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悬挑式钢管外脚手架在高层建筑中的设计和使用

    随着在西部地区高层建筑中原来使用的竹外架逐步被悬挑式钢管外脚手架所取代，特别是悬挑式钢管外脚手架具有一次投入少，适用范围广，不受层高和场地的限制，节省费用等优点，在高层建筑中越来越得到广泛的使用。因此，在项目的安全策划中，编制详细的《外脚手架施工方案》是一项非常重要的工作，经过严格计算的悬挑式钢管外脚手架才能在现场施工中安全有效的进行搭设和使用。  
    在高层建筑悬挑式钢管外脚手架《施工方案》的编制过程中，设计计算应按照有关国家标准和规范为依据，根据工程实际情况进行编制。本文以我司在贵阳地区高层建筑施工中常用的悬挑式钢管外脚手架搭设方案为例，浅谈悬挑式钢管外脚手架的设计计算方法及使用中应注意的重要事项，供参考。
一、设计依据：
1、《建筑结构荷载规范》（GBJ9—87）；
2、《建筑结构设计统一标准》（GBJ64—84）；
3、《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ130—2001）；
4、《建筑施工安全检查标准》（JGJ59—99）；
二、设计计算实例：
根据我司施工的大多数高层建筑的基本情况，可以在本文中假设需搭设悬挑式钢管外脚手架的高层建筑位于市内繁华地段，裙楼层高为4.5米，共4层；主楼层高3米，共24层；建筑物总高近90米左右，结构形式为框剪结构。
本高层建筑的裙楼部分采用双排扣件式钢管脚手架落地进行搭设，由于结构形式较为简单，故在本文中不再重点阐述。主楼部分采用悬挑式钢管外脚手架，根据悬挑式钢管外脚手架搭设的构造要求及其特点，上部脚手架架体立杆的稳定性，连墙件的强度和稳定性，悬挑杆三角架斜撑杆的稳定性成为悬挑式钢管外脚手架设计计算时应严格计算的项目。
三、主楼悬挑式钢管外脚手架设计：
1、悬挑式钢管外脚手架几何参数
悬挑钢管和脚手架立杆纵向间距La=1.5m，内外排立杆间距Lb=1.0m，内立杆距墙0.3m。每个悬挑结构上搭设五步架，最大步距Ho=1.8m。（架子具体尺寸详见附图）
2、材料参数
脚手架钢管（规格Φ48×3.5）采用热扎Q235钢，其抗弯、抗压设计值f =205N/mm2，抗剪强度设计值fv =120N/mm2，钢管有效截面面积A=4.89㎝2，钢管截面惯性矩I=12.19㎝4，截面抵抗矩W=5.00㎝3，截面回转半径i=1.58㎝，弹性模量E=2.06×105 N/mm2，质量为3.84㎏/m。
3、荷载计算
取1个立杆纵距内的内外立杆及斜撑为计算单元，考虑到目前贵阳地区悬挑外脚手架在主体施工时一般作为外防护架，在外装饰施工时作为施工外架使用。因此，在荷载计算时应按装饰施工时的最不利荷载考虑，两步架同时进行施工作业。
3.1 构架自重
3.1.1 钢管脚手架自重：
Ф48×3.5㎜钢管外脚手架自重表（双排，含扣件）            表1
gk1（KN/㎡）
        立杆纵距La (m)步距Ho (m)        1.2        1.5        1.8        2.1
1.80        0.192        0.166        0.149        0.136
2.00        0.182        0.157        0.140        0.127
根据表1可查出，脚手架立杆纵向间距La=1.5m，步距Ho=1.8m的双排外脚手架，gk1=0.166 KN/㎡。则分别分配到悬挑支撑上部的内外立杆上的自重恒载为：
Gk1=0.5×La×H×gk1=0.5×1.5×1.8×5×0.166=1.12 KN
3.1.2 脚手架剪刀撑自重：
脚手架剪刀撑在外立杆上每隔五个立杆间距一道连续设置，扣件重量忽略不计。
Gk2=2×0.0384×(1.82+1.52)1/2＝0.18KN
3.1.3 木跳板自重（底层、作业层及中间层共满铺三层）
木跳板面荷载取值为0.2 KN/㎡（按厚度20㎜计）
Gk3外=0.5×0.2×Lb×La×3=0.5×0.2×1×1.5×3=0.45 KN
Gk3内=0.5×0.2×Lb×La×3=0.5×0.2×1×1.5×3=0.45 KN
3.1.4 脚手架施工活载（按装饰施工作业时，两步架同时作业计算）
装饰施工作业时，脚手架施工活载取值为3.0KN/㎡。分配到内外立杆底部的活载标准值为：
Qk外=0.5×3×Lb×La×2=0.5×3×1×1.5×2=4.5 KN
Qk内=0.5×3×Lb×La×2=0.5×3×1×1.5×2=4.5 KN
3.1.5 脚手架所承受的风荷载
假设该五步悬挑外脚手架位于建筑物顶部，按所承受的风荷载最大的情况考虑。
风压高度变化系数µZ         表2               风荷载体型数µS   表3
离地面高度(m)        70        80        90        100                背靠建筑物状况        全封闭        敞开
空旷的郊区        1.86        1.95        2.02        2.09                脚手架外围密目网全封闭        1.0φ        1.3φ
城市地区        1.45        1.54        1.62        1.70                               
根据表3、表4可得：90m高处城市地区的风压高度变化系数µZ =1.62；风荷载体型数µS =1.3φ，按照《建筑施工安全检查标准》（JGJ59—99）规定，2000网目密目安全网挡风系数φ约为0.37，考虑到脚手架钢管的使用，φ值取为0.4。根据《建筑结构荷载规范》（GBJ9—87）基本风压分布图，贵阳地区的基本风压为Wo为0.3 KN/㎡。
Wk=0.7×µS×µZ×Wo=0.7×1.3×0.4×1.62×0.3=0.177 KN/㎡
3.2 脚手架内外立杆轴向力设计值N
荷载分项系数恒载取值为1.2，活载取值为1.4。
内立杆：
N1=1.2（Gk1＋Gk3内）＋1.4 Qk内=1.2（1.12＋0.45）＋1.4×4.5=8.18 KN
外立杆：
N2=1.2（Gk1＋Gk2＋Gk3外）＋1.4 Qk外
=1.2（1.12＋0.18＋0.45）＋1.4×4.5
=8.4 KN
4、悬挑三角架上部搭设的五步脚手架架体稳定性计算
当脚手架按构造规定要求搭设，一般情况下，它的工作主要受其失稳承载能力的控制。因此，对于悬挑三角架上部搭设的脚手架架体立杆的稳定性计算成为悬挑式钢管外脚手架设计计算中的关键项目，而其余的大小横杆、扣件由于均在规范要求范围内进行搭设，受力计算可忽略不计。
4.1 不组合风荷载时的架体立杆稳定性计算
不考虑风荷载的情况下，应按照公式0.9N/jA≤fC /g`m进行验算。  
立杆计算长度Lo=Kµh，其中计算长度附加系数K取为1.5，单杆计算长度系数µ取为1.0；则该立杆计算长度Lo=Kµh=1.5×1×180=270㎝。
立杆长细比λ=Lo/i=270/1.58=170.9，查表得稳定系数j=0.243
考虑脚手架在露天重复使用条件下确保结构可靠度得要求，对其强度设计值所给予的综合折减系数g`m=1.5607（SGK+SQK）/（SGK+1.15SQK）=1.5607（3.32＋9）/（3.32＋1.15×9）=1.407
得出  0.9N/jA=0.9×8400/（0.243×489）=63.6 N/mm2
      fC /g`m=205/1.407=145.7 N/mm2
所以  0.9N/jA< fC /g`m，即在不考虑风荷载的情况下，脚手架架体立杆稳定性安全！
4.2 组合风荷载时的架体立杆稳定性计算
考虑风荷载的情况下，应按照公式0.9（N`/jA＋Mω/W）≤fC /g`m进行验算。
qWK＝La&#8226;Wk＝1.5×0.177=0.266N/mm
Mω=0.12 qWK&#8226;h2=0.12×0.266×1.82=0.103KN&#8226;m
N`=1.2×NGK＋0.85×1.4NQK=1.2×（1.12＋0.18＋0.45）＋0.85×1.4×4.5=7.455 KN
立杆长细比λ=Lo/i=270/1.58=170.9，查表得稳定系数j=0.243；综合折减系数g`m=1.5607。
得出  0.9（N`/jA＋Mω/W）=0.9[7455/（0.243×489）＋103000/5000]=75 N/mm2
      fC /g`m=205/1.5607=131.4 N/mm2
所以  0.9（N`/jA＋Mω/W）< fC /g`m，即在考虑风荷载的情况下，脚手架架体立杆稳定性安全！
4.3 连墙件强度验算
采用主体内预埋短钢管，用钢管将脚手架与建筑物主体连接，预埋钢管高出砼楼面20㎝左右。按照两步三跨（3.6m×4.5m）一个连墙点进行设置，上下错开。
扣件抗滑承载力设计值Rc=8.00KN
连墙件地轴向力设计值N=NW＋N0
NW =1.4×Wk×AW=1.4×0.177×3.6×4.5=4.01 KN
考虑到脚手架平面外变形引起的轴力，增加一个附加应力N0=3KN
所以 N=0.9NW＋N0=3.61＋3=6.61 KN<Rc=8.00KN，即连墙件安全！
5、悬挑三角架杆件的稳定性验算
5.1 悬挑三角架杆件的受力分析
NCD= N2/Sin66.57&ordm;=8.4/0.918=9.15 KN
NCB=－NCD×Cos66.57&ordm;=－9.15×0.398=－3.64KN
NBD= N1/Sin84.29&ordm;=8.18/0.995=8.22 KN
NBA= －（NBC＋NBD×Cos84.29&ordm;）=－（3.64＋8.22×0.099）=－4.46 KN
5.2 悬挑三角架斜撑杆的稳定性验算
5.2.1 外斜杆的稳定性验算（验算中考虑荷载的动力系数为1.2）
计算长度L1=3270㎜，轴心压力NCD =9.15 KN。
偏心距e1=0.053m，所以偏心受力产生的弯矩M1= NCD×e1=0.48 KN&#8226;m
λ1=L1/i=3270/15.8=207，查表得得稳定系数j1=0.169
欧拉临界力NE1=π2EA/λ2=3.142×2.06×105×489/2072=23.2 KN
等效弯矩系数βmx=0.65＋0.35（M2/M1）=0.65－0.35（0.48/0.48）=0.3<0.4
故取βmx=0.4，取截面塑性发展系数g=1.15
根据钢结构压弯构件公式N/jXA＋βmx·M/[ gxW1x（1－0.8N/NEx）] ≤f
，可验证外斜杆在偏心弯矩作用下的稳定性。
N/jXA＋βmx·M/[ gxW1x（1－0.8N/NEx）]
=1.2×9150/（0.169×489）＋1.2×0.4×0.48×106/1.15×5080×[1－0.8×9.15/23.2]
=190.5 N/mm2< f =205 N/mm2
所以经过验算，外斜杆稳定！
5.2.2 内斜杆的稳定性验算（验算中考虑荷载的动力系数为1.2）
计算长度L2=3015㎜，轴心压力NBD =8.22KN。
偏心距e2=0.053m，所以偏心受力产生的弯矩M2= NBD×e2=0.44 KN&#8226;m
λ2=L2/i=3015/15.8=191，查表得得稳定系数j2=0.197
欧拉临界力NE1=π2EA/λ2=3.142×2.06×105×489/1912=27.2 KN
等效弯矩系数βmx=0.65＋0.35（M2/M1）=0.65－0.35（0.44/0.44）=0.3<0.4
故取βmx=0.4，取截面塑性发展系数g=1.15
根据钢结构压弯构件公式N/jXA＋βmx·M/[ gxW1x（1－0.8N/NEx）] ≤f
，可验证外斜杆在偏心弯矩作用下的稳定性。
N/jXA＋βmx·M/[ gxW1x（1－0.8N/NEx）]
=1.2×8220/（0.197×489）＋1.2×0.4×0.44×106/1.15×5080×[1－0.8×8.22/27.2]
=150.1 N/mm2< f =205 N/mm2
所以经过验算，内斜杆稳定！
5.2.3 水平杆件的稳定性验算。水平杆件为受拉杆件，稳定，其验算略。
5.3 结论：经过验算，在设计规定受力情况下，此悬挑三角架安全稳定！
四、搭设及拆除中的注意事项
1 搭设脚手架时应使用扭力扳手，紧固力矩40N·m；斜撑和外立杆必须一一对应，距离不大于10cm；连墙件预埋钢管应在大横杆和小横杆的节点处。
2 钢管应选择顺直，无弯曲、锈蚀的材料；斜撑和悬挑钢管必须专用，以保证结构安全，提高搭设效率。
3 架体拆除前，必须察看施工现场环境，包括架空线路。外脚手架、地面设施等各类障碍物、地锚、缆风绳、连墙杆以及被拆架体各节点、附件、电气装置情况，凡能提前拆除的尽量拆除掉。制定拆除方案，确定指挥人员，工作开始前划分危险作业区域。
4 架子拆除时划分作业区，周围设围栏或警戒标志，地面设专人指挥，严禁非作业人员入内。
5 拆除的高处作业人员，必须戴安全帽、系安全带、扎裹脚。
6 拆除顺序应遵循自上而下、先搭后拆、后搭先拆的原则。
7 拆立杆时，应先抱住立杆再拆开最后两个扣，拆除大横杆、斜撑、剪刀撑时，应先拆中间扣，然后托住中间，再解端头扣。
8 连墙点应随拆除进度逐曾拆除，拆斜撑时，应设临时支撑。
9 拆除时要统一指挥，上下呼应，动作协调，拆除时不应碰坏门窗玻璃、水落管等设施。
10 拆下的材料应用绳索栓住，徐徐下运，严禁抛掷，运至地面的材料应按指定地点，随拆随运，分类堆放，当天拆，当天清，拆下的扣件或铁丝要集中收回处理、入库。

gyz0

正需要。谢谢

小辛辛

比较全面，在搭设注意事项中应充实一些内容

波波波

很详细,是用来评中职的吧？

zhzyj

按照我地区的规定，悬挑脚手架的悬挑结构必须使用型钢，如槽钢、工字钢等，你地区有无这类限制，能提供型钢挑架方案吗？谢谢

zwj123

很不错，脚手架发展迅速！

shenyoujia

是否可以附一张简图

志气

很好，让我也得到一些启示

zxclhy

做为论文，格式不对。

nicholasee

比较全面

fuyingjie

论文中最好加点图，可能更详细。

WGP0848

各种计算有简图就好了,要是有实际工程的照片那就更完美了

wh1239

格式与我们地区的好象不太一样关键词等都没

坚持到底

附图 和工程实图