非常规悬挑脚手支架的设计与优化

上海国际建设总承包有限公司 上海 200092

1 工程概况

延福大厦位于上海市黄浦区，建于1997年，主楼地上36 层、地下2 层、建筑高度112 m，总建筑面积31 343.9 m2。该楼为框架-剪力墙结构，内核为筒形剪力墙，外围为异型框架结构，外墙为黏土填充墙+外贴装饰面砖，无墙体保温层。

某公司于2011年9月开始对该大楼实施整体改造，本次改造涉及原结构拆除与加固、立面外观造型更换、建筑功能与节能等多项内容，计划工期710个日历日。

本次整体改造的重点内容之一为：拆除原外框架所有填充墙和饰面后，外立面采用铝质金属板幕墙体系替代，使得本楼在满足现行节能设计的前提下外观更具现代感。

新建金属板幕墙为外挂体系，饰面板完成面距外框架结构最远处400 mm。典型层平面布置和节点见图1、图2。

图1 改建后典型层的平面示意

图2 节点示意

该项目地处上海市延安东路和福建中路闹市路口，建筑物外立面与周边道路人行道最近距离不足7 m，外围主干道位于立面坠物半径范围之内。用地红线范围内总面积约为 3 160 m2，改造前建筑物占地面积1 790 m2，现场施工场地狭小。实施本次外立面改造之立面拆除作业、外框结构加固和外幕墙体系施工时期的安全防护措施成为确保本工程施工场内外安全的关键环节。

2 外脚手架初步设计[1-5]

受场内条件限制，本工程不设塔吊，主楼3F起选择搭设悬挑脚手架。除特殊部位拆除用脚手架另行设计之外，本案主要考虑建筑外墙大面积拆除、外框结构加固和幕墙施工3 种不同工况下悬挑脚手架功能需求和构造形式。

结合建筑层数、层高、体型系数和风荷载取值等参数，21F以下悬挑脚手架单挑搭设高度控制在18.6 m以内（计算取值20 m）；21F以上悬挑脚手架单挑搭设高度控制在15.5 m以内（计算取值18.6 m）。对应于悬挑水平钢梁分别设置于3F、9F、15F、21F、26F、31F。因建筑物外围呈异形圆弧状，加之避让较大截面的框架柱，脚手架水平悬挑钢梁呈不规则放射状。平面布置如图3所示，主要控制尺寸为悬臂端间距小于1 700 mm，并以此为最大值来记取脚手架计算中立杆间距的取值。该布置形式的水平悬挑钢梁需设置79 根/挑，以6 挑计算共需设置474 根。

图3 脚手架悬挑钢梁平面布置

在确定搭设高度和立杆纵距等基本条件后，该悬挑脚手架有以下2 种设计方案可供选择：

方案一：外脚手架满足外立面拆除、外框架加固2 个阶段的需求，新建外幕墙阶段选用吊篮施工；

方案二：外脚手架同时满足外立面拆除、外框架加固和新建外幕墙体系3 个阶段的施工要求。

对上述2 种方案分析发现，外脚手架在功能性与安全性方面各有利弊。方案一中外脚手架内立杆离墙距离能控制在250 mm左右，水平悬挑钢梁的设置和架体构造均能满足规范要求，架体安全可靠。但外幕墙施工阶段，外框结构较长时间呈无立面防护施工状态，且在该状态下室内装饰无法与外幕墙穿插施工，对整个项目安全与进度控制不利；方案二外脚手架一次搭设后，使用期贯穿整个立面改造施工过程，建筑物外立面防护措施全周期有效，最大限度的排除了立面施工时期对外界环境造成的不利因素。不足之处为：外脚手架内立杆离墙距离在满足幕墙施工需求的同时已远超规范规定，对于外脚手架体和悬挑水平钢梁构造需特殊处理。

经过综合考量，项目最终选择立面防护较为周全的方案二为本工程外脚手架体系。下文就选用该方案后，对架体设计难点之处以及所采取的应对措施作一定的归纳，以作探讨。

3 悬挑脚手架非常规构造

3.1 特殊离墙间距条件下的架体构造

悬挑脚手架内立杆离墙间距以幕墙施工阶段饰面板离墙最大距离和必要施工间距为控制值（400 mm+200 mm），同时考虑原建筑外墙拆除后的结构偏差因素，内立杆离墙间距计算取值650 mm；为避让框架梁平面尺寸，作为悬挑钢梁受力约束点的第1道螺栓卡箍设置于外墙面向内400 mm处，水平钢梁悬挑计算长度达2 200 mm；建筑物内锚固计算长度3 000 mm左右，水平钢梁构件总长度在5.4 m左右。

由于该架体内立杆离墙间距过大，常规隔离笆已无法保证架体使用过程中防止坠物的功能。

为切实起到防护作用，在双排外脚手架内立杆内侧（位于结构边柱内）增加1 道立杆，与外脚手架内立杆通过增设小横杆相连，然后每层铺设竹笆，形成可靠隔离层如图4所示。

3.2 悬挑水平钢梁的受力分析

使用PKPM安全计算软件对脚手架立杆稳定性计算结果：

不考虑风荷载时，立杆最大轴心压力设计值N=10.21 kN，σ=127.05 N/mm2＜205.00 N/mm2；考虑风荷载时，立杆最大轴心压力设计值N=9.74 kN，σ=202.15 N/mm2＜205.00 N/mm2立杆稳定性均满足设计要求。

图4 非常规悬挑脚手架体示意

取单立杆最大轴心压力设计值N=10.21 kN为荷载，内立杆荷载取值2N（考虑隔离架荷载因素）。使用理正结构设计工具箱对上述构造的水平钢梁进行辅助受力分析。

受力计算结果为：若采用18a#工字钢作为水平钢梁时，σ=267.94 N/mm2＞215.00 N/mm2且水平钢梁悬臂端最大挠度Vmax=43.96 mm＞4 400/250，水平钢梁强度和挠度均无法满足要求；若采用不加设斜撑支杆方式，水平钢梁取值至25a#工字钢时悬臂端挠度Vmax=14.62 mm＜4 400/250方能满足设计要求。

以25a#工字钢线密度37.84 kg/m计算，单根悬挑钢梁重量约在205 kg。在本工程仅靠人力的现场运输及安拆条件下，存在较大的施工障碍和安全隐患。

因此，在构造简洁的直接悬挑方式无法实施的情况下，以18a#工字钢为水平杆件加设斜撑支杆成为该悬挑支架满足受力需求的解决之道。

3.3 设置斜撑支杆的构造与计算

本建筑层高3.1 m，按传统斜撑支杆增设方式构造如图5所示。

图5 传统悬挑钢梁及斜撑设置示意

悬挑脚手架立杆位置与荷载取值保持不变，水平钢梁选用18#工字钢（质量荷载0.29 kN/m），斜撑支杆选用12.6#槽钢。相当于增设1 个铰支座。

3.3.1 水平钢梁受力计算

支座反力：

各支座对钢梁的支撑反力由左至右分别为：

R1=44.20 kN，R2=6.94 kN，R3=－0.71 kN；

抗弯强度：

最大弯矩Mmax=11.20 kN·m；

f=M/（1.05W）+N/A=11.20×106/（1.05×1.85×105）+N/A=73.51 N/mm2＜215.00 N/mm2，水平钢梁抗弯计算强度满足要求。

悬挑挠度：

连续梁均布荷载和集中荷载共同作用下，悬臂端最大挠度Vmax=1.605 mm＜2 000/250。

水平钢梁挠度设计值满足规范中容许挠度值。

整体稳定性计算：

σ=11.20×106/（0.929×1.85×106）=65.17 N/mm2＜215.00 N/mm2；水平钢梁的稳定性满足要求。

3.3.2 斜撑支杆受力计算

轴力计算：

支杆轴力RD1=R1·sinα=46.04 kN；

强度验算：

以12.6#槽钢作为受力构件，容许压力按下式计算：

=183.40 N/mm2＜215.00 N/mm2；受压斜杆稳定性满足要求。

焊缝计算：

斜撑杆若采用焊接方式与墙体预埋件连接，对接焊缝强度计算公式如下：

σ=46 039.29/1 569.00=29.34 N/mm2＜185.00 N/mm2；对接焊缝的抗拉或抗压强度计算满足要求。

4 斜撑支杆的优化设计

4.1 斜撑支杆受力分析

从上述斜撑支杆受力计算可以看出，由于α角度较为接近直角，斜撑支杆计算轴力较小，焊缝强度有较大余量可利用；而斜撑支杆本身却受长细比影响受压稳定性趋于材质强度上限附近。因此，可以在减小支杆α角度和缩短支杆长度上寻找突破口，对该斜撑构造进行优化，以达到充分发挥材质强度和节约材料的目的。

通过阅读相关结构图纸及现场实测发现，本建筑外围弧形框架梁截面统一高度为500 mm左右。如能在框架梁外侧面高度范围内设置斜撑，则能有效减小斜撑过大问题。

4.2 优化后的斜撑支杆受力复核

轴力复核：支杆轴力RD1=R1·sinα=93.44 kN；强度复核：σ=93.44×103/（0.82×15.69×102）=72.63 N/mm2＜215.00 N/mm2；受压斜杆稳定性满足要求。

焊缝复核：σ=93 438.80/1 569.00=59.55 N/mm2＜185.0 N/mm2；对接焊缝的抗拉或抗压强度计算满足要求。

4.3 支撑杆件构造的二次优化

由于初次优化构造中的斜撑支杆下支点直接作用于框架梁侧底端，需通过设置梁侧后置埋件才能与之焊接；且上支点作用于水平钢梁底部，必须仰焊才能焊接。实际施工过程中将产生大量的现场施焊作业，若因操作困难导致焊接质量下降将直接影响悬挑脚手架的安全性。与此同时，大量的现场焊接作业也制约了悬挑钢梁的安拆周期，更严重的是增加了火灾风险系数。

为此，有必要在初次优化的基础上，对支撑杆件构造作进一步改进，以减少斜撑支杆设置过程中的现场焊接工作量。

二次优化设想在框架梁外侧面处增设竖向短杆（替代梁侧埋件）与斜撑支杆和水平钢梁焊接形成直角三角形状，构造如图6所示。

图6 二次优化后的悬挑钢梁及斜撑示意

该构造短杆底部紧贴框架梁侧底部，斜撑支杆传递的水平分力直接由混凝土框架梁承受，对竖向短杆上支座不产生弯矩作用；竖向短杆上支座至承受斜撑支杆传递的垂直分力，该垂直分力小于斜撑支杆轴力RD1，因此焊缝强度也满足设计值。

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二次优化后的构造可以在水平悬挑钢梁架设前，通过在楼层内预制的形式完成直角三角形撑的全部焊接工作。优点有三：一、可以在水平悬挑钢梁架设前完成支架焊接，加快了水平挑架层的安拆速度；二、在预制过程中避免了仰焊作业的产生，起到了确保焊缝质量的作用；三、极大减少了脚手架上动火作业量，有利于预防火灾事故的发生。

5 实施要点与成效

5.1 实施要点

结合直角三角撑的设计过程，在实际的施工中以下2 个关键点需引起特别重视：

5.1.1 重视焊接质量、控制焊缝长度

理论焊缝应力σ是在满足焊缝厚度和长度基础上得出的，现场焊缝的质量将直接对实际焊缝应力产生影响。若焊缝厚度和长度不达标，将大大增加焊缝应力，严重者甚至会超过焊缝强度设计值，破坏支撑构造，从而对悬挑脚手架产生难以挽回的损毁。因此，在悬挑钢梁直角三角撑的预制中检查和控制焊缝质量必须放在第一位；

5.1.2 重视竖向短杆侧面与梁侧间隙处理

竖向短杆的设计作用仅为替代梁侧埋件，无法承受斜撑传递荷载后对短杆上支座产生的弯矩作用。因此，短杆侧面底部必须紧贴框架梁侧。在实际的施工过程中往往因为梁侧平整度等原因的偏差，而造成短杆侧面与梁侧存在一定的间隙。该间隙虽然微小但确足以对整个支撑构造产生破坏。

5.2 实施成效

5.2.1 施工周期

悬挑脚手架搭设期间，该构造形式的水平悬挑钢梁以3 d/挑左右的时间完成安装，相比动辄7 d左右的传统支撑方式节约工期4 d/挑，以6挑计算共节约24 d工期。

5.2.2 安全效益

该水平悬挑钢梁具备构造简便、自重轻盈特性，适用于人力运输和安拆工况，在实施过程中未造成高处坠落等安全事故；同时，因搭设过程动火作业量的大幅减少，未给本工程造成任何火患事件。

5.2.3 经济效益

经计算，该水平悬挑钢梁构造比起选用25a工字钢节约用钢量40%左右；比传统斜撑设置方式节约用钢量15%，起到了较好的降本增效作用。

6 结语

本文在非常规施工条件下探索和优化的悬挑钢梁直角三角撑构造，在满足规范的前提下，为项目的顺利创造了良好的条件，取得良好的综合效益。该构造有利于控制较大悬挑幅度钢梁的悬臂挠度，同样也适合在普通悬挑脚手架中运用。