提高大跨度、高層高框架結構外作業腳手架穩定性的措施

吳 剛 萬立華 畢東海 張金山 柴 磊

1. 濟南市槐蔭區工程質量與安全中心 山東 濟南 250023；2. 濟南市工程質量與安全中心 山東 濟南 250014；3. 中建八局第二建設有限公司 山東 濟南 250014

外作業腳手架為建筑施工提供作業平臺及安全防護，它既要承受豎向施工荷載，又要承受水平向的風荷載。作業腳手架是建筑施工安全的重要內容，搭設高度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、廠房工程建設中，大開間、大跨度、大體量建筑較多。由于這類建筑的柱網尺寸、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規范》、JGJ 231—2010《建筑施工承插式盤扣件鋼管支架安全技術規程》等規范標準的要求，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、高層高的框架結構外作業腳手架在連墻件無法按正常設置時的架體穩定性。

1 工程概況

濟南市槐蔭區某公共建筑工程8#樓，結構形式為混凝土框架結構，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，搭設高度12.5 m，在2層頂進行一次懸挑，防護至屋面層，懸挑腳手架搭設高度為17.0 m。落地架與懸挑架的主要施工參數均為立桿縱距1.5 m、橫距0.9 m、步距1.5 m。

2 特殊工況下外架穩定性施工方法

2.1 連墻件的重要性

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

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

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

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

2.2 規范中提高架體剛度的措施及應用

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

1）根據JGJ 231—2010《建筑施工承插式盤扣件鋼管支架安全技術規程》第6.2.6條“對雙排腳手架的每步水平桿層，當無掛扣鋼腳手板加強水平層剛度時，應每5跨設置水平斜桿”。在此基礎上，可以在框架柱處沿柱高每兩步抱柱設置連墻件，并在該步的每一跨增加設置連續的“之”字形盤扣專用水平斜桿，形成一道水平桁架，將風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JGJ 231—2010《建筑施工承插式盤扣件鋼管支架安全技術規程》第6.2.6條“雙排腳手架的斜桿或剪刀撐設置應符合下列要求：沿架體外側縱向每5跨每層應設置一根豎向斜桿或每5跨間應設置扣件鋼管剪刀撐”。在此基礎上，可以沿架體外側縱向每跨每步均設置一根豎向斜桿，以增加架體縱向剛度。

3）參照JGJ 130—2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》第6.6.4條“高度在24 m以下的封閉型雙排腳手架可不設橫向斜撐，高度在24 m以上的封閉型腳手架，除拐角應設置橫向斜撐外，中間應每隔6跨距設置一道”。參照規范要求，我們可以在腳手架對應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），自底到頂連續設置，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，因此設置間距需結合現場實際，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，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行了計算對比。

3 外作業腳手架穩定措施可行性分析

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計了3種不同工況進行定量對比分析，分別為增加上述措施前的現場實際工況、假設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場實際工況）。腳手架參數為：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（兩側做抱柱拉結點）。

圖1 方案1腳手架搭設構造

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

圖2 方案2腳手架搭設構造

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置連墻件，并間隔兩步設置1道水平斜撐，腳手架對應兩柱的正中間位置每間隔3跨設置1道豎直橫向斜撐，自底到頂連續設置（圖3）。在各個樓層標高處按照常規做法每2跨設置連墻件。

圖3 方案3腳手架搭設構造

采用通用有限元軟件SAP2000對腳手架進行線性分析，Q235B鋼管彈性模量取2.06×105MPa，鋼管設計強度205 MPa（影響桿件的應力比，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，采用空間半剛性節點框架計算模型，通過設置小橫桿來實現半剛性節點連接，桿端彈簧剛度為40 kN×m/rad；水平斜撐、大橫桿在節點處抗彎剛度均取40 kN×m/rad。支座設置：最左側兩立柱節點設置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向剛度設定為980 kN/m[1-5]（模擬與地面摩擦力）。

風荷載取值參考JGJ 231—2010《建筑施工承插性盤扣式鋼管支架安全技術規程》，取0.30 kN/m2，木腳手板、鋼腳手板自重標準值取0.35 kN/m2，作業層欄桿與擋腳板自重標準值取0.17 kN/m，施工均布活荷載標準值3 kN/m2；施工均布活荷載僅考慮2層頂位置。

方案1屈曲分析結果如下（1×恒＋1×活＋1×風作為屈曲分析工況）：平面外失穩屈曲因子為1.31×10－4，可知為非穩定結構，失穩模態如圖4所示；風荷載單工況下平面外（Y向）最大位移為75.536 mm，發生在第9步第4跨立柱位置，如圖5所示。

圖4 方案1失穩模態

圖5 方案1風荷載單工況下平面外（Y向）最大位移

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

圖6 方案2失穩模態

圖7 方案2風荷載單工況下平面外（Y向）最大位移

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

圖8 方案3失穩模態

圖9 方案3風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論

由上述各方案整體穩定性與平面外位移情況可知，方案3采用改進的方式，使盤扣式架體達到甚至超過設置兩步兩跨連墻件的剛度、穩定性水平[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種工況進行比對計算，其余架體參數相同。

鋼管扣件式腳手架采用的材料均應符合以下要求：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65 N·m時，不得發生破壞。

1）方案1（采取上述加強措施前的現場實際工況）：同3.1節方案1。

2）方案2（假設框架結構中部存在可作為拉結點的梁、柱構件，且滿足兩步兩跨，屬于施工方案中最理想狀態下的工況）：同3.1節方案2。

3）方案3（采取上述加強措施后的工況）：同3.1節方案3。

采用通用有限元軟件SAP2000對腳手架進行線性分析，鋼管彈性模量取2.06×105MPa，設計強度205 MPa。其他未單獨說明的計算單元、剛度設置、荷載參數與3.1節取值保持一致。

方案1屈曲分析結果如下（1×恒＋1×活＋1×風作為屈曲分析工況）：平面外失穩屈曲因子為10.15×10－5，可知為非穩定結構，失穩模態如圖10所示；風荷載單工況下平面外（Y向）最大位移為115.1 mm，發生在第9步第4跨立柱位置，如圖11所示。

圖10 方案1失穩模態

圖11 方案1風荷載單工況下平面外（Y向）最大位移

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

圖12 方案2失穩模態

圖13 方案2風荷載單工況下平面外（Y向）最大位移

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

圖14 方案3失穩模態

圖15 方案3風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論

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

4 結語

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置，形成穩定的水平、豎向桁架，能極大地提高架體的整體穩定性，約束架體水平位移，特別適用于無法常規設置連墻件的大跨度、高層高框架結構施工，值得推廣使用。