超高盤扣式腳手架數(shù)值模擬與方案對比分析

嚴再春 楊鍥的

1. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080；2. 上海市建筑裝飾工程集團有限公司 上海 200072

作業(yè)腳手架是為施工方便而搭設的臨時性架體，通常應用于外墻、內(nèi)部裝飾等層高較高且無法直接施工的地方。在我國大規(guī)模新建和改建項目實施過程的同時，腳手架行業(yè)也在不斷發(fā)展和革新。由20世紀50年代木腳手架到80年代鋼管腳手架，腳手架種類有門式腳手架、扣件式腳手架、盤扣式腳手架、碗扣式腳手架、懸掛式腳手架等多種類型。承插型盤扣式鋼管腳手架因其經(jīng)濟合理、設計簡單、拆裝靈活、自重小、安裝效率高、結(jié)構(gòu)體系可靠等優(yōu)點在越來越多的建筑工程中使用。

我國現(xiàn)行規(guī)范指出，承插型盤扣式鋼管支架搭設雙排腳手架搭設高度不宜大于24 m。腳手架通過連墻件依附于剛度足夠大的建筑主體結(jié)構(gòu)，保證腳手架側(cè)向穩(wěn)定，確保腳手架整體穩(wěn)定和使用安全。因此，連墻件計算是腳手架計算的重要內(nèi)容，連墻件為承受水平力作用的支座，建筑主體結(jié)構(gòu)為提供支座的主體。另一方面，隨著建筑高度和腳手架高度的增加，腳手架受風荷載影響增加迅速[1-7]。

上海展覽中心修繕工程作業(yè)腳手架高60 m，腳手架依附的主體結(jié)構(gòu)為建于1955年的鋼塔，此類結(jié)構(gòu)體系在實際工程中較為少見，不能按常規(guī)腳手架進行驗算。本文首先進行腳手架選型，再通過Midas Gen有限元分析軟件，考慮鋼塔和腳手架共同作用，對不同腳手架搭設方案的受力性能和結(jié)構(gòu)安全進行分析，為腳手架的搭設和方案優(yōu)化提供數(shù)值依據(jù)。并在此基礎(chǔ)上，針對不同風荷載作用提出相應措施以保證整個結(jié)構(gòu)安全可靠。

1 工程概況

上海展覽中心始建于1955年，序館共14層，頂部冠以鎏金鋼塔，塔頂裝飾紅五角星。現(xiàn)鎏金鋼塔年久失修已影響建筑外觀風貌，需搭設作業(yè)腳手架以重新修繕，作業(yè)腳手架搭設于11層平臺，搭設范圍如圖1所示。鋼塔底座固定于13層樓面，總高約53.5 m，鋼塔平面形式主要為正八邊形。整個鋼塔外包鋼板，鋼板厚均為6 mm。每節(jié)鋼塔上下兩端設有水平環(huán)形鋼板，鋼板厚10～15 mm。

圖1 腳手架搭設范圍示意

2 腳手架選型與設計

2.1 工程特點分析

1）作業(yè)腳手架總高60 m，屬于危大工程，且支撐于原結(jié)構(gòu)屋頂平臺，連墻件不能直接與鋼塔相連。

2）工程施工周期6個月，時間緊迫，任務重。

3）本作業(yè)腳手架為外腳手架，僅為修繕作業(yè)，受施工荷載影響小，受風荷載影響大。

2.2 腳手架選型

根據(jù)以上工程特點，本工程采用承插型盤扣式鋼管腳手架，它采用套管式插管連接，水平桿和斜桿通過桿端扣接頭卡入8孔連接盤，用楔形插銷連接，整體視為多層多跨空間框架結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）桿件主要以受拉、受壓，以及插座跟插頭之間受剪的形式為主，節(jié)點連接安全可靠，腳手架形成良好的空間受力體系，可以同時抵抗豎向和水平荷載。

2）連接盤固定在桿件上，零件不易丟失，裝拆方便，可以大大提高搭設效率，節(jié)約施工工期。

3）立桿采用Q345A鋼，水平桿采用Q235A鋼，承重力大，質(zhì)量輕。

2.3 腳手架設計方案

腳手架總高60 m，底部標高50.00 m，平面為正方形，底部中空沿序館外圍搭設。立桿規(guī)格為φ48 mm×3.2 mm，水平桿規(guī)格為φ42 mm×2.5 mm，斜桿規(guī)格為φ33 mm×2.3 mm。腳手架自下而上步距均為2 m，每跨均布置斜桿，上部設水平剪刀撐形成環(huán)形抱箍與鋼塔相連。本文選用3種搭設方案進行對比，搭設方案如圖2所示。

圖2 腳手架搭設方案

方案1：腳手架體系共分為3級，第1級底部外圍邊長17.7 m，內(nèi)圍邊長9.9 m，高24 m，單側(cè)設4排立桿，腳手架內(nèi)圍向上隨主體結(jié)構(gòu)逐漸內(nèi)縮，局部支撐在標高58.80 m和66.30 m上，縱橫向各布置15跨，采用模數(shù)1.5、0.9、0.6 m；第2級平面為邊長11.7 m正方形，高6 m，11跨，縱、橫距模數(shù)同第1級；第3級平面為邊長3.9 m正方形，高30 m，3跨，高寬比為7.7。

方案2：在方案1的基礎(chǔ)上增加1級，第1、2、4級同方案1。第3級平面為邊長6.9 m正方形，高10 m，5跨，縱、橫距采用模數(shù)1.5、0.9 m；第4級高20 m，高寬比為5.1。

方案3：在方案2的基礎(chǔ)上，腳手架平面變截面處增設外斜支撐桿，外斜支撐桿為φ48 mm×3.2 mm。

3 數(shù)值模擬與分析

3.1 計算分析

通常，作業(yè)腳手架通過連墻件依附于主體結(jié)構(gòu)上，立桿與水平桿組成桁架共同承擔荷載。我國現(xiàn)行規(guī)范采用單桿鉸接計算理論，即假定桿件節(jié)點為理想鉸接，連接點為鉸接點，無滑移、無剛接影響，立桿按連墻件為支點的豎向多跨連續(xù)桁架梁考慮，以單根桿件計算形式驗算腳手架整體穩(wěn)定承載力。橫桿在結(jié)構(gòu)體系中不受力，僅減少立桿有效長度。上述基本假定依靠連墻件、水平桿、剪刀撐（斜撐桿）、掃地桿的構(gòu)造設置滿足。忽略腳手架空間整體作用，把空間體系轉(zhuǎn)化為平面體系計算。

本工程腳手架總高60 m，底部和上層局部立于原結(jié)構(gòu)，最大凈高43.7 m（無豎向支撐），上部與鋼塔相連的剪刀撐可為腳手架提供側(cè)向支撐。鋼塔本身是對風荷載比較敏感的豎向細長懸臂型結(jié)構(gòu)，不能提供固定無側(cè)移支撐，需考慮腳手架和鋼塔的相互作用。另一方面，我國現(xiàn)有腳手架規(guī)范中未把風荷載列入水平桿強度的設計荷載中，將水平桿件的抗彎強度、節(jié)點連接強度和連墻件強度列入腳手架計算范圍。為確保腳手架體系的抗側(cè)能力，對斜桿提出構(gòu)造要求，未對斜桿進行力學計算。因此，本文腳手架體系不能根據(jù)規(guī)范按常規(guī)作業(yè)腳手架進行驗算，可按多層多跨空間鋼管框架進行分析。

3.2 基本假設

為便于計算，本文數(shù)值模擬基于假設條件有：立桿、水平桿和斜桿相交于一點，忽略豎向荷載偏心作用；立桿為剛性桿，水平桿、斜桿、支撐桿與立桿之間為鉸接；不考慮構(gòu)件的初始缺陷（初始彎矩、銹蝕、斷面偏差等）；忽略桿件扭轉(zhuǎn)效應對結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的影響。

3.3 建立模型

采用有限元分析軟件Midas Gen建立模型。

3.3.1 單元類型

采用梁單元和板單元這2種類型，其中腳手架立桿、水平桿、斜桿、支撐桿和鋼塔主梁均采用梁單元模擬，鋼塔面板采用板單元模擬。

3.3.2 材料

立桿和外斜支撐桿為Q345A鋼，水平桿為Q235B鋼，斜桿為Q195鋼，鋼塔梁、柱、板均為Q235鋼。鋼材彈性模量為2.06×105N/mm2，泊松比為0.3，密度為7.85×103kg/m3。

3.3.3 邊界條件

1）腳手架底部三向鉸接，上部節(jié)點根據(jù)與序館搭設的實際情況按單向或雙向鉸支模擬。

2）鋼塔底部按固結(jié)模擬。

3）腳手架與鋼塔按彈性僅受壓連接模擬。

3.3.4 荷載及荷載效應組合

本文主要考慮結(jié)構(gòu)永久荷載、施工荷載和風荷載，不考慮地震荷載和偶然荷載作用。

1）永久荷載，主要包括腳手架構(gòu)件自重和安全網(wǎng)、腳手板、欄桿等附件自重。

2）施工荷載，腳手架僅作為鋼塔維修使用，維修施工階段人員只需簡單工具就能完成相應工作。為滿足安裝需要、塔身鍍金銅板分塊拆卸與安裝，簡單人力能滿足搬運和安裝需求。腳手架除自重外需要承擔的外部荷載不大，本文根據(jù)現(xiàn)場實際情況，施工荷載參照相關(guān)規(guī)范按2層作業(yè)層2 kN/m2取值（裝飾裝修作業(yè)）。

3）風荷載，鋼塔對風荷載較敏感，腳手架頂部標高110 m，風壓高度變化系數(shù)根據(jù)實際離地面高度取值。鋼塔和腳手架為高聳結(jié)構(gòu)，考慮第一振型影響計算風振系數(shù)。

我國相關(guān)規(guī)范要求六級及以上強風天氣停止架上作業(yè)，根據(jù)現(xiàn)場實際情況和施工安排，計算工況分為六級風載作用、十年重現(xiàn)期風載作用這2種工況。

1）六級風載作用：風荷載按六級風（風速最大值13.8 m/s）計算，基本風壓取0.12 kN/m2。帶密目網(wǎng)的腳手架結(jié)構(gòu)風荷載體型系數(shù)取值1.3，不計鋼塔風荷載效應，考慮施工荷載作用。

2）十年重現(xiàn)期風載作用：基本風壓按0.4 kN/m2取值（臨時設施，十年重現(xiàn)期），腳手架風荷載體型系數(shù)按多榀桁架計，考慮鋼塔風荷載效應，不考慮施工荷載作用。

計算規(guī)范結(jié)合GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設計標準》和JGJ 231—2010《建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術(shù)規(guī)程》，荷載效應組合和計算項目如表1所示。

表1中，計算構(gòu)件承載力時，當永久荷載效應對結(jié)構(gòu)不利時，永久荷載的分項系數(shù)分別取1.3；當永久荷載效應對結(jié)構(gòu)有利時，取1.0。施工荷載和風荷載的分項系數(shù)取1.5，荷載調(diào)整系數(shù)取0.9。計算結(jié)構(gòu)位移時，各類荷載分項系數(shù)均取1.0。作業(yè)腳手架搭設高度大于40 m，安全等級為Ⅰ級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1。

表1 荷載效應組合和計算項目

3.4 計算結(jié)果與分析

經(jīng)建模分析后，計算結(jié)果如表2所示，構(gòu)件穩(wěn)定性驗算均由程序自動計算完成。

表2 數(shù)值模擬結(jié)果

1）方案1：立桿最大拉力13.9 kN，大于承插式連接立桿連接節(jié)點受拉承載力設計值15 kN/1.1＝13.6 kN，不滿足要求。

2）方案2：立桿組合應力為－73.4～52.5 MPa，水平桿組合應力為－71.0～75.2 MPa，立桿最大拉力11.9 kN，桿件承載力滿足要求。

3）方案3：立桿組合應力為－74.3～46.1 MPa，水平桿組合應力為－71.0～73.9 MPa，立桿最大拉力8.5 kN，桿件承載力滿足要求。

4）方案3與方案2對比：在方案3中，立桿最大組合應力和最大拉力分別為46.1 MPa和8.5 kN，比方案2分別減少12.2%和28.6%；斜桿最小組合應力和最大組合應力分別為－60.1 MPa和37.7 MPa，比方案2分別減少3.2%和16.6%；頂部位移22.6 mm，比方案2減少19%。方案2和方案3腳手架上部34 m的立桿組合應力分布如圖3所示。由圖3中可以看到，腳手架頂部34m的立桿組合應力最小值和最大值，方案2分別為－52.5 MPa和71.3 MPa，方案3分別為－46.1 MPa和65.1 MPa，方案3比方案2分別減少13.8%和9.6%。經(jīng)過方案3和方案2的構(gòu)件受力、頂部位移對比分析可以得到，方案3的結(jié)構(gòu)受力更均衡，結(jié)構(gòu)體系更加合理。

圖3 腳手架頂部34 m立桿組合應力云圖

5）方案3在十年重現(xiàn)期風載作用。在基本風壓為0.4 kN/m2的情況下，方案3中立桿最大拉力為20.8 kN，大于承插式連接立桿連接節(jié)點受拉承載力設計值15 kN/1.1＝13.6 kN，桿件穩(wěn)定性驗算不滿足要求。

3.5 方案3控制要素分析

常規(guī)腳手架桿件穩(wěn)定條件是檢驗和校核體系安全的控制因素，本文中腳手架受水平荷載影響大。現(xiàn)分別就節(jié)點拉力和立桿穩(wěn)定性為控制要素，以六級風荷載（基本風壓0.12 kN/m2）為單位荷載，單位荷載的倍數(shù)為荷載系數(shù)，計算不同荷載系數(shù)工況下結(jié)構(gòu)的受力情況。

3.5.1 以節(jié)點拉力為控制要素

在不同荷載工況下立桿節(jié)點最大拉力如表3所示。六級風荷載作用下，節(jié)點最大拉力8.5 kN，當六級風荷載增大10%時，節(jié)點最大拉力12.7 kN，較六級風荷載增大48.9%；六級風荷載增大40%時，節(jié)點最大拉力增大105%。由此可見，立桿節(jié)點最大拉力對風荷載較為敏感。六級風荷載系數(shù)1.16時，立桿最大壓力13.6 kN，達到節(jié)點受拉承載力設計值，對應風壓0.139 2 kN/m2，風速14.9 m/s，屬于七級風（13.9～17.1 m/s），此時，可以采取局部加強節(jié)點等措施以增加結(jié)構(gòu)安全性。

表3 不同荷載系數(shù)作用下立桿節(jié)點最大拉力

3.5.2 以立桿穩(wěn)定性為控制要素

在不同荷載工況下，立桿穩(wěn)定性驗算系數(shù)如表4所示。

表4 不同荷載系數(shù)作用下立桿穩(wěn)定性驗算系數(shù)

六級風荷載作用下，立桿穩(wěn)定驗算系數(shù)為0.663，小于1.0。當六級風荷載增大60%時，立桿穩(wěn)定驗算系數(shù)為0.993，接近1.0，對應風壓0.19 kN/m2，風速17.53 m/s，屬于八級風（17.2～20.7 m/s），此時結(jié)構(gòu)易發(fā)生失穩(wěn)破壞，可采用纜風繩、增加剪力撐等措施進行加固，必要時可拆除部分密目網(wǎng)卸除部分風荷載，以確保腳手架安全。

4 結(jié)語

1）通過理論分析和有限元模擬可知，方案3在正常施工條件下構(gòu)件的強度和穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。在施工期間，本作業(yè)腳手架頂部實測最大風速為11.28 m/s，屬六級強風，結(jié)構(gòu)安全可靠。

2）室外高聳或塔型作業(yè)腳手架對于風荷載較敏感，控制結(jié)構(gòu)高寬比是首要任務，在變截面處增加斜桿有助于減小構(gòu)件應力，均衡結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布。

3）室外作業(yè)腳手架與剛度較大結(jié)構(gòu)進行可靠連接，可以大大減小桿件受力，減少風荷載影響，增加作業(yè)腳手架搭設高度。建議在類似工程，作業(yè)腳手架體系應盡可能與周邊剛度較大結(jié)構(gòu)進行可靠連接。