鋼管外腳手架穩定承載力研究及設計優化

謝向陽

(中國建筑工程(澳門)有限公司，澳門 999078)

0 引言

由于城市土地價格等原因，超高層建筑的應用在大城市成為一種趨勢。隨著建筑層數及總高度的增加，更為經濟和安全的各類型爬架開始逐步取代傳統懸挑扣件式鋼管外腳手架。但對于外墻裝修復雜的超高層建筑，如采用外保溫或飾面磚的住宅、公寓等建筑，外墻裝修工序多、濕作業工程量大，如采用爬架兼作裝修外架，將不得不降低結構施工速度來保證結構與外裝修同步施工，或結構完成后爬架下行進行外裝修施工，或者爬架拆除后采用吊籃施工，這些方式均將對工期形成較大制約。因此，分段懸挑扣件式鋼管外腳手架以其結構施工、外墻裝修互不影響的優勢而仍將被長期采用。

在鋼管外腳手架設計中，工程技術人員對腳手架桿件間距布置及連墻件設置方式對于規范允許承載計算結果的重要性有普遍認識。但由于建筑設計越來越多元化、立面變化復雜程度越來越高，工程現場所遇到的實際工況常超出規范計算中所依據的簡單構造標準。因此，工程技術人員需對架體實際承載機制有一定了解，從而能靈活、安全地應用規范并處理復雜工況。

本文對鋼管外腳手架穩定承載機制進行系統的初步分析，重點對鋼管外腳手架斜桿(剪刀撐)、連墻件的作用及效能進行定性分析。

1 鋼管外腳手架穩定承載機制

1.1 架體穩定承載力與抗側移能力直接相關

在JGJ 130—2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》[1]和國外規范如BS 5975—2008[2]中，單、雙排腳手架穩定性計算為鋼管外腳手架設計的關鍵性工作，計算原理均基于兩端鉸接細長壓桿的臨界力公式(Pcr=π2EI/l2)，EI對于水平承載的梁為抗彎剛度，對于豎向承載的壓桿則為抗側移剛度。即鋼管外腳手架立桿沿高度方向的各處抵抗水平方向的位移能力越強，立桿穩定承載力越高。在GB 50017—2017《鋼結構設計標準》[3]穩定性計算部分，按結構側移剛度情況將框架劃分為無支撐純框架、強支撐框架、弱支撐框架，表明結構側移剛度與穩定性計算直接相關。對于腳手架支撐體系，抗側移能力直接決定架體穩定承載力。

由于架體在水平力作用下的側移模態，相較于豎向力作用下屈曲模態，能更直觀地分析和表述穩定承載機制，因此，以下采用側移模態進行圖示及說明。

1.2 單元框格抗側移機制分類及能力比較

2種抗側移類型統一表述為純框架型(無斜桿)、支撐型(有斜桿)。文獻[4]系統分析總結了腳手架架體中各類桿件及節點約束抗側移機制，提出純框架型由立桿(柱)與水平桿(梁)節點轉動約束抗側移，支撐桿型主要由立桿、水平桿、斜桿組成的三角形機構抗側移。采用MIDAS軟件進行建模分析，其中各扣件半剛性節點參數采用文獻[4]中多參數模擬方案。在頂部水平推力作用下，不同類型框格單元抗側移能力如圖1所示，可知純框架型抗側移能力遠低于支撐型。

圖1 不同類型框格單元抗側移能力示意

1.3 整架中各類構件對抗側移能力的影響

各種架體構造組合在相同水平推力作用下的側移量如表1所示。

表1直觀體現了純框架、豎向斜桿、水平斜桿、連墻件單獨及組合作用下的抗側移效果，與文獻[4]所闡述的機制及效能一致。

表1 不同構造架體單元側移量

1)連墻件抗側移能力最強，但工程實踐中難以

做到逐個豎向平面(每跨)配置。

2)配置豎向斜桿的豎向平面具有較強抗側移能力。

3)無豎向斜桿的純框架抗側移能力最弱。

4)水平斜桿在各豎向平面存在抗側移能力不一致時起傳遞協調作用，當各平面抗側移能力一致時則基本不起作用。

2 鋼管外腳手架構件對承載力的作用

雙排鋼管外腳手架盡管為臨時工程結構，但屬于較復雜結構體系，其穩定承載力由架體縱橫跨距與步距、縱橫向斜撐、連墻件步距與跨距等多重因素綜合決定。

建立12跨(縱跨距1.5m、橫跨距0.9m)18步(步距1.8m)的18m寬、32.4m高雙排鋼管外腳手架完整架體模型(見圖2)，采用MIDAS中特征值屈曲分析模塊計算特征值屈曲因子λ，通過對比λ變化，定性分析各因素對架體穩定承載力的影響情況。

圖2 完整架體構造

屈曲計算類型中xz代表限制y向位移、僅對架體縱向(平行于建筑物外墻)平面進行屈曲分析；yz代表對橫向(垂直于外墻)平面的分析；3D代表架體xz，yz平面同時計算，即架體整體屈曲分析。

2.1 扶手桿、剪刀撐

在由立桿、大橫桿、小橫桿組成的①基本架體基礎上，分別及同時在外側xz平面增加②扶手桿(豎向間距0.6m)、③剪刀撐(每6跨通高設置)，對立桿xz，yz平面及3D整架進行屈曲分析。在頂部均布豎向荷載作用下，屈曲因子λ計算結果如表2所示。

表2 不同連墻件條件下不同架體構造的各向λ變化

在無連墻件作用下，①基本架體立桿xz平面λ大于立桿yz平面，即yz平面為架體穩定承載力瓶頸。其基本原理在于，同等截面尺寸的立桿水平桿組成的純框架，跨度越大抗側移剛度越大。

按2步3跨增設連墻件后，xz，yz平面、3D整架的λ均大幅度提高的同時，yz平面仍顯著弱于xz平面。

在常規連墻件設置條件下，xz平面外排立桿分別或同時增加水平扶手、剪刀撐，xz平面λ大幅度提高，yz平面λ基本不變甚至有所下降(自重增加)，架體總體λ僅發生小幅變化，甚至有所下降。縱向平面增設扶手桿、剪刀撐時，使xz平面抗側移能力有大幅度提高，但對yz平面抗側移能力無作用，反而由于自重增加導致架體穩定承載力略有下降。

在無連墻件情況下，基本架體的λ為0.7，在按工程常規采用2步3跨設置連墻件后，λ達2.73，為前者的近4倍。連墻件設置與否導致穩定承載力的變化，遠大于剪刀撐、扶手設置與否所帶來的變化。連墻件作為基本無側移的剛性支撐點，對xz，yz平面均能提供較大的側向支撐力。

2.2 橫向斜桿(斜撐)

在2步3跨設置連墻件的條件下，按間隔6跨通高連續設置④橫向斜桿，xz平面λ基本不變、yz平面大幅度增加，但3D整架λ僅有小幅度增加。當每跨設置橫向斜桿(嚴重影響通行、無實際工程意義)時，無論有無連墻件，屈曲均首先發生在xz平面，即其顯著提高yz平面抗側移能力。連墻件、橫向斜桿、扶手桿、剪刀撐對架體總體穩定承載力的作用及邊際效應情況如表3所示。

表3 不同構造及橫向斜桿水平間隔下架體λ變化

2.3 連墻件設置

在每2步設置連墻件的條件下，隨著連墻件跨間隔的增加(每跨設置至每12跨設置)，架體λ降低，超過3跨設置后，降低幅度增大，如表4所示。

表4 不同連墻件水平間隔下架體λ變化

在每3跨設置連墻件條件下，隨著設置步間隔增加(每步設置至每9步設置)，架體λ明顯降低，在2步及以上設置時，架體穩定承載力由yz平面穩定性決定，如表5所示。

表5 不同連墻件豎向間隔下基本架體各向λ變化

2.4 分析小結

在雙排鋼管外腳手架工程實踐中，除基本架體桿件外，2步3跨連墻件、外側平面扶手桿(分別從架體穩定承載和作業人員保護角度)屬于必須采取的措施。

1)立桿橫向(yz)平面抗側移能力大幅度低于縱向平面(xz)，為架體穩定承載力的瓶頸。此外，鋼管外腳手架按均布施工荷載進行設計計算，而實際工況下大多為局部荷載，對于每片僅2根立桿的yz平面而言，承載時狀況與規范設計荷載一致；對于每片存在多排立桿的xz平面，部分立桿可能并未承載，如文獻[4]指出的，架體局部承載的穩定性高于均布承載，即xz平面工況承載基本低于設計標準。因此，xz平面安全儲備高于甚至遠高于yz平面，工程實踐中應重點關注yz平面構造情況。

2)外側扶手桿、剪刀撐僅能增大非穩定承載瓶頸的xz平面抗側移能力，對架體穩定承載力的作用有限。其中，外側扶手桿因屬安全防護功能性桿件不能取消，而外側橫向整體性布置的剪刀撐，由于扶手桿(必須設置)的存在，其對穩定承載力的增加無作用，因此，建議規范中不宜過度強調其作用，甚至常規架體上可考慮取消。工程實踐中，塔式起重機附墻件、施工電梯附墻件、卸料平臺導致局部立桿斷開的情況有時難以避免，此時應設置局部剪刀撐，但此類剪刀撐與規范所強調的整體性外側橫向剪刀撐的加強作用存在較大區別，建議規范針對不利工況作出相應嚴格規定，尤其需強化斷點所在yz平面補強措施。

3)由于連墻件的存在，橫向斜桿在具備工程應用可行性的設置密度條件下(間隔6跨)，對架體穩定承載力的作用有限。但對于層高較高或其他原因導致連墻件設置不得不超過2步的工況，采用橫向斜桿對yz平面進行加強具有較強的實用意義。

4)連墻件設置對穩定承載力影響較大，是架體穩定承載力的決定性因素。從技術、經濟角度分析，2步3跨屬于較優設置間隔。

3 超高層懸挑扣件式鋼管外腳手架設計優化

3.1 超高層懸挑外腳手架設計常見問題

在指導超高層懸挑外腳手架設計計算的核心規范中[1]，立桿穩定性、連墻件扣件抗滑移為較常見不能通過驗算的項目，需進行架體設計調整。尤其對于基準風壓值較高區域，如沿海地區，較高位置腳手架在組合風荷載條件下架體的立桿穩定性計算及連墻件扣件抗滑移驗算成為架體設計的關鍵。因此，風荷載為整個架體設計的控制性因素。

設定算例架體處于深圳地區(規范基本風壓為0.45kPa)，懸挑底部離地175m(風荷載高度變化系數μz約為2.03)、架體自身高度為25.2m，預設立桿步距1.8m、橫距0.9m。

算例架體不組合風荷載時，立桿縱距1.5m(較優工程實踐縱距為1.5m左右)、連墻件2步3跨滿足規范要求；組合風荷載時，立桿縱距≤0.9m，且連墻件2步1跨設置(相當于至少每個結構層的每道立桿均必須設置連墻件)，這將導致懸挑工字鋼機構及連墻機構安裝、拆除及洞口修補等工作大幅度增加，給外墻施工帶來重大不利影響。

3.2 荷載效應組合的優化

JGJ 80—2016《建筑施工高處作業安全技術規程》[5]規定，6級以上強風不得進行高處作業。規范未對6級風進行具體說明，通常可理解為以氣象臺天氣預報為標準，即空曠地面10m高度2min平均風速10.8～13.8m/s。工程實踐中一般作業面上出現強風即會停止人員作業，強熱帶風暴及以上預警后即采取撤出人員、移除作業面材料直至部分或全部拆解安全網等措施。

JGJ 130—2011中基本風壓系按GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》[6]中重現期10年對應的風壓值取值，該取值以預防 10年為重現期的10min平均風速最大值為標準，深圳地區對應取值為0.45kPa。按伯努利方程，該基準風壓換算為10min基本風速約為26.8m/s。根據文獻[7]，按世界氣象組織(WMO)推薦值，基本風速換算為國家氣象局風力等級預報(按2min平均風速最大值劃分)風速約為28.2m/s，相當于10～11級強熱帶風暴；換算為3s瞬時陣風(陣風因子1.43)為38.3m/s，風力等級13級。

架體(縱距1.5m、連墻件2步3跨設置，鋼管壁厚3mm)在承受2層結構裝修施工荷載(共6kN/m2)下，各類條件組合的立桿穩定性強度驗算結果如表6所示。

表6 不同風力、荷載及安全網條件下立桿σ值

由表6可知，通過采取防風措施，如惡劣氣候條件預報后，根據情況拆解部分或全部安全網，可避免采用極不經濟便利的架體構造方式。因此，對于基本風壓較高地區，建議在立桿穩定性計算階段采用如下方法。

1)采用永久荷載+0.9×(可變荷載+風荷載)荷載效應組合時，基本風壓宜≤0.12kPa(6級強風基本風壓)；如采用規范基本風壓，則可變荷載中不宜組合施工荷載。

2)針對極端氣候，可通過制訂防風預案確定安全網的拆解規定，對應調整風荷載體形系數(μs)之后進行驗算。

以上方法在確保架體各工況安全的前提下，可避免不必要的過度冗余構造，大幅度提高架體設計方案的技術經濟性和工程應用便利性。

3.3 連墻件設置的優化

根據規范條文，連墻件布置方式不同，對應立桿穩定性驗算(計算長度μ的選取)和連墻件扣件抗滑移驗算將不同。其中，扣件抗滑移驗算僅與迎風面積及風荷載標準值相關，如不能通過驗算，則需加密連墻件設置。而較高基本風壓值區域的超高層懸挑架，往往不能通過驗算。

算例在不同風力、安全網條件下連墻件拉力計算值如表7所示。按規范公式，0.45kPa基本風壓下連墻件加密1倍仍不能滿足雙扣件允許抗滑力12kN的要求；如遇臺風(12級及以上)工況，則需加密4倍以上，已不具備可實施性。

表7 不同風力、安全網條件下連墻件拉力

顯然，如同前述荷載效應組合的優化方式，在沿海地區熱帶風暴來臨前(如深圳平均每年3.5次)，采取部分或全部拆解密目安全網，相對于設置更多的連墻件(而不拆解安全網)，具有更好的技術經濟性和工程便利性。

2018年珠海橫琴地區受到臺風“山竹”的正面侵襲，風力14級、陣風達17級以上，采用以上方法優化設計的頂部高度達208m的某工程懸挑處腳手架在風后檢查時發現，架體穩固、扣件無松動跡象，恢復安全網后即行復工。

4 結語

1)對于常規雙排鋼管外腳手架，由于縱跨跨距大于橫跨、縱跨立桿排數多于橫跨、工況荷載對于橫跨屬于均布荷載而對于縱跨一般屬于局部荷載，加之扶手桿、縱向剪刀撐的設置，在同等荷載條件下，平行于外墻的縱向平面穩定性遠遠高于垂直于外墻的橫向平面，工程實踐中應重點關注橫向平面構造強度。

2)縱向平面豎向剪刀撐對于架體穩定性而言屬于冗余構造，建議規范重點針對工程實踐中難以避免的局部立桿斷開情況增加構造補強措施要求。

3)連墻件為架體穩定的關鍵因素，建議規范修訂時，針對如大層高、大跨度中間無法設置連墻件的特殊部位，提供增設橫向斜桿或其他方法作為局部連墻件替代措施。

4)建議規范在修訂時，在高基本風壓地區，通過采用6級風力對應風壓進行架體設計計算，對極端氣候條件采用拆除安全網的方式進行設計驗算，以避免立桿及連墻件間距過密的情況，使架體設計同時具備良好的安全性和技術經濟性。