钢管悬挑扩宽平台在某大型博物馆中的设计验算及施工应用

李欣，卜科彪，苗金昇，刘菲，刘斌

（中国京冶工程技术有限公司，北京 100088）

1 引言

某国家级大型博物馆（见图1），规划总建筑面积73 079.55m2，地下1 层，地上4 层，建筑±0.00 m 相当于绝对标高15.70 m，建筑高度为26.50 m。博物馆的主体结构由东西向的研究办公用房与其上架空的南北向高大展厅组成。展厅两侧设有宽度1.20～2.40 m 的外廊，再外侧为方钢管装饰柱，外廊与装饰柱上方为展厅挑檐。本工程展厅挑檐设计为钢结构骨架，顶部和侧面外包25 mm 厚蜂窝铝板，下部为铝合金格栅。由于蜂窝铝板设计尺寸较大，且其安装位置已经超出外廊装饰柱托梁的投影范围，处于完全外挑状态，给该区域脚手架搭设造成极大困难。本文针对这一难点，对本博物馆外廊挑檐安装用脚手架的设计验算及现场施工进行梳理归纳，提出可供同类项目参考借鉴的经验总结。

图1 某大型博物馆效果图

2 脚手架基本情况

本国家级大型博物馆，地下1 层，采用筏板基础，钢筋混凝土框架结构；地上4 层，采用钢框架结构，施工过程中使用了大量的模板支撑脚手架和操作脚手架，除地下室梁板模板支撑架采用盘扣脚手架以外，其他操作脚手架采用钢管扣件脚手架。

项目东西向分布有7 道形似城墙的矩形研究办公用房，高11.50～15.25 m，四周布置双排钢管落地脚手架，用于外墙饰面施工；在大报告厅、5D 影院等区域布置满堂脚手架，用于二次结构、室内装修施工。南北向为两道形似闪电的展厅，架立于办公用房之上，高22.85～26.50 m，展厅两侧设有基本贯通的外廊，宽1.20～2.40 m。由于展厅整体高度较大，且办公用房之间的区域处于架空或悬挑状态，如果自地面起步搭设脚手架，不但高度较大，局部还没有可以拉结连墙件的结构构件。经过多方面比选和评估，最终决定在外廊上搭设双排钢管脚手架，用于展厅外墙饰面施工。

展厅外脚手架最大高度18.55 m，采用φ48.3 mm×3.6 mm钢管及配套扣件搭设，立杆纵向间距1.20 m，横向间距1.20 m，内立杆距建筑结构外皮0.40 m。横杆最大步距为1.80 m，小横杆间距非作业层1.20 m，作业层间距按照脚手板铺设要求设置，间距不大于0.4 m，且脚手板与脚手板对接处的板探头长度不大于0.3 m，并用木条或铁丝固定。在外侧立面两端、转角及中间间隔不超过15 m 的立面上，各设置一道剪刀撑，并应由底至顶连续设置，每道6 跨，遇结构外边线凸凹变化时可适当调整，但应保证斜杆与水平面夹角为45°～60°。连墙件按照两步三跨布置。脚手架允许均布施工线荷载为3 kN/m2。典型展厅外脚手架构造详见图2。

图2 典型展厅外墙脚手架构造图

考虑展厅外廊为悬挑结构，承载能力有限，设计展厅外脚手架仅有一层施工作业，铺设脚手板。经计算，脚手架自重及施工荷载不超过结构设计限定的展厅外廊承载能力。本工程展厅主体结构为钢框架结构，外墙采用钢龙骨加水泥纤维板体系，施工初期连墙件可与结构柱、墙面龙骨或门窗洞口拉结，后期拆除内侧连墙件，换成与外部装饰柱拉结，待外墙饰面、装饰柱、挑檐全部施工完成后再逐步拆除。

3 悬挑扩宽平台方案选择

本工程施工过程中，展厅挑檐外包蜂窝铝板的分格方案经多次研究讨论，最终根据建筑师的设计意图，按照国内厂家所能生产的最大尺寸进行分格，最大单块铝板的尺寸达到6.00 m×1.50 m，质量约180 kg。这种情况使得原计划的曲臂车安装方案，无论从操作空间还是从承重能力方面考虑都无法实施，只能采用搭设脚手架施工方案。

根据现场实际情况，综合考虑本项目展厅的建筑、结构特点，对本工程可供选择的脚手架搭设方案进行技术、经济等方面比较，其主要结论见表1。对比分析表明，针对本项目的现实特点，全钢管悬挑扩宽平台方案具有技术先进、造价低、工期短等优点，并能较好地利用已有外墙脚手架，只要通过科学的设计验算，并精心组织脚手架搭设及铝板安装施工，就能保证其安全性、稳定性。

表1 脚手架方案对比表

现场根据外廊宽度、装饰柱与外墙距离，在装饰柱悬挑梁上再搭设两排脚手架，并与现有外墙脚手架牢固拉结。脚手架纵向立杆间距1.20 m，横向立杆间距根据悬挑梁的宽度适当调整，最大不超过1.20 m。后搭设附加手架与原有外墙脚手架之间采用钢管拉结，拉结钢管采用一步两跨布置方式。

附加脚手架应与装饰柱通过井字形构件拉结，以增加架体的整体稳定性。将原有外墙脚手架的剪刀撑拆除，移至附加脚手架外侧，并按JGJ 130—2011《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》的要求，沿水平和垂直方向连续设置[1]。装饰柱悬挑梁为H 型钢梁，施工中根据立杆布置间距，在其上翼缘顶部焊接φ18 mm 长度约50 mm 钢筋头，搭设脚手架时将其插入立杆底部，以确保立杆不会滑动失稳。典型钢管悬挑扩宽平台构造详见图3。

图3 典型展厅悬挑扩宽平台构造图

根据展厅挑檐施工需要，在附加脚手架顶部增设悬挑扩宽平台，平台由横向水平杆（AB）、斜撑杆（AC）、加强水平杆（DE）组成，悬挑1.00 m，纵向间距1.20 m。钢管悬挑扩宽平台节点构造详见图4。

图4 钢管悬挑扩宽平台节点构造图

4 悬挑扩宽平台设计验算

全钢管悬挑扩宽平台方案虽然具有诸多优点，但在实际工程中应用较少，现有软件没有成熟的计算模块，需要手动设计验算，并结合计算软件核算，以保证脚手架整体和局部的强度及稳定性满足施工要求。

4.1 荷载计算

以纵向1.20 m 为计算单元，

立杆：1 根×3.00 m/根×39.7 N/m=119.10 N

横杆：（4 根×1.20 m/根+4 根×1.00 m/根）×39.7 N/m=349.36 N

斜撑杆：1 根×2.06 m/根×39.7 N/m=81.78 N

扣件：10 个×15 N/个=150.00 N

脚手板、挡脚板、安全网及安全设施：350×1.2×1.0+17×1.2+10×1.2×1.0=452.4 N

恒荷载：qGk=119.10+349.36+81.78+150.00+452.40=1152.64 N

活荷载：qQk=2 000×1.2×1.0=2 400 N

总荷载：q=（1.2×1 152.64+1.4×2 400）/1.00/1 000=4.74 kN/m

4.2 横向水平杆验算

4.2.1 AB 水平杆抗弯验算

根据钢管悬挑扩宽平台节点构造图，以AB、AC为主要受力杆件，以DE为安全储备和斜撑杆的支点，以AB、AC杆件A点的竖向位移相等建立方程:

式中，fcQ为AB杆件在悬挑平台均布荷载作用下的A点竖向位移；fcP为AB杆件在斜撑杆集中反力作用下的A点竖向位移；fA为AB、AC杆件在A点的竖向位移。

计算得出AD=DC=1.03 m≈1.00 m=l1=L1，查《建筑结构静力计算手册》可得：

式中，q为悬挑平台均布荷载；l为AB杆件悬挑部分长度；L为AB杆件固定于附加脚手架部分长度；E为杆件弹性模量；I为杆件截面惯性矩；P为斜撑杆提供的集中反力；l1为AC杆件悬挑部分长度；L1为AC杆件固定部分长度。

代入数据得：

计算得P=0.36q=1.71 kN，则AB水平杆抗弯验算：

式中，MF为AB杆件F点的弯矩；W为杆件截面抵抗矩。

横向水平杆的最大弯曲应力σ=125.48 N/mm2，小于横向水平杆的抗弯强度设计值205 N/mm2。

4.2.2 AB 水平杆压弯验算

按照斜撑杆与水平杆夹角60°计算，N=P•sin（60°）•cos（60°）=0.74kN，l0=1 000×1.53=1 530 mm，λ=l0/i=1 530/16=96≤200，查表φ=0.62，则：

式中，N为杆件轴向压力；l0为杆件计算长度；λ为杆件长细比；i为杆件截面回转半径；φ为受压构件稳定系数；A为杆件截面面积。

横向水平杆的最大压曲应力σ=137.34 N/mm2，小于205 N/mm2，满足要求。

4.3 斜撑杆验算

4.3.1 AC 斜撑杆抗弯验算

按照斜撑杆与水平杆夹角60°计算，MD=Pcos（60°）l=0.5×1.71×1.0=0.86 kN•m。式中，MD为AC杆件D点的弯矩。

σ=MD/W=0.86×106/5.26×103=163.50 N/mm2，小于斜撑杆的抗弯强度设计值205 N/mm2。

4.3.2 AC 斜撑杆压弯验算

N=Psin（60°）=1.48 kN，l0=2 059×1.53/2=1 575 mm，λ=l0/i=1 575/16=98≤200，查表φ=0.60，则

σ=N/φA+M/W=1.48 ×103/（0.60 ×506）+0.86 ×106/5 260=168.37 N/mm2，小于205 N/mm2，满足要求。

4.4 内外侧立杆验算

悬挑平台增加，造成外侧立杆压力增大，内侧立杆压力减小，甚至可能受拉。考虑展厅挑檐铝板安装期间，外墙脚手架及附加脚手架不安排其他作业的工况，内外侧立杆可进行如下验算。

4.4.1 外侧立杆验算

钢管悬挑扩宽平台恒荷载造成外侧立杆增加的压力为RAG=qGkl（2+l/L）/2=1.15×1×（2+1/1.2）/2=1.63 kN，活荷载造成外侧立杆增加的压力为RAQ=qQkl（2+l/L）/2=2.40×1×（2+1/1.2）/2=3.40 kN。式中，RAG为恒荷载作用下外侧立杆增加的压力；qGk为悬挑平台均布恒荷载标准值；RAQ为活荷载作用下外侧立杆增加的压力；qQk为悬挑平台均布活荷载标准值。

使用脚手架通用计算软件对展厅外墙脚手架进行计算，查看导出的计算书，可以得到单根立杆的轴心压力设计值，并加入上述压力增加值，可得出增加钢管悬挑扩宽平台后外侧立杆压力N=1.3（NG1k+NG2k）+0.9×1.5NQ1k=1.3×（4.53+1.63）+0.9×1.5×3.40=12.60 kN，Mwd=0.115 kN•m。式中，NG1k为查计算书得到的附加脚手架原荷载作用下外侧立杆轴向压力；NG2k为悬挑平台恒荷载作用下外侧立杆增加的压力；NQ1k为悬挑平台活荷载作用下外侧立杆增加的压力；Mwd为查计算书得到的附加脚手架风荷载作用下外侧立杆弯矩设计值；γ0为结构重要性系数。

σ=γ0[N/（φA）+Mwd/W]=1×[12.60×103/（0.191×506）+0.115×106/5 260]=152.24 N/mm2，小于205 N/mm2，满足要求。

4.4.2 外侧立杆验算

同理，增加悬挑平台后内侧立杆增加的拉力为RB=ql2/2L=4.74×12/2/1.2=1.98 kN，小于单根立杆的轴心压力设计值，也小于单扣件抗滑承载力8.0 kN，满足要求。

全面设计验算的结果表明，全钢管悬挑扩宽平台方案满足相关规范的承载力和稳定性要求，可为本工程展厅挑檐超大铝板安装提供安全可靠的作业面。

5 悬挑扩宽平台施工要点

实际施工中，组织专业架子工15 人，用时约40 d，搭设附加脚手架及悬挑扩宽平台，最终形成作业平台约1 200 m2，有效地保障了展厅挑檐超大铝板安装的进度和安全。

但全钢管悬挑扩宽平台毕竟在实际工程中应用较少，属于在特定条件下的短期施工措施，其受力原理与常用的落地式脚手架有本质的不同，所以在搭设、拆除以及平台上作业过程中都要科学编制方案、精心组织施工，才能确保相关作业的安全和高效。根据相关规范规程、施工手册的要求，结合现场实际施工情况，本文将全钢管悬挑扩宽平台的施工要点总结如下。

5.1 搭设及拆除顺序

落地部分架体的搭设及拆除与普通脚手架基本相同，只是本工程附加脚手架在装饰柱悬挑梁上搭设，采取了在悬挑上焊接钢筋头的防滑加固措施。悬挑扩宽平台搭设时，先安装水平悬挑杆，再立足于落地部分架体上安装斜撑杆，安装水平加强杆，拧紧各个扣件，形成一个悬挑平台单元[3]。接着，按照纵向间距搭设5～6 个单元后，再用纵向水平杆将它们连接，形成悬挑平台。最后安装外边缘立杆、拦腰杆，完成悬挑扩宽作业平台。其拆除顺序与搭设顺序相反。

5.2 基本构造要求

1）综合考虑施工需求和脚手架上增设挑扩结构的能力，应尽量减小悬挑跨度，采取可靠的技术方案，并留有适当的安全储备。采用常规钢管单杆挑扩时，其跨度不宜超过0.50 m；当跨度大于0.50 m 时，应加设斜撑杆；一般最大跨度不超过1.20 m[4]。同时，为满足脚手架整体抗倾覆稳定性，相关规范规定，落地部分宽度不应小于悬挑宽度的两倍[5]。

2）落地脚手架顶部增加悬挑扩宽平台，会造成外侧立杆压力增大，内侧立杆压力减小，甚至可能受拉。因此，落地脚手架立杆接长必须采用搭接，如果已采用对接连接，可在立杆接长部位附着一根钢管进行拉结。

3）斜撑杆必须与内外立杆及水平挑杆用扣件连接牢固，每一连接点均应为双向约束；斜撑杆每一纵距设置，相邻两扣件节点之间的长度不得大于1.80 m；斜撑杆应为整根钢管，不得接长；斜撑杆与架体立杆的夹角不宜过大。

4）水平挑杆应通过扣件与落地部分架体内外侧立杆牢固连接，挑出部分应与斜撑杆通过扣件连接牢固。

5.3 加强加固措施

1）落地部分架体连墙件宜按照不少于两步两跨设置。本工程根据自身特点，还增设了与装饰柱通过井字形构件拉结的措施，以进一步增强整体稳定性。

2）应在外侧立面沿整个长度和高度上设置连续剪刀撑，每道剪刀撑跨越立杆数为5～7 根，最小距离不得小于6.00 m，剪刀撑与水平面夹角为45°～60°，将落地部分与悬挑部分连成一体。

3）一字形、开口形脚手架端部必须设置横向斜撑，中间应每隔6 根立杆纵距设置一道，横向斜撑应由底至顶呈之字形连续布置。

6 结语

1）本文通过某国家级大型博物馆用于展厅挑檐铝板安装的脚手架方案讨论和确定，详细说明了全钢管悬挑扩宽平台具有造价低、工期短、合理利用已有脚手架等优点，证明了其在类似建筑结构条件下的适用性和安全性。

2）根据本工程现场施工条件，作者对悬挑扩宽平台进行了合理的设计，并对各杆件的强度和稳定性进了全面科学的验算，表明该方案可以满足相关规范的要求，有力地保障了操作脚手架搭设和后续安装施工的顺利进行。

3）结合钢管悬挑扩宽平台在本博物馆工程中的具体实施，本文总结了其施工过程中的施工要点和施工顺序，可供相关项目的设计与施工人员借鉴和参考。