架各方案計算對比

為驗證上述提高架體剛度措施是否可行，我們針對盤扣式腳手架設(shè)計了3種不同工況進(jìn)行定量對比分析，分別為增加上述措施前的現(xiàn)場實際工況、假設(shè)滿足施工方案中兩步兩跨連墻件的理想工況、采取上述加強措施后的工況，具體如下。

1）方案1（采取上述加強措施前的現(xiàn)場實際工況）。腳手架參數(shù)為：立桿縱距1.5 m、橫距0.9 m、步距1.5 m。盤扣式外腳手架采用Q345A的φ48 mm×3.2 mm焊接鋼管，橫桿采用Q235B的φ48 mm×2.5 mm焊接鋼管（圖1）。連墻件兩步六跨（兩側(cè)做抱柱拉結(jié)點）。

圖1 方案1腳手架搭設(shè)構(gòu)造

2）方案2（假設(shè)框架結(jié)構(gòu)中部存在可作為拉結(jié)點的梁、柱構(gòu)件，且滿足兩步兩跨，屬于施工方案中最理想狀態(tài)下的工況）。外腳手架體參數(shù)不變，與方案1相同（圖2）。連墻件正常能滿足兩步兩跨搭設(shè)要求。

圖2 方案2腳手架搭設(shè)構(gòu)造

3）方案3（采取上述加強措施后的工況）。框架柱處沿柱高每一步抱柱設(shè)置連墻件，并間隔兩步設(shè)置1道水平斜撐，腳手架對應(yīng)兩柱的正中間位置每間隔3跨設(shè)置1道豎直橫向斜撐，自底到頂連續(xù)設(shè)置（圖3）。在各個樓層標(biāo)高處按照常規(guī)做法每2跨設(shè)置連墻件。

圖3 方案3腳手架搭設(shè)構(gòu)造

采用通用有限元軟件SAP2000對腳手架進(jìn)行線性分析，Q235B鋼管彈性模量取2.06×105MPa，鋼管設(shè)計強度205 MPa（影響桿件的應(yīng)力比，本次計算不涉及）。取12.5 m×9 m即一跨框架間距的腳手架作為計算單元，采用空間半剛性節(jié)點框架計算模型，通過設(shè)置小橫桿來實現(xiàn)半剛性節(jié)點連接，桿端彈簧剛度為40 kN×m/rad；水平斜撐、大橫桿在節(jié)點處抗彎剛度均取40 kN×m/rad。支座設(shè)置：最左側(cè)兩立柱節(jié)點設(shè)置X向和Z向兩向約束（考慮其他榀對本榀的支撐作用），立柱底X向、Y向剛度設(shè)定為980 kN/m[1-5]（模擬與地面摩擦力）。

風(fēng)荷載取值參考JGJ 231—2010《建筑施工承插性盤扣式鋼管支架安全技術(shù)規(guī)程》，取0.30 kN/m2，木腳手板、鋼腳手板自重標(biāo)準(zhǔn)值取0.35 kN/m2，作業(yè)層欄桿與擋腳板自重標(biāo)準(zhǔn)值取0.17 kN/m，施工均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值3 kN/m2；施工均布活荷載僅考慮2層頂位置。

方案1屈曲分析結(jié)果如下（1×恒＋1×活＋1×風(fēng)作為屈曲分析工況）：平面外失穩(wěn)屈曲因子為1.31×10－4，可知為非穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，失穩(wěn)模態(tài)如圖4所示；風(fēng)荷載單工況下平面外（Y向）最大位移為75.536 mm，發(fā)生在第9步第4跨立柱位置，如圖5所示。

圖4 方案1失穩(wěn)模態(tài)

圖5 方案1風(fēng)荷載單工況下平面外（Y向）最大位移

方案2屈曲分析結(jié)果如下（1×恒＋1×活＋1×風(fēng)作為屈曲分析工況）：平面外失穩(wěn)屈曲因子為5.887 71，失穩(wěn)模態(tài)如圖6所示；風(fēng)荷載單工況下平面外（Y向）最大位移為8 mm，發(fā)生在第6步第2榀立柱位置，如圖7所示。

圖6 方案2失穩(wěn)模態(tài)

圖7 方案2風(fēng)荷載單工況下平面外（Y向）最大位移

方案3屈曲分析結(jié)果如下（1×恒＋1×活＋1×風(fēng)作為屈曲分析零初始條件）：平面外失穩(wěn)屈曲因子為6.569 28，失穩(wěn)模態(tài)如圖8所示；風(fēng)荷載單工況下平面外（Y向）最大位移為4 mm，發(fā)生在第二步位置，如圖9所示。

圖8 方案3失穩(wěn)模態(tài)

圖9 方案3風(fēng)荷載單工況下平面外（Y向）最大位移

3.2 盤扣式腳手架各方案對比結(jié)論

由上述各方案整體穩(wěn)定性與平面外位移情況可知，方案3采用改進(jìn)的方式，使盤扣式架體達(dá)到甚至超過設(shè)置兩步兩跨連墻件的剛度、穩(wěn)定性水平[6-7]。

3.3 鋼管扣件式腳手架各方案計算對比

考慮到目前建筑市場仍大比例使用鋼管扣件式腳手架，故對鋼管扣件式腳手架也按上述3種工況進(jìn)行比對計算，其余架體參數(shù)相同。

鋼管扣件式腳手架采用的材料均應(yīng)符合以下要求：鋼管扣件式外腳手架采用φ48.3 mm×3.6 mm鋼管（考慮到現(xiàn)場鋼管磨損折舊，腳手架計算采用φ48 mm×2.7 mm鋼管），扣件選用可鍛鑄制作的扣件，不得有裂紋、氣孔，不宜有縮松、砂眼。在螺栓擰緊扭力達(dá)65 N·m時，不得發(fā)生破壞。

1）方案1（采取上述加強措施前的現(xiàn)場實際工況）：同3.1節(jié)方案1。

2）方案2（假設(shè)框架結(jié)構(gòu)中部存在可作為拉結(jié)點的梁、柱構(gòu)件，且滿足兩步兩跨，屬于施工方案中最理想狀態(tài)下的工況）：同3.1節(jié)方案2。

3）方案3（采取上述加強措施后的工況）：同3.1節(jié)方案3。

采用通用有限元軟件SAP2000對腳手架進(jìn)行線性分析，鋼管彈性模量取2.06×105MPa，設(shè)計強度205 MPa。其他未單獨說明的計算單元、剛度設(shè)置、荷載參數(shù)與3.1節(jié)取值保持一致。

方案1屈曲分析結(jié)果如下（1×恒＋1×活＋1×風(fēng)作為屈曲分析工況）：平面外失穩(wěn)屈曲因子為10.15×10－5，可知為非穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，失穩(wěn)模態(tài)如圖10所示；風(fēng)荷載單工況下平面外（Y向）最大位移為115.1 mm，發(fā)生在第9步第4跨立柱位置，如圖11所示。

圖10 方案1失穩(wěn)模態(tài)

圖11 方案1風(fēng)荷載單工況下平面外（Y向）最大位移

方案2屈曲分析結(jié)果如下（1×恒＋1×活＋1×風(fēng)作為屈曲分析工況）：平面外失穩(wěn)屈曲因子為4.83，失穩(wěn)模態(tài)如圖12所示；風(fēng)荷載單工況下平面外（Y向）最大位移為12.2 mm，發(fā)生在第6步第2榀立柱位置，如圖13所示。

圖12 方案2失穩(wěn)模態(tài)

圖13 方案2風(fēng)荷載單工況下平面外（Y向）最大位移

方案3屈曲分析結(jié)果如下（1×恒＋1×活＋1×風(fēng)作為屈曲分析零初始條件）：平面外失穩(wěn)屈曲因子為5.40，失穩(wěn)模態(tài)如圖14所示；風(fēng)荷載單工況下平面外（Y向）最大位移為4.978 mm，發(fā)生在第2步位置，如圖15所示。

圖14 方案3失穩(wěn)模態(tài)

圖15 方案3風(fēng)荷載單工況下平面外（Y向）最大位移

3.4 鋼管扣件式腳手架各方案對比結(jié)論

由上述各方案整體穩(wěn)定性與平面外位移情況可知，方案3采用改進(jìn)的方式，使鋼管扣件式架體達(dá)到甚至超過設(shè)置兩步兩跨連墻件的剛度、穩(wěn)定性水平，是各方案中穩(wěn)定性最好的。

4 結(jié)語

本文所述施工方法，通過采取架體本身加固措施，增加腳手架各類斜桿設(shè)置，形成穩(wěn)定的水平、豎向桁架，能極大地提高架體的整體穩(wěn)定性，約束架體水平位移，特別適用于無法常規(guī)設(shè)置連墻件的大跨度、高層高框架結(jié)構(gòu)施工，值得推廣使用。