懸挑腳手架在抗震構(gòu)造柱施工中的應(yīng)用

朱文忠

上海奉賢建設(shè)發(fā)展（集團）有限公司 上海 201499

對懸挑式腳手架進行結(jié)構(gòu)受力計算時，仍然主要采用結(jié)構(gòu)簡化計算。該方式低估了型鋼及腳手鋼管的材料能力，也減弱對局部變形特征的考慮，將對施工實施方的材料及人員周轉(zhuǎn)造成影響。張偉等[1]對高層建筑中梁側(cè)懸挑腳手架采用有限元計算，有效節(jié)省了約56%的材料。方光秀等[2]將鋼梁和斜拉鋼絲繩組合，通過Ansys分析得出組合鋼絲繩的變形特征，提出定期張拉要求以指導(dǎo)施工。傅宇等[3]通過應(yīng)力實測與有限元分析對比，提出型鋼變形導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重心前移增加變形，建議數(shù)值模擬時考慮相應(yīng)折減。

1 工程概況

本文以上海奉賢區(qū)再生能源綜合利用中心為例，設(shè)計并驗證單榀獨立抗震框架結(jié)構(gòu)懸挑腳手架的安全性能。如圖1所示，主廠房煙氣凈化車間內(nèi)共設(shè)9處抗震構(gòu)造框架柱，其中隨墻板結(jié)構(gòu)已建設(shè)的有6處，設(shè)備安裝空場區(qū)內(nèi)獨立抗震框架柱有3處，示例計算部位在設(shè)備安裝空場區(qū)域內(nèi)。

圖1 主廠房煙氣凈化間平面

如圖2所示，單榀獨立抗震框架結(jié)構(gòu)有2根1 600 mm×700 mm鋼筋混凝土柱（C35），柱心沿X軸間距7 000 mm，總高度均為46.2 m。沿高度方向每隔4～4.5 m分隔為一層，每層柱間有2道1 100 mm×300 mm鋼筋混凝土連接梁（C35），梁間由150 mm厚鋼筋混凝土板（C35）連成小平臺。

圖2 單榀獨立抗震框架結(jié)構(gòu)

2 型鋼懸挑腳手架布設(shè)

2.1 懸挑型鋼參數(shù)

依據(jù)規(guī)范建議，全結(jié)構(gòu)從第2層（8.5 m標(biāo)高）向上分2段獨立搭設(shè)，懸挑高度分別為18.54、19.20 m，型鋼架體布置方式相同。小平臺段由中心對稱布置5根16#工字鋼承力梁，由2道壓環(huán)鋼筋固定在結(jié)構(gòu)梁板上；柱陽角區(qū)域共設(shè)置3根16#工字鋼承力梁，端部由普通螺栓固定在柱內(nèi)，工字鋼頂面上3 m高的柱內(nèi)預(yù)埋普通螺栓，將拉桿（φ25 mm）通過吊耳板連接至結(jié)構(gòu)柱內(nèi)，所有連梁均采用10#槽鋼，型鋼布置方式如圖3所示。

圖3 懸挑型鋼立面布置

2.2 鋼管腳手架參數(shù)

腳手架橫距800 mm，縱距1 375 mm，步距1 800 mm，外排立桿距離工字鋼最外懸挑端為 150 mm，內(nèi)排立桿距離結(jié)構(gòu)邊為 300 mm。單挑的普通鋼管（φ48 mm×3 mm）約610根，鋼笆片（900 mm×800 mm）約220片，腳手板及木擋板一步一設(shè)，連墻件兩步一跨布設(shè)，如圖4所示。

圖4 單挑腳手架立面

3 有限元分析與驗算

3.1 模型與邊界條件

參考陳順霖[4]和梅德磊[5-6]等對結(jié)構(gòu)邊界條件的研究成果，結(jié)構(gòu)梁采用梁單元，小平臺采用帶厚度板單元。I16（16#工字鋼）主挑梁采用梁單元，陽角區(qū)I16在結(jié)構(gòu)端部節(jié)點與結(jié)構(gòu)柱節(jié)點采用剛性連接，簡化螺栓構(gòu)造。小平臺處I16與結(jié)構(gòu)連接梁采用剛性連接替代壓環(huán)鋼筋構(gòu)造，考慮變形特征，剛節(jié)點的主節(jié)點在結(jié)構(gòu)梁上，并分割結(jié)構(gòu)梁單元，I16隨結(jié)構(gòu)梁變形而從屬附加位移特征。由于拉桿與型鋼在端部連接為環(huán)式，桿件內(nèi)部扭轉(zhuǎn)應(yīng)力較小，因而采用桁架單元模型。鋼管腳手架則采用一般梁單元，鋼籬笆采用無厚度板單元，實際施工中橫桿與縱桿之間是扣件連接，且螺栓口強度均由壓力測定，可以將交錯節(jié)點等效為剛節(jié)點。同時單根鋼管長度約9 m，整個架體搭設(shè)完成后為超靜定結(jié)構(gòu)，腳手架的等效梁端無需釋放約束。C10a型鋼連梁與I16主梁建模方式相同，不同點在于腳手架底部與槽鋼節(jié)點需釋放平面彎矩約束，模型如圖5所示。

圖5 計算模型示意

3.2 荷載組合

由于鋼籬笆采用無厚度板單元，故需附加板單元壓力，根據(jù)材料供應(yīng)廠家出具產(chǎn)品相關(guān)文件，鋼籬笆自重為0.10 kN/m2。擋板自重0.17 kN/m2，按每步綜合折算至內(nèi)圈梁上為51 N/m，密目網(wǎng)自重0.01 kN/m2，按每步綜合折算至外圈梁上為6 N/m。施工作業(yè)限定僅一層，在最頂層腳手板上施加300 N/m2的板單元壓力，如圖6所示?？紤]架體搭設(shè)存在缺陷，所有鋼材自重取1.2倍放大系數(shù)作為變形補償。

圖6 荷載等效布置

3.3 分析驗算

3.3.1 懸挑主梁驗算

如圖7所示，I16懸挑主梁應(yīng)力集中點均處在固節(jié)點部位。計算得：懸挑主梁最大應(yīng)力、最大剪力均符合要求；小平臺鋼梁外伸端出現(xiàn)最大位移，最大位移符合要求。

圖7 I16懸挑主梁有限元分析結(jié)果

3.3.2 懸挑連梁驗算

如圖8所示，[10a懸挑連梁應(yīng)力集中點位于焊接節(jié)點部位。計算得到：懸挑主梁最大應(yīng)力、最大剪力、最大位移均符合要求。

圖8 C10a懸挑連梁有限元分析結(jié)果

3.3.3 腳手架桿件能力驗算

如圖9所示，腳手架桿系應(yīng)力集中點在桿系底部。計算得：桿系最大應(yīng)力、平面布置桿件最大剪力、最大位移均符合要求。

圖9 腳手架桿系有限元分析結(jié)果

3.3.4 扣件抗滑與立桿穩(wěn)定驗算

如圖10（a）、圖10（b）所示，桿系水平向最大剪力分別為Fx＝0.5 kN、Fy＝0.7 kN，扣件抗滑承載力Rmax＝1.1[Fx, Fy]max＝0.77 kN，小于極限承載力的7.2 kN，符合要求。如圖10（c）所示，最大軸向壓力Pmax＝6.4 kN，臨界壓力為270 kN，軸力小于臨界壓力，滿足壓桿穩(wěn)定要求。連墻件作為附屬加固結(jié)構(gòu)，不參與懸挑持力能力計算。

圖10 立桿桿系有限元分析結(jié)果

3.3.5 拉桿與吊耳驗算

吊耳構(gòu)造如圖11所示，初步擬定相關(guān)參數(shù)為：吊耳板厚12 mm，順受力方向吊孔邊距板邊緣最小距離65 mm，吊耳板抗拉強度設(shè)計值205 N/mm2，鋼拉桿與吊耳板連接焊縫焊腳尺寸8 mm，角焊縫強度設(shè)計值160 N/mm2，吊孔直徑25 mm，吊耳板兩側(cè)邊緣與吊孔邊緣凈距50 mm，吊耳板連接螺栓數(shù)量為1個，吊耳板抗剪強度設(shè)計值125 N/mm2，鋼拉桿與吊耳板連接焊縫總長度120 mm。

圖11 吊耳構(gòu)造

如圖12所示，拉桿最大軸向拉力Ns＝9.2 kN，最大應(yīng)力σmax＝18.9 N/mm2，小于許用應(yīng)力的205 N/mm2，滿足穩(wěn)定要求?；ɑ@螺栓內(nèi)應(yīng)力σ＝24.2 N/mm2，小于許用內(nèi)應(yīng)力的170 N/mm2，滿足要求。經(jīng)驗算，耳板構(gòu)造、耳板孔凈截面處抗拉強度、端部截面抗拉強度、抗剪強度等均滿足要求。

圖12 拉桿內(nèi)應(yīng)力云圖

3.3.6 焊縫與螺栓驗算

拉桿與吊耳連接焊縫剪應(yīng)力為13.5 N/mm2，小于許用剪應(yīng)力的160 N/mm2，符合要求。單個普通螺栓抗剪承載力設(shè)計值為68.688 kN，大于單個普通螺栓所受應(yīng)力的9.2 kN，滿足要求。

4 結(jié)語

1）經(jīng)過驗算，擬定的懸挑設(shè)計方案符合承載能力要求，可應(yīng)用于施工指導(dǎo)。

2）通過有限元計算結(jié)果分析得知，擱置的型鋼懸挑主梁在不考慮連接節(jié)點構(gòu)造的情況下，承載能力僅發(fā)揮30%，懸挑型鋼能力未得到充分利用。

3）受建筑腳手架規(guī)范強制條文限制，構(gòu)造要求決定了腳手架間距及布置形式，鋼管桿系承載能力被低估，但由于本文未建立節(jié)點構(gòu)造的實體模型，缺乏充分的理論條件及相關(guān)專家論證，故不建議超越規(guī)范的限定要求。