新型拉桿式懸挑架的應(yīng)用及安全性能力學(xué)研究

李翔，呂祥冰，許旭東，趙蒙，袁潛

（1、中建五局第三建設(shè)有限公司，湖南 長沙 410004；2、吉林建筑大學(xué)，吉林 長春 130118）

1 工藝特點(diǎn)

在建筑施工中，外墻腳手架不僅為建筑外立面施工提供工作平臺，同時(shí)也起到臨邊防護(hù)的作用。傳統(tǒng)的腳手架一般采用懸挑式工字鋼梁，其穿越墻體伸入室內(nèi)錨固土樓板梁和樓面板上，錨固的長度不小于向外懸挑的1.25倍[1]，為滿足規(guī)范要求，會造成大量的鋼材浪費(fèi)，并且向內(nèi)錨固一長段工字鋼，會影響室內(nèi)其它工序的正常進(jìn)行，不利于各工序穿插和快速建造。拉桿式新型懸挑型鋼梁與建筑主體的連接采用可拆卸式預(yù)埋高強(qiáng)螺栓，無需向主體結(jié)構(gòu)內(nèi)錨固型鋼。其顯著特點(diǎn)有便于安裝拆卸、安全可靠、節(jié)省材料、不影響室內(nèi)施工等，可大大降低成本，縮短工期。構(gòu)造形式如圖1所示。

圖1 拉桿式懸挑腳手架剖面圖

2 選材和規(guī)格

懸挑工字梁：采用國標(biāo)18#工字鋼，其材質(zhì)應(yīng)符合國家《碳素結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 700-2006）Q235B號鋼的技術(shù)要求；其尺寸、外形、重量、偏差等應(yīng)符合國家《熱軋型鋼》（GB/T 706-2008）的要求，標(biāo)準(zhǔn)重量為24.143kg/m；工字鋼懸挑件各部位焊縫應(yīng)符合國標(biāo)《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》（GB50661-2011）二級焊縫的要求。

高強(qiáng)螺栓：采用規(guī)格M22×260，8.8級和M22×120，8.8級工字鋼，其材質(zhì)應(yīng)符合鋼結(jié)構(gòu)《高強(qiáng)度螺栓連接技術(shù)規(guī)程》（JGJ 82-2011）。

拉桿：采用Q345-A的φ18mm圓鋼，螺紋段長度0.3 m，上拉桿長1.6m。

3 施工做法

懸挑腳手架鋼挑梁的長度根據(jù)不同部位以及用途可分為普通型（1.25m～1.35m），加長型（1.5m～2m）和超長型（2m～3m）三種。上、下拉桿為Φ18圓鋼車絲，中間采用Φ30鋼管制成的花藍(lán)調(diào)節(jié)管用于調(diào)節(jié)拉桿。本文取長度為1.3m，水平間距為1.5m普通型懸挑梁研究為例，由于標(biāo)準(zhǔn)層主體結(jié)構(gòu)形式因位置而異，懸挑梁的構(gòu)造形式相應(yīng)有所改變，但對其力學(xué)性能的影響較小。具體做法見圖2～圖4。

圖2 上拉桿與上部混凝土結(jié)構(gòu)連接方式

圖3 花籃螺栓及下拉桿與型鋼連接方式

圖4 型鋼與下部混凝土連接方式

節(jié)點(diǎn)位置參數(shù) 表1

荷載參數(shù) 表2

4 設(shè)計(jì)參數(shù)及荷載布置

計(jì)算依據(jù)主要來源于國內(nèi)現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)范[2]～[5]。

圖5 平面布置示意圖

圖6 立面示意圖

5 安全性力學(xué)驗(yàn)算

5.1 主梁驗(yàn)算

荷載標(biāo)準(zhǔn)值：

第一排立桿處：P1'=F1'=6.789kN；

第二排立桿處：P2'=F2'=6.789kN；

荷載設(shè)計(jì)值：

第一排立桿處：P1=F1=8.574kN；

第二排立桿處：P2=F2=8.574kN；

計(jì)算簡圖如圖7。

圖7 計(jì)算簡圖

5.1.1 抗彎驗(yàn)算

圖8 彎矩圖（kN·m）

σ=Mmax/W=1.376×106/(185×103)=7.438 N/mm2≤[f]=215 N/mm2滿足要求。

5.1.2 抗剪驗(yàn)算

主梁材料力學(xué)性能表 表3

圖9 剪力圖（kN）

5.1.3 撓度驗(yàn)算

圖10 撓度曲線圖（mm）

νmax=0.015 mm≤[ν]＝2×l/250=2×1300/250=10.4mm滿足要求。

5.1.4 支座反力計(jì)算

設(shè)計(jì)值：

5.2 上拉桿件驗(yàn)算

上拉桿件角度計(jì)算：

上拉桿件支座力：

設(shè)計(jì)值：RS1=R2=12.896kN

由上拉鋼絲繩（桿件）作用造成的主梁軸向力：

上拉鋼絲繩（桿件）軸向力：

設(shè)計(jì)值：

上拉鋼絲繩（桿件）的最大軸向拉力：NS=max[NS1]=13.527kN

5.3 上拉桿與主梁連接點(diǎn)計(jì)算

5.3.1 螺栓抗剪驗(yàn)算

單個(gè)螺栓受剪承載力設(shè)計(jì)值

螺栓所受剪力：

5.3.2 吊耳板計(jì)算

吊耳板吊索方向的最大拉應(yīng)力：

吊耳板吊索方向的最大剪應(yīng)力：

吊耳板幾何尺寸與材料力學(xué)性能表 表4

5.3.3 角焊縫計(jì)算

鋼拉桿與連接板連接焊縫主要承受剪應(yīng)力：

5.4 上拉桿與建筑物連接點(diǎn)計(jì)算

由上式計(jì)算可得上拉桿與建筑物連接點(diǎn)最大軸向拉力Ns=13.527kN上拉桿1：

與建筑物連接螺栓所受拉力

與建筑物連接螺栓所受剪力

螺栓所受最大拉力

螺栓所受最大剪力

5.4.1 螺栓抗拉驗(yàn)算

單個(gè)螺栓受拉承載力設(shè)計(jì)值：

單個(gè)螺栓所受拉力：

5.4.2 螺栓抗剪驗(yàn)算

單個(gè)螺栓受剪承載力設(shè)計(jì)值

螺栓所受剪力：

5.5 懸挑主梁整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

主梁軸向力：N=Nsz1=4.084kN

壓彎構(gòu)件強(qiáng)度：

螺栓幾何尺寸與材料力學(xué)性能表 表5

受彎構(gòu)件整體穩(wěn)定性分析：

其中φb——均勻彎曲的受彎構(gòu)件整體穩(wěn)定系數(shù)，查表《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50017-2017)得，φb=2，由于 φb 大于0.6，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50017-2017)附錄 C，得到 φb'值為0.929。

Mmax/(φb'Wxf)=1.376×106/(0.929×185×103×215)=0.037≤1符合要求。

5.6 懸挑主梁與結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算

5.6.1 計(jì)算參數(shù)

見表5。

5.6.2 高強(qiáng)螺栓承載力計(jì)算

假設(shè)每個(gè)螺栓承受主梁傳來的拉力和剪力均相等。

單個(gè)高強(qiáng)螺栓所受的剪力值

單個(gè)高強(qiáng)螺栓所受的拉力值

單個(gè)高強(qiáng)螺栓抗剪承載力設(shè)計(jì)值

每個(gè)高強(qiáng)螺栓受拉承載力設(shè)計(jì)值

承壓承載力設(shè)計(jì)值

承壓承載力滿足要求。

6 結(jié)論

相對于傳統(tǒng)懸挑式工字鋼梁，采用新型拉桿式懸挑架具有明顯的優(yōu)勢。

①節(jié)約材料成本：傳統(tǒng)懸挑式工字鋼梁向內(nèi)錨固長度為向外懸挑長度的1.25倍，采用新型拉桿式懸挑架無需向內(nèi)延伸錨固工字鋼，可節(jié)約鋼材55.6%。傳統(tǒng)懸挑式工字鋼所需錨固件大體與新型拉桿式懸挑架所需螺栓、拉桿等配件價(jià)格相當(dāng)。

②安全可靠：由上述“5安全性力學(xué)驗(yàn)算”可知，新型拉桿式懸挑架系統(tǒng)的抗拉、抗剪、承載力等有大量的安全儲備，可確保外架的安全性。并且相較于傳統(tǒng)工字鋼梁懸挑架，新型拉桿式懸挑架的安裝對結(jié)構(gòu)主體的破壞更小，可進(jìn)一步降低在施工過程中建筑結(jié)構(gòu)主體的安全隱患。

③縮短工期：新型拉桿式懸挑架的安裝和拆卸簡便，懸挑梁無需伸入建筑內(nèi)部，外墻砌體、剪力墻無需預(yù)留洞口，免去了后期繁雜的修補(bǔ)工作。同時(shí)，由于新型拉桿式懸挑架不需要向內(nèi)錨固工字鋼梁，使得室內(nèi)施工不受室外施工進(jìn)度的影響，室內(nèi)外施工可獨(dú)立進(jìn)行，有利于各工序快速穿插，達(dá)到縮短工期的目的。