高層建筑懸挑腳手架工字形鋼梁穩(wěn)定性探索

何玉斌（廣西寧鐵建筑總公司，工程師，廣西　南寧　530003）

高層建筑懸挑腳手架工字形鋼梁穩(wěn)定性探索

何玉斌
（廣西寧鐵建筑總公司，工程師，廣西南寧530003）

摘要：對高層建筑工程實例進(jìn)行現(xiàn)場考察、數(shù)據(jù)整理，在此基礎(chǔ)之上，挑選一根具有代表性的工字形懸挑鋼梁分兩種工況進(jìn)行內(nèi)力計算和比較分析，發(fā)現(xiàn)按照規(guī)范搭設(shè)的鋼梁其承載力具有很高的富余度，以及斜拉鋼索與懸挑鋼梁協(xié)調(diào)作用對提高鋼梁的穩(wěn)定性非常重要，為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：鐵路發(fā)展；高層建筑；懸挑腳手架；工字形鋼梁；強(qiáng)度；穩(wěn)定

10.13572/j.cnki.tdyy.2015.04.007

國家高度重視鐵路持續(xù)健康、快速地建設(shè)與發(fā)展，據(jù)國發(fā)〔2013〕33號文《國務(wù)院關(guān)于改革鐵路投融資體制加快推進(jìn)鐵路建設(shè)的意見》，鼓勵鐵路多元化經(jīng)營，加大力度盤活鐵路用地資源，進(jìn)行土地綜合開發(fā)利用；土地及房產(chǎn)的開發(fā)必然迎來一個快速發(fā)展的機(jī)遇期。南寧鐵路局南寧南東區(qū)職工住宅樓（一期）工程，總建筑面積99 354.10 m2，框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，CFG樁—筏板基礎(chǔ)，地下一層車庫，標(biāo)準(zhǔn)層層高3 m，其中18層棟號的建筑總高度為60.45 m，抗震設(shè)防烈度為六度。本文以該工程為例，對高層建筑施工過程中懸挑腳手架鋼梁的安全穩(wěn)定問題進(jìn)行有益的探索。

1　參數(shù)信息

工字形鋼梁（見圖1）為180 mm×94 mm×6.5 mm× 10.7 mm，截面積A=3 042.50 mm2，截面慣性矩I=18 474 087.12 mm3，截面抵抗矩W=205 267.63 mm3，單位長度重量m=23.884 kg/m，鋼材強(qiáng)度等級Q 235。

圖1　工字形鋼梁截面尺寸（單位：mm）

2）腳手架鋼管（見圖2）其外徑D=48 mm，壁厚t=3 mm，截面積A=423.9 mm2，截面慣性矩I= 107 776.6 mm4，截面抵抗矩W=4 490.0 mm3，單位長度重量m=3.328 kg/m，鋼材強(qiáng)度等級Q 235。

圖2　鋼管截面尺寸（單位：mm）

3）外架搭設(shè)采取雙排單立桿〔1〕，縱向間距1.50 m，橫向間距0.70 m，內(nèi)立桿距離結(jié)構(gòu)主體0.30 m，步距1.80 m，兩步三跨設(shè)置剛性連墻件，腳手架外側(cè)立面連續(xù)搭設(shè)剪刀撐，懸挑腳手架每挑5層，高度15.0 m；腳手架立面見圖3所示。

圖3　腳手架立面圖（單位：mm）

4）施工均布活荷載取2.0 kN/m2。

2　工字形懸挑鋼梁實際工況及計算圖

腳手架及工字形懸挑鋼梁根據(jù)施工方案及《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》JGJ130-2011進(jìn)行搭設(shè)，鋼梁端部用鋼索斜拉，鋼梁安裝實物見圖4所示。

圖4　鋼梁安裝實物圖

本文分兩種工況進(jìn)行比較分析：

1）工況一。斜拉鋼索繃緊、穩(wěn)固，與鋼梁協(xié)調(diào)作用，計算簡圖如圖5。

圖5　工況一鋼梁受力計算簡圖

2）工況二。斜拉鋼索未繃緊，不與鋼梁協(xié)調(diào)作用，計算簡圖如圖6

圖6　工況二鋼梁受力計算簡圖

3　荷載計算

3.1腳手架靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值

1）鋼管的自重標(biāo)準(zhǔn)值為

3.328×10×10-3=0.033 28 kN/m

鋼管自重包括立桿、大橫桿、小橫桿、剪刀撐、扣件（18N/個），其標(biāo)準(zhǔn)值計算如下：

NG1=［15+（15÷1.8×1.5）+1.5÷0.5×0.9×0.5×（15÷ 1.8）+15÷sin 60×0.5］×0.033 28+18×38÷ 1 000=2.262 kN

2）腳手板的自重標(biāo)準(zhǔn)值，采用竹串片腳手板，標(biāo)準(zhǔn)值為0.35 kN/m2，

NG2=0.35×4×1.5×（0.7+0.3）/2=1.05 kN；

3）欄桿與擋腳手板自重標(biāo)準(zhǔn)值；采用欄桿、竹串片腳手板擋板，標(biāo)準(zhǔn)值為0.14 kN/m

NG3=0.14×4×1.5/2 =0.42 kN；

4）吊掛的安全設(shè)施荷載，包括安全網(wǎng)；0.005 kN/m2

NG4=0.005×1.5×15=0.112 5 kN；

5）經(jīng)計算得到靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值為

NG=NG1+NG2+NG3+NG4=2.262+1.05+0.42+0.112 5

=3.845 kN

3.2活荷載為腳手架上的施工荷載立桿按一縱距內(nèi)施工荷載總和的1/2取值。經(jīng)計算得到活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為

NQ=2×0.7×1.5×2/2=2.1kN

3.3工字形鋼梁自重標(biāo)準(zhǔn)值

q=23.88×10×10-3=0.238 8 kN/m

荷載進(jìn)行組合可求得計算簡圖上荷載設(shè)計值分別為：

P=1.2×3.845+1.4×2.1=7.554 kN

q=1.2×0.238 8=0.287 kN/m

4　工形懸挑鋼梁的強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗算

該案例在施工過程中，按照施工方案搭設(shè)腳手架，工字形懸挑鋼梁的安裝參照《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》JGJ130-2011進(jìn)行，滿足規(guī)范〔2〕的構(gòu)造要求；盡管如此，由于外墻轉(zhuǎn)角處不方便布置鋼梁，導(dǎo)致該部位有些鋼梁超出了規(guī)范〔2〕的允許范圍，安全性受到質(zhì)疑。

現(xiàn)特別選取該部分鋼梁中超出規(guī)范最多的一根進(jìn)行驗算，一方面用以闡述懸挑腳手架工字形鋼梁強(qiáng)度和穩(wěn)定驗算的步驟，二方面可以驗算該案例中少數(shù)不符合《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》要求鋼梁的安全性及安全儲備空間；三方面，如第二節(jié)所述，該鋼梁分兩種工況進(jìn)行比較分析，用以說明斜拉鋼索協(xié)調(diào)作用的重要性。

該梁工況為：4#樓第九層?xùn)|北方位外墻轉(zhuǎn)角處鋼梁，懸挑長度l2=2.80 m，擱置在樓面的長度l1= 2.10m；現(xiàn)采用清華大學(xué)土木工程系，結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器研制組研發(fā)的求解器對構(gòu)件進(jìn)行內(nèi)力的求解；計算過程及結(jié)果見圖7至圖12所示。

圖7　工況一加載圖

圖8　工況二加載圖

圖9　工況一剪力圖（單位：N）

圖10　工況二剪力圖（單位：N）

圖11　工況一彎矩圖（單位：N·m）

圖12　工況二彎矩圖（單位：N·m）

可知該梁的最大剪力及彎矩分別如下：

V1max=5 931.79+1 823.11=7 754.9 N，

M1max=4 063.52 N.m；

V2max=15 911.60+18 752.81=34 664.41 N，

M2max=35 118.04 N.m；

4.1鋼梁強(qiáng)度驗算根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017-2003第4.1.1條規(guī)范條文〔3〕計算工字形鋼梁的受彎正應(yīng)力：

σ1max=Mx/γx·Wnx=4 063.52×103÷（1.05×205 267.63）

=18.85 N/mm2<< f =215 N/mm2

σ2max=Mx/γx·Wnx=35 118.04×103÷（1.05×205 267.63）

=162.91 N/mm2< f =215 N/mm2

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017-2003第4.1條規(guī)范條文〔3〕計算工字形鋼梁的受剪應(yīng)力：

τ1max=VS/Itw=7 754.9×105 578.56÷18 474 087.12÷6.5

=6.82 N/mm2<< fv =215 N/mm2

τ2max=VS/Itw=34 664.41×105 578.56÷18 474 087.12 ÷6.5=30.49 N/mm2< fv=215 N/mm2

均滿足強(qiáng)度驗算要求。

4.2工字形鋼梁穩(wěn)定性驗算鋼梁穩(wěn)定性驗算按照《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》JGJ130-2011第5.6.4條規(guī)范條文〔2〕計算，穩(wěn)定性系數(shù)φb根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017-2003附錄B〔3〕計算，計算過程及步驟如下：

式中：ηb=0；

λy=l1/iy=2 800/22.09=126.75；

βb=1.25+0.31×1.77=1.80。

代入?yún)?shù)并計算得φb=2.56>0.6，則用φ′b代替φb，φ′b=1.07-0.282/φb=0.96<1.0，可以。

工況一、二的穩(wěn)定應(yīng)力分別如下：

ω1max=M1max/φ′bW=4 063.52×103÷0.96÷205 267.63

=20.62 N/mm2<215 N/mm2

ω2max=M2max/φ′bW=35 118.04×103÷0.96÷205 267.63 =178.21 N/mm2<215 N/mm2

均滿足穩(wěn)定性的要求。

5　分析與結(jié)論

本文對工程實例中腳手架工字形懸挑鋼梁建立模型、計算荷載，并選取一根具有代表性的鋼梁分兩種工況進(jìn)行內(nèi)力求解、驗算，通過比較分析可以得出如下結(jié)論：

1）從工況一的內(nèi)力計算結(jié)果上看，σ1max、τ1max、ω1max均小于鋼梁承載力限值的10%，并且該鋼梁的搭設(shè)工況超出規(guī)范允許范圍是最多的，可見高層建筑腳手架工字形懸挑鋼梁，在搭設(shè)規(guī)范，作用協(xié)調(diào)的情形下，承載能力富余度很高。因此，在實際施工當(dāng)中，可以考慮加大懸挑腳手架每挑的搭設(shè)高度。

2）從工況一、工況二內(nèi)力計算結(jié)果的比較上看，σ2max、ω2max均接近σ1max、ω1max的10倍，τ2max也接近τ1max的5倍，可見懸挑鋼梁端部斜拉鋼索是否與鋼梁協(xié)調(diào)作用對鋼梁的承載力、穩(wěn)定性來說影響都非常大。因此，在懸挑鋼梁及斜拉鋼索安裝過程中，務(wù)必保證二者協(xié)調(diào)作用，不能出現(xiàn)鋼索松弛、張而不緊等不良情形。

本文著眼于鐵路快速發(fā)展給房產(chǎn)開發(fā)帶來的重要機(jī)遇，立足于高層建筑施工過程中懸挑腳手架鋼梁的安全穩(wěn)定問題，對工程實例進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、工況分析及總結(jié)，并得出重要的結(jié)論，為工程建設(shè)過程中碰到的類似情況提供一個有益的參考。

參考文獻(xiàn)：

〔1〕南寧市建設(shè)工程質(zhì)量安全管理標(biāo)準(zhǔn)化圖集（強(qiáng)制性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）.

〔2〕JGJ 103-2011，建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范〔S〕.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.

〔3〕GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范〔S〕.北京:中國計劃出版社，2003.

〔4〕孫訓(xùn)方，方孝淑，關(guān)來泰.材料力學(xué)〔M〕.北京:高等教育出版社，2002.8.

〔5〕杜榮軍，姜傳庫.建筑施工手冊〔M〕.第4版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

文章編號：1006-8686（2015）0018-03

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

中圖分類號：TU731.2