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超高层建筑外脚手架方案设计及施工探讨
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1 工程概况
位于深圳市中心区某建筑物,高度为40层、148m,总建筑面积近11万m2,从13层向上,结构立面四周各缩进14m一直到顶层。从13层～20层范围外挑钢结构10m,外装全部采用玻璃幕墙。（参考《建筑中文网》）
2 搭设方案规划
由于大厦四周全部为交通干线,为确保安全,采用全封闭钢管脚手架。考虑整体施工安排,因地下室回填、防水等不能在短时 间 完 成 ,确 定 1～ 12层 (高 度 50m)悬 挑 ;13～20层(高度28m)搭设相对独立的脚手架,方便以后钢结构的施工,脚手架基础落于12层顶板上;20层以上采用分段悬挑脚手架。脚手架设计以满足主体及装修工程施工且确保场地内外的安全为原则。
3 脚手架受力计算
3.1 脚手架传力顺序
施工荷载一竹笆板一大横杆一小横杆一立杆一悬挑钢架一结构或基础。
3.2 脚手架计算项目
因为脚手架钢管经过多次周转,经过随机抽取100根实测,实际壁厚按照3.2mm计算,荷 重 按 Φ 4.8× 3.5计取。
计算参数:立杆横距a=1.0m,纵距b=1.67m,水平杆步距L=1.75m,Φ48×3.2mm钢管几何特征:其中An=450.4mm2,I=11.34×104mm4,W=4.73×103mm3,i=15.88mm,Φ48× 3.5mm钢管每米重3.84kg,抗拉、抗压、抗弯的容许应力[σ]=16.67N/mm2,扣件抗滑移能力[p]=6kN。
3.2.1 荷载计算
查高层建筑施工手册(表13～5、表13～6、表13～7):施工均布荷载的标准值:装修脚手架2kN/m2;竹笆脚手板均布荷载标准值 :0.10kN/m2;栏 杆 、竹 笆 (1.00× 2.00m)挡脚板均布荷载标准值:0.12kN/m2;脚手架围护用密目塑料安全网的荷载标准值:0.005kN/m2[1]。
3.2.2 立杆设计荷载计算[2]
操作层附加荷载计算:考虑动力系数1.2,超载系数2,临设折减系数0.9,则操作层 附 加 荷 载 为 :W 1= 1 . 2× 2 × 0 . 9 ×(2000+100)=4536N/m2.
非操作层荷载计算:Φ48×3.5钢管重量38.4N／m,扣件重按10N/个。剪刀撑长度近似按对角支撑长度计算:L=(1.672+1.752)0.5=2.42m;每 跨 脚 手 架 面 积 :S=1.75× 1.0=1.75m2。非操作层每层荷载考虑钢管实际 长 度 系 数 1.2,则 :
W2=[1.2×(1.35+4×1.67+2×1.75+2×2.42)×38.4+10×6]÷1.75=465.3N/m2(按最不利因素,钢管荷载按照Φ48×3.5,承载计算取Φ48×3.2)。
计 算 Φ 48× 3.2钢 管 的 截 面 特 征 :An=4.504×102mm2;i=15.88mm;L0=u;L=0.77×1.75=1.347;入 =L0/i=84.86。欧 拉 临 应力:σ=兀2E/入2=287.8N/mm2;η=0.3×1／(100i)2=0.119.
考虑钢管平直度及锈蚀等因素,取附加 系 数 k=2,则 :
KN=An{fy+(η+1)σ/2-[(fy+(η+1)σ )2-fyσ ]0.5}=31.15kN.
3.2.3 安装高度计算
考虑3层同时操作,竹笆走道板搭设5步,围护竹笆板隔一步围护一次计算,每根立杆受荷面积: S=1.75／2=0.875m2则:S×[3w1+n(w2+1.67×1.75×5)]+5×1.67×1.0×100+n×120×1.67=31150故 :n=29步 。
计 算 安 装 高 度 :H=1.75×29=50.75m,安全系数:K=1+50.75/200=1.25。实际允许安装高度:H=50.75／1．25=40.5m.
3.2.4 立杆承载力验算
因为最高搭设段为(148-50-28)=70m>40.5m,超过最高安装高度,所以考虑1～12层采用从35m高处斜拉脚手架;20层以上按照每35m高分为两段相对独立搭设;而12～20层因为脚手架基础可以直接落于结构板面采用正常搭设。
3.2.5 大横杆验算
[M]=W[σ ]=4.73× 103× 166.7× 10-3=788N?m。大横杆按三跨连续梁验算,四根大横杆承受施工荷载,则单元段内每根大横杆承受均布荷载为:
P=[(4536+1000)× 1.0× 1.2+1.4×(120+5)]／4=1434.6N／m。Mmax=0.1ql2=0.1×1436×1.672=400N?m<[M]=788N?m。
所以,满足要求。
3.2.6 小横杆验算
按简支梁验算抗弯强度,将作用在小横杆上的荷载转化为作用在2/3跨上的集中荷载力。则跨间最大弯矩:
Mmax=0.222× 4536× 1.2/2× 1.0=604N.m<[M]=788N.m.
支座最大反力
P1=1.2× (0.67× 4536× 2/4× 1.0+4536×1.0/4)=3184.32N<[P]=6000N所于,满足要求。
3.2.7 悬挑基础人字钢架验算
悬挑人字钢架承载力按最不利悬挑4O.5m高 ,步 数 40.5／ 1.75=23.1,取 23步计算。
脚手架每跨荷载为:1.0×1.75×(3×4 5 3 6 + 2 3 × 4 6 5 . 3 ) + 5 × 1 . 6 7 × 1 . 0 ×100+23/2×120×1.67+ 23×1.67×1.75×5=46018N≈50kN按内外杆分配系数0.64及0.36计算得:P内=32kN，P外=18kN.
经初步计算确定悬挑人宇钢架横担梁采用[10,斜撑采用Φ95×3.8焊接钢管。[10强度验算:根据[10截面特征,查表第一 组 3号 钢 ;抗 拉 、抗 弯 、抗 压 强 度 值 :f=215N／mm2,抗剪:fv=125N／mm2。挑架采 用 E43焊 条 焊 接,角 焊 缝 强 度 设 计 值:f=160N/mm2。悬挑钢架计算模式为三点铰接,根据计算得:[10跨中最大弯矩Mmax=8.498kN?m。承 受 水 平 拉 力 :F=22.08kN。槽钢抗弯计算:σ=My/RyWy=8.498×103/1.05 × 39.7 × 1 0 -3=203.9N/mm 2<[f]=215N/mm2.
槽 钢 与 预 埋 铁 件 M2焊 接 ,焊 缝 高hf=5mm,求 所 需 焊 缝 长 Lw,N/heLw≥ fw即 :22．08× 103/2× 0.7× 0.5× Lw≤160×102。得Lw≥1.97cm,构造要求最小角焊缝长40mm。
Φ95×3.8f4撑的稳定验算:其截面特征 :A=1088.7mm2,i=34.96mm按两端铰接计算:l0=μ,l=1.0×4.17查表《3号钢b类截面轴心受压构件的稳 定 系 数 表 》[3]得 :ψ =0.442,则 :N/ψ A=43.83× 103/0.442× 1088.7=91.9N/mm2<215N N/mm2。
3.2.8 斜拉卸荷计算
采用钢丝绳在内、外立杆与小横杆交接处同时吊挂,卸荷高度按30m计算,每根钢丝绳承受垂直荷载为P垂,脚手架步数为 :n=30/1.75=17步.2Pm=1.0× 1.75× (3× 453.6+17×465.3)+5×1.67×1.0×100+17/2×120×1.67+17× 1.67× 1.75× 5=40443N,取 每根吊索承受垂直荷载P垂=20kN。根 据 计 算 简 图 钢 丝 绳 承 受 荷 载 P拉=24kN,产 生 水 平 推 力 P平=13.7kN计算选用钢丝绳规格:由公式:aP／K≥ P拉,式 中 :
a-考虑钢丝受力不均匀的钢丝破断拉力换算系数,查表a=0.85。
K-钢丝绳使用的安全系数,查表K=3。P拉-钢丝绳的计算拉力.
P-钢丝绳的破断拉力总和(kN).
P≥ KP拉/a=3× 24/0.85=84.7kN.
选 用 钢 丝 绳 Φ 14(6× 19,绳 芯 1)的P=101.0kN>84.7kN,可满足安全要求。
4 脚手架搭设方法
4.1 材料
采用Φ48×3.5钢管,连接扣件使用铸铁扣件,走道板及操作层围挡使用1000×1800竹笆板,脚手架围护封闭用密目塑料安全网。
4.2 施工方法
关于脚手架的搭设,施工规范等已经有明确清晰的要求,不再赘述。特别对本方案中人字钢架悬挑脚手架基础及斜拉卸荷做法说明一下。
人字钢架悬挑脚手架采用双排钢管脚手架,内排立杆距结构外沿400mm。双排立杆 横 1000mm,纵 距 1670mm,水 平 杆 步1750mm／1800mm(楼层高为3500mm时取1750mm,楼层高为3600mm 时取1800mm),沿全高全长设置连续剪刀撑,每个楼层设置水平拉结点,间距5010mm。
5 结语
根据该大厦工程实践,总结到人字钢架悬挑脚手架,适用于结构立面较简捷的主体结构。人字钢架与架子每跨立杆一一对应的悬挑方式,适用于脚手架纵距较大的悬挑脚手架。本工程若采用传统较大型钢制成主挑架、即主挑架上用槽钢纵向联系作为脚手架悬挑基础,比采用人字型钢架多使用钢材约83％。 来源: 《建筑中文网》.
位于深圳市中心区某建筑物,高度为40层、148m,总建筑面积近11万m2,从13层向上,结构立面四周各缩进14m一直到顶层。从13层～20层范围外挑钢结构10m,外装全部采用玻璃幕墙。（参考《建筑中文网》）
2 搭设方案规划
由于大厦四周全部为交通干线,为确保安全,采用全封闭钢管脚手架。考虑整体施工安排,因地下室回填、防水等不能在短时 间 完 成 ,确 定 1～ 12层 (高 度 50m)悬 挑 ;13～20层(高度28m)搭设相对独立的脚手架,方便以后钢结构的施工,脚手架基础落于12层顶板上;20层以上采用分段悬挑脚手架。脚手架设计以满足主体及装修工程施工且确保场地内外的安全为原则。
3 脚手架受力计算
3.1 脚手架传力顺序
施工荷载一竹笆板一大横杆一小横杆一立杆一悬挑钢架一结构或基础。
3.2 脚手架计算项目
因为脚手架钢管经过多次周转,经过随机抽取100根实测,实际壁厚按照3.2mm计算,荷 重 按 Φ 4.8× 3.5计取。
计算参数:立杆横距a=1.0m,纵距b=1.67m,水平杆步距L=1.75m,Φ48×3.2mm钢管几何特征:其中An=450.4mm2,I=11.34×104mm4,W=4.73×103mm3,i=15.88mm,Φ48× 3.5mm钢管每米重3.84kg,抗拉、抗压、抗弯的容许应力[σ]=16.67N/mm2,扣件抗滑移能力[p]=6kN。
3.2.1 荷载计算
查高层建筑施工手册(表13～5、表13～6、表13～7):施工均布荷载的标准值:装修脚手架2kN/m2;竹笆脚手板均布荷载标准值 :0.10kN/m2;栏 杆 、竹 笆 (1.00× 2.00m)挡脚板均布荷载标准值:0.12kN/m2;脚手架围护用密目塑料安全网的荷载标准值:0.005kN/m2[1]。
3.2.2 立杆设计荷载计算[2]
操作层附加荷载计算:考虑动力系数1.2,超载系数2,临设折减系数0.9,则操作层 附 加 荷 载 为 :W 1= 1 . 2× 2 × 0 . 9 ×(2000+100)=4536N/m2.
非操作层荷载计算:Φ48×3.5钢管重量38.4N／m,扣件重按10N/个。剪刀撑长度近似按对角支撑长度计算:L=(1.672+1.752)0.5=2.42m;每 跨 脚 手 架 面 积 :S=1.75× 1.0=1.75m2。非操作层每层荷载考虑钢管实际 长 度 系 数 1.2,则 :
W2=[1.2×(1.35+4×1.67+2×1.75+2×2.42)×38.4+10×6]÷1.75=465.3N/m2(按最不利因素,钢管荷载按照Φ48×3.5,承载计算取Φ48×3.2)。
计 算 Φ 48× 3.2钢 管 的 截 面 特 征 :An=4.504×102mm2;i=15.88mm;L0=u;L=0.77×1.75=1.347;入 =L0/i=84.86。欧 拉 临 应力:σ=兀2E/入2=287.8N/mm2;η=0.3×1／(100i)2=0.119.
考虑钢管平直度及锈蚀等因素,取附加 系 数 k=2,则 :
KN=An{fy+(η+1)σ/2-[(fy+(η+1)σ )2-fyσ ]0.5}=31.15kN.
3.2.3 安装高度计算
考虑3层同时操作,竹笆走道板搭设5步,围护竹笆板隔一步围护一次计算,每根立杆受荷面积: S=1.75／2=0.875m2则:S×[3w1+n(w2+1.67×1.75×5)]+5×1.67×1.0×100+n×120×1.67=31150故 :n=29步 。
计 算 安 装 高 度 :H=1.75×29=50.75m,安全系数:K=1+50.75/200=1.25。实际允许安装高度:H=50.75／1．25=40.5m.
3.2.4 立杆承载力验算
因为最高搭设段为(148-50-28)=70m>40.5m,超过最高安装高度,所以考虑1～12层采用从35m高处斜拉脚手架;20层以上按照每35m高分为两段相对独立搭设;而12～20层因为脚手架基础可以直接落于结构板面采用正常搭设。
3.2.5 大横杆验算
[M]=W[σ ]=4.73× 103× 166.7× 10-3=788N?m。大横杆按三跨连续梁验算,四根大横杆承受施工荷载,则单元段内每根大横杆承受均布荷载为:
P=[(4536+1000)× 1.0× 1.2+1.4×(120+5)]／4=1434.6N／m。Mmax=0.1ql2=0.1×1436×1.672=400N?m<[M]=788N?m。
所以,满足要求。
3.2.6 小横杆验算
按简支梁验算抗弯强度,将作用在小横杆上的荷载转化为作用在2/3跨上的集中荷载力。则跨间最大弯矩:
Mmax=0.222× 4536× 1.2/2× 1.0=604N.m<[M]=788N.m.
支座最大反力
P1=1.2× (0.67× 4536× 2/4× 1.0+4536×1.0/4)=3184.32N<[P]=6000N所于,满足要求。
3.2.7 悬挑基础人字钢架验算
悬挑人字钢架承载力按最不利悬挑4O.5m高 ,步 数 40.5／ 1.75=23.1,取 23步计算。
脚手架每跨荷载为:1.0×1.75×(3×4 5 3 6 + 2 3 × 4 6 5 . 3 ) + 5 × 1 . 6 7 × 1 . 0 ×100+23/2×120×1.67+ 23×1.67×1.75×5=46018N≈50kN按内外杆分配系数0.64及0.36计算得:P内=32kN，P外=18kN.
经初步计算确定悬挑人宇钢架横担梁采用[10,斜撑采用Φ95×3.8焊接钢管。[10强度验算:根据[10截面特征,查表第一 组 3号 钢 ;抗 拉 、抗 弯 、抗 压 强 度 值 :f=215N／mm2,抗剪:fv=125N／mm2。挑架采 用 E43焊 条 焊 接,角 焊 缝 强 度 设 计 值:f=160N/mm2。悬挑钢架计算模式为三点铰接,根据计算得:[10跨中最大弯矩Mmax=8.498kN?m。承 受 水 平 拉 力 :F=22.08kN。槽钢抗弯计算:σ=My/RyWy=8.498×103/1.05 × 39.7 × 1 0 -3=203.9N/mm 2<[f]=215N/mm2.
槽 钢 与 预 埋 铁 件 M2焊 接 ,焊 缝 高hf=5mm,求 所 需 焊 缝 长 Lw,N/heLw≥ fw即 :22．08× 103/2× 0.7× 0.5× Lw≤160×102。得Lw≥1.97cm,构造要求最小角焊缝长40mm。
Φ95×3.8f4撑的稳定验算:其截面特征 :A=1088.7mm2,i=34.96mm按两端铰接计算:l0=μ,l=1.0×4.17查表《3号钢b类截面轴心受压构件的稳 定 系 数 表 》[3]得 :ψ =0.442,则 :N/ψ A=43.83× 103/0.442× 1088.7=91.9N/mm2<215N N/mm2。
3.2.8 斜拉卸荷计算
采用钢丝绳在内、外立杆与小横杆交接处同时吊挂,卸荷高度按30m计算,每根钢丝绳承受垂直荷载为P垂,脚手架步数为 :n=30/1.75=17步.2Pm=1.0× 1.75× (3× 453.6+17×465.3)+5×1.67×1.0×100+17/2×120×1.67+17× 1.67× 1.75× 5=40443N,取 每根吊索承受垂直荷载P垂=20kN。根 据 计 算 简 图 钢 丝 绳 承 受 荷 载 P拉=24kN,产 生 水 平 推 力 P平=13.7kN计算选用钢丝绳规格:由公式:aP／K≥ P拉,式 中 :
a-考虑钢丝受力不均匀的钢丝破断拉力换算系数,查表a=0.85。
K-钢丝绳使用的安全系数,查表K=3。P拉-钢丝绳的计算拉力.
P-钢丝绳的破断拉力总和(kN).
P≥ KP拉/a=3× 24/0.85=84.7kN.
选 用 钢 丝 绳 Φ 14(6× 19,绳 芯 1)的P=101.0kN>84.7kN,可满足安全要求。
4 脚手架搭设方法
4.1 材料
采用Φ48×3.5钢管,连接扣件使用铸铁扣件,走道板及操作层围挡使用1000×1800竹笆板,脚手架围护封闭用密目塑料安全网。
4.2 施工方法
关于脚手架的搭设,施工规范等已经有明确清晰的要求,不再赘述。特别对本方案中人字钢架悬挑脚手架基础及斜拉卸荷做法说明一下。
人字钢架悬挑脚手架采用双排钢管脚手架,内排立杆距结构外沿400mm。双排立杆 横 1000mm,纵 距 1670mm,水 平 杆 步1750mm／1800mm(楼层高为3500mm时取1750mm,楼层高为3600mm 时取1800mm),沿全高全长设置连续剪刀撑,每个楼层设置水平拉结点,间距5010mm。
5 结语
根据该大厦工程实践,总结到人字钢架悬挑脚手架,适用于结构立面较简捷的主体结构。人字钢架与架子每跨立杆一一对应的悬挑方式,适用于脚手架纵距较大的悬挑脚手架。本工程若采用传统较大型钢制成主挑架、即主挑架上用槽钢纵向联系作为脚手架悬挑基础,比采用人字型钢架多使用钢材约83％。 来源: 《建筑中文网》.
原文网址：http://www.pipcn.com/research/201011/14452.htm
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