工具式外掛操作防護架體系現場試驗及分析

龔偉東

上海建工一建集團有限公司 上海 200120

目前，在超高層建筑的外框柱施工過程中，當組合樓板結構邊界距離外框柱較近時，采用懸挑腳手架施工，當距離逐步增寬時采用落地腳手架施工。高空臨邊作業多，腳手架需重復搭拆，施工風險大、工作效率低[1-5]。為解決上述問題，提出了新型工具式外掛操作防護架體系。為進一步驗證新型工具式外掛操作防護架體系安全性，結合工程實例，對工具式外掛操作防護架進行了現場試驗，以期為超高層建筑工具式腳手架的安全合理設計提供參考。

1 工程概況

吳江太湖新城核心區B1地塊超高層建筑項目位于蘇州吳江太湖新城核心區，北側為主干道開平路，東側為映山街，西側毗鄰太湖，南側為規劃擬建中央綠軸。項目總建筑面積32萬 m2，包括1棟高358 m的綜合體塔樓和4層商業裙房，地下室共3層，擁有辦公、酒店、酒店式公寓等多種業態。塔樓地上78層，結構類型為框架＋核心筒結構。

塔樓30層以上為鋼框架＋核心筒結構，核心筒外圍共有22根勁性圓柱。其中，南、北向的18根勁性圓柱采用附著式整體提升腳手架施工，東、西向的4根勁性圓柱由于結構輪廓變化較大，采用工具式外掛防護架施工（圖1）。

圖1 工具式外掛防護架平面布置示意

項目自主設計的工具式外掛操作防護架包括主架體、掛臂梁、上部操作平臺、夾具、底部橫撐等部件，解決了外框柱施工過程中作業空間不夠，四周安全圍擋不足的問題。工具式外掛操作防護架在標準層覆蓋3個樓層，每施工完成1層，利用塔吊提升至上一層使用。

2 試驗方案

2.1 試驗目的

試驗的目的是測量外掛操作防護架及關鍵結構位置在吊裝提升過程中的變形和受力變化情況，通過設置在受力桿件上的傳感器測試其受力性能，和理論計算值對比，以驗證理論計算值的準確性，確保施工安全。

2.2 試驗設備

現場測量試驗采用了數顯高精度測量平臺，主要器材包括：全橋、1/4橋電阻應變片100個、JTM-MY20型應變測試儀采集系統（20通道）1個、金土木智能型采集單元系統軟件1套、智能終端1臺、數據傳輸電纜若干。

2.3 測點布置方案

試驗將電阻應變片布置于掛臂梁關鍵位置的上翼緣下方，布置情況如圖2所示。選用BX120-55A電阻應變片，靈敏度為1με，靈敏度滿足試驗需求。傳感器通過數據傳輸電纜連接于JTM-MY20型應變測試儀采集系統，待數據采集后連接到智能終端，智能終端安裝有金土木智能型采集單元系統軟件，可直接讀取采集數據。

圖2 防護架測點布置示意

外掛操作防護架頂部鋼梁為主要承重鋼梁，需對其受力性能進行檢測，應變片布置在架體頂部鋼梁上翼緣上，應變片沿鋼梁軸向布置。由于結構鋼梁受力較大，對其受力性能進行檢測，應變片布置在結構鋼梁上翼緣腹板兩側，應變片沿鋼梁縱向布置。夾具為架體與結構鋼梁的重要連接節點，需對其受力性能進行檢測，在夾具U形口處布置1個應變片，4個夾具，一共布置4個應變片。

夾具為架體與結構鋼梁的重要連接節點，需對其受力性能進行檢測。在夾具U形口處布置1個應變片，4個夾具，一共布置4個應變片。測點布置如圖3、圖4所示。

圖3 夾具測點立面布置示意

圖4 夾具測點平面布置示意

2.4 試驗過程

2.4.1 應變片布貼

試驗的應變片布置主要步驟如下：先用打磨機將腹板打磨光滑，用棉紗或脫脂棉花蘸丙酮清潔金屬表面，擦洗2～3遍后，表面不可再用手接觸，然后用膠水將電阻應變計固定，最后用專用覆層材料進行密封。

圖5為夾具側面布貼應變片的情況，試驗采用了全橋和1/4橋這2種應變片布貼方式，圖5（a）為采用4片1/4橋搭建全橋應變片的情況，圖5（b）為完成全橋應變片布貼后的情況。

圖5 全橋應變片布貼情況

2.4.2 儀器安裝

試驗采用JTM-MY20型應變測試儀采集系統為20通道，滿足測試需求。傳感器通過數據傳輸電纜連接于JTM-MY20型應變測試儀采集系統，待數據采集后連接到智能終端，智能終端安裝有金土木智能型采集單元系統軟件，可直接讀取采集數據。出于防風防水和安全考慮，應變測試儀采集系統等儀器安裝于電工箱中，圖6（a）為采集系統安裝于現場的情況，圖6（b）為系統顯示界面的情況。

圖6 采集系統示意

2.4.3 數據采集

待應變片布貼與測試數控平臺搭建工作完成后，開始測量試驗工作，現場完成外掛架提升、吊裝和錨固等一系列工作。為了測量外掛架關鍵位置的工后變形，數據監測持續一段時間后結束現場試驗工作。

3 試驗結果分析

3.1 試驗數據分析

現場測試共布設了20處應變片，由于外掛架整體提升工況的復雜性以及測量期間的降雨和大風，導致部分測點的測量數據失效或無法準確采集。但由于事前準備充足，測點布置數量遠超試驗需要，且主要測點保存完好，故能夠滿足此次測量及分析的需要，共計獲得有效測點及其數據12組。此處僅選取其中代表性測點（測點1、3、4、6、7）進行分析，測點位移如表1所示。

表1 代表性測點情況

測點1的應變在吊裝時出現擾動，隨后逐漸增大并維持在2 610 με左右，前后應變變化值較小，僅為50 με（圖7）。可見非懸挑處的結構主梁由于截面較大且固定情況較好，其整體應力應變在吊架荷載作用下變化不大，處于絕對安全狀態。

圖7 測點1的應變變化

測點3在吊裝后，懸挑主梁的應變曲線呈增長趨勢，在吊裝過程中懸挑主梁的應變曲線發生了抖動，吊裝后懸挑主梁開始逐漸承擔整個外掛架傳遞的荷載，其應變也逐漸趨于穩定，最終穩定于3 450 με左右，前后應變變化為100 με左右（圖8）。其應力應變變化較非懸挑處主梁增大不少，與其截面較小且位于懸挑區域有關，但與其限值相比仍處于相當安全的范圍內。

圖8 測點3（懸挑主梁）的應變變化

測點4從提升開始至架體固定完成，應變逐漸增加，并最終穩定在300 με左右（圖9）。相對結構主梁，掛臂梁變形較大，但仍處于安全范圍內，且安全儲備較大，架體結構安全可靠（最后時段的應變升高與結束測試時所造成的擾動有關，非掛臂梁受力引起）。

圖9 測點4（掛臂梁）的應變變化

測點6的應變隨夾具固定逐漸增大，并最終穩定在200 με左右，處于安全范圍內，夾具承載力滿足要求（圖10）。

圖10 測點6（夾具）的應變變化

圖9和圖10的應變總體變化趨勢較為一致，考慮到掛臂梁和夾具是緊密連接在一起的，故二者具有相近的應變發展規律是合理的。

測點7與測點4同為掛臂梁測點，但由于在測量開始階段，傳感器受到施工因素的嚴重干擾（極有可能是拆卸夾具時，工人用力較大，不慎破壞了應變監測點線頭），導致初始信號異常，雖然采用補救措施進行重新接線，且重新接線后應變結果較為穩定（應變變化較小且處于安全范圍內），但出于嚴謹考慮，此處測點不計入最終結果。其余部分失效點搶救后仍可讀數，且較為穩定，可顯示測量部位處于安全狀態，但考慮到完好監測點已滿足此次測量需要，故其數據不再取用。

3.2 外掛架及結構應力分析

將提升后測試應變減去提起前測試應變乘以鋼材彈性模量即為結構的應力，如式（1）所示。

通過對外掛架及結構應力數據進行分析可知，結構主梁最大微應變為50.42 με，其應力結果經過計算為10.084 MPa，小于其限值265 MPa，故其承載力滿足要求；懸挑主梁最大微應變為103.415 με，其應力結果經過計算為20.683 MPa，小于其限值310 MPa，故其承載力滿足要求；掛臂梁最大微應變為294.874 με，其應力結果經過計算為58.975 MPa，小于其限值215 MPa，故其承載力滿足要求；夾具最大微應變為193.319 1 με，其應力結果經過計算為38.664 MPa，小于其限值215 MPa，故其承載力滿足要求；底部橫撐部位經過測量，其應變結果變化不大，受力很小，采用鋼管橫撐即可滿足需要。

4 結語

1）新型工具式外掛操作防護架體系整體性能表現良好，主要結構部件承載力滿足設計要求，安全可靠。

2）結構主梁及懸挑主梁承載力滿足要求，外掛操作防護架體系的使用未對主體結構造成不良影響。

3）通過試驗可知，新型工具式外掛操作防護架體系應力最大的部位為掛臂梁，架體采用頂部夾具、底部橫撐的設計可改善掛臂梁的受力狀態，因此外掛操作防護架提升就位后應及時進行夾具和橫撐的固結。