高層建筑扣件式腳手架支撐結構研究與有限元分析

侯玉飛 金寶宏

工程技術

高層建筑扣件式腳手架支撐結構研究與有限元分析

侯玉飛 金寶宏

伴隨不斷發展的城鄉建設速度，在高層建筑工程項目建設中，不論是其基本理論，還是其相應的技術措施，都有著廣泛應用，在這當中，扣件式腳手架支撐結構的管理又是其中應用較為重要且較為難以控制的關鍵之一。然而，由于目前高層建筑工程項目扣件式腳手架支撐結構在管理應用的時候，還存在一些缺乏成熟經驗的問題，這就使得進行高層建筑扣件式腳手架支撐結構的應用過程中，還存在各種問題，直接影響著高層建筑施工管理的效率，進而也嚴重影響著工程的施工質量和安全。下面結合工程實例，對高層建筑扣件式腳手架支撐結構進行了研究與有限元分析。

一、高層建筑扣件式腳手架支撐結構研究

1.工程概況

寧夏大武口區富錦嘉園4#工程為住宅樓，地下二層地上十八層；總建筑面積約32850.14m2，其中地上建筑面積為29788.14m2，地下車庫建筑面積為3060m2。總建筑高度54.90m，標準層層高2.8m。本工程鋼梁懸挑外架從二層頂板開始施工，分為兩個挑段：第一挑段為三～十層，第二挑段為十一～頂層。懸挑外架鋼梁采用普通熱軋I16工字鋼，外腳手架采用雙排單立桿鋼管扣件式腳手架（Φ48×3.5mm鋼管）。

2.腳手架構造

（1）使用φ20鋼筋固定懸挑梁尾端樓板，按照樓板厚度制作180～200mm樓板面的鋼筋股，在樓板鋼筋網中預埋，箍筋底部牢牢連接樓板下層筋。對挑梁進行安置過程中，在鋼箍內預埋挑梁尾端，固定打緊可使用木楔。選用6×19直徑Φ16的鋼絲繩。下端和挑桿和平桿、立桿的交點處綁在一起，相隔3m；上部在三層以上結構層樓板內預埋鋼筋拉環。使用鋼絲繩夾扣固定連接鋼絲繩和鋼梁及拉環。各端至少布置3個以上鋼絲繩夾扣，相隔距離為150mm。

（2） 在立桿處安裝工字鋼，將直徑為25mm的短鋼筋焊于梁上，超過100mm作為底座，腳手架立桿插入固定，接著和掃地桿相綁，由底部的懸挑架承受一段高度的腳手架荷載。腳手架每二步三跨設拉墻桿，在遇到柱、剪力墻后，使用鋼管抱箍拉結墻柱，在外側設腳手架立桿，在立桿內側設水平桿。

（3）立桿應使用對接扣件進行接長，兩根相鄰立桿的接頭不宜同步設置，同步內間隔一根立桿的兩個相隔接頭在高度方向錯開的距離必須在500mm以上，各接頭中心到主節點必須保持1/3步距以內的距離。在各作業層下部每一層鋪滿腳手架板、竹膠板或者模板當做硬防護層，懸挑架外側滿掛安全網，掛在立桿內側，使用由尼龍繩綁扎的1.5×6m的安全網，間距≤300。禁止綁扎使用綁扎絲。立桿最好采用對接，錯開各個接頭。鋪滿腳手板，和墻保持小于20cm的距離，同時不得存在空隙和探頭板。外側立面沿長度與高度連續設置剪刀撐，其斜桿連接立桿與伸出的小橫桿。必須在節點附近設置連墻桿，同時自底層第一步大橫桿處即進行設置，和主節點距離不超過300mm；固定外懸挑腳手架節點設置雙扣件。

（4）剪刀撐能有效避免腳手架產生縱向變形，對剪刀撐進行正確設置，能促使腳手架整體剛度增強。在該工程中，腳手架剪刀撐在腳手架外側立面沿著長度與高度進行了連續設置，剪刀撐斜桿必須連接立桿與伸出的小橫桿。剪刀撐斜桿和地面傾角為45°～60°。剪刀撐必須跟隨立桿，縱橫向水平桿等同步搭設。使用旋轉扣件將斜桿和立桿或橫向水平桿牢牢緊扣。剪刀撐斜桿使用搭接進行接長，搭接長度必須在1m以上，至少使用4個以上旋轉扣件進行固定，端部扣件蓋柜的邊緣到桿端距離在10cm以上，各組剪刀撐從底部到頂層為之字形進行連續設置，使用旋轉扣件和其相交的橫向水平桿伸出端進行固定，扣件中心和節點的距離必須在150mm以內。

（5）橫桿水平桿使用直角扣件在立柱上扣緊，伸出內外立桿必須在10cm以上，必須在橫向水平桿上設置縱向水平桿，靠內外立桿的縱向橫桿使用直角扣件在立桿內側和立桿固定，中間的縱向橫桿固定于小橫桿（橫向水平桿），必須保持40cm以內的間距。

（6）架體拉結（連墻件）使用剛性節點，和主節點間距必須在300mm以內，按照建筑物每層樓面的高度設置拉結垂直間距，水平間距3.0m即可設置一個連墻件，上下層設置為錯開的梅花形，轉角處1m內設一拉結點。拉秸稈和墻面保持水平設置，和腳手架連接的一段可稍稍往下傾斜，禁止上翹。在砼墻中預埋的連墻體，僅能在砼強度超過15MPa時使用。

（7）使用鍛鑄鐵制作扣件，保持和鋼管外徑一致的規格，扣件螺栓擰緊扭力矩必須大于40N·M，且小于65N·M，在主節點處對大、小橫桿（橫向水平桿）剪刀撐等進行固定，各種扣件中心點相互間距必須保持150mm以下，各桿件端頭伸出扣件蓋板邊緣距離必須在100mm以上，對接扣件必須轉上或轉內開口。

二、高層建筑扣件式腳手架支撐結構有限元分析

1.模型建立

該工程搭設的為懸挑腳手架，由于架體需要保證整體空間，對架體進行有限元分析則可使用有限元程序SAP2000，構建三維空間整體有限元分析模型。全部桿件都是干系單元，桿件間根據鉸接節點作建模分析處理。

2.有限元分析結果

（1）針對縱、橫向水平桿件以及懸挑橫桿，由于其主要作用為受彎，在截面應力和桿件撓度變形上，有限元計算與平面結構受力分析相似，并且手算結果相對較為保守，經過分析可知主要是以下原因造成二者相似：二者選擇了相似的假定和條件，重點在于跨數和荷載等效存在細微差別。

（2）針對實際在拉彎狀態的懸掛立桿，通過兩種不同算法得出略微不同的結果，有限元結果稍小，主要是因為將縱、橫向水平橫桿和斜撐桿的空間整體性考慮在內，能使得立桿內力顯著減小。

（3）對斜撐桿而言，因為其主要受軸向壓力，有限元分析結果比平面結構受力分析結果小得多，主要是因為有限元將腳手架支撐體系的空間整體性考慮在內進行分析，在整體結構中，斜支撐桿件更有效。

三、結語

總而言之，和有限元分析結果比較而言，平面結構受力分析所得結果相對較為保守，和現實情況更接近，存在相應的安全儲備，因此，這種懸挑式腳手架結構較為安全。

（作者單位：侯玉飛 ，寧夏大學新華學院；金寶宏，寧夏大學土木與水利工程學院）

寧夏大學新華學院院級科學研究基金項目14XHKY08