耿大將 苗恩新 柏志誠(chéng) 金學(xué)勝

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)提籃式型鋼懸挑腳手架在實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用，對(duì)不同工況下的提籃式型鋼懸挑腳手架進(jìn)行了精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和有效驗(yàn)算，采用理論分析法得出了一般工況下提籃式型鋼懸挑腳手架的主梁和拉桿內(nèi)力表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況建立了多種特殊工況的驗(yàn)算方法。然后采用單因子變量法給出了多種特殊工況下的計(jì)算實(shí)例，并結(jié)合計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)施工情況給出了實(shí)際設(shè)計(jì)和施工建議。研究結(jié)果表明，拉桿上節(jié)點(diǎn)偏移會(huì)使主梁由單向彎曲構(gòu)件轉(zhuǎn)化為雙向彎曲構(gòu)件，同時(shí)會(huì)使主梁撓度增大6%左右;雙拉桿失效會(huì)導(dǎo)致主梁彎矩增大16倍;立桿傳遞豎向力增加和建筑結(jié)構(gòu)體型收進(jìn)均會(huì)對(duì)腳手架受力產(chǎn)生不利影響，需要采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)措施或施工管理措施加以規(guī)避，尤其需要加強(qiáng)拉桿的日常巡檢，保證其正常發(fā)揮作用。因此，提籃式型鋼懸挑腳手架可以代替普通懸挑腳手架在施工中加以應(yīng)用，所提方法可以有效解決提籃式型鋼懸挑腳手架特殊工況下的設(shè)計(jì)驗(yàn)算難題，并為相關(guān)提籃式型鋼懸挑腳手架的設(shè)計(jì)和施工管理提供參考。

關(guān)鍵詞：土木建筑工程設(shè)計(jì);提籃式懸挑腳手架;特殊工況;理論分析;設(shè)計(jì)驗(yàn)算

中圖分類號(hào)：TU899 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? DOI： 10.7535/hbgykj.2022yx01005

Abstract：In order to realize the wide application of basket type steel cantilever scaffold in practical engineering，the basket type steel cantilever scaffold under different working conditions was accurately designed and effectively checked，the internal force expressions of the main beam and tie rod of the basket type steel cantilever scaffold under general working conditions were obtained by using the theoretical analysis method.On this basis，combined with the actual situation of the site，the checking calculation methods under various special working conditions were established.Then，the calculation examples under various special working conditions were given by using the single factor variable method，and the actual design and construction suggestions were given combined with the calculation results and field construction conditions.The results show that the node offset on the tie rod can transform the main beam from one-way bending member to two-way bending member，and increase the deflection of the main beam by about 6%.The double tie rod failure increases the bending moment of the main beam by 16 times.The increase of the vertical force transmitted by the vertical pole and the retraction of the building structure have an adverse impact on the stress of the scaffold，and corresponding design measures or construction management measures need to be taken to avoid it.In particular，the daily inspection of the tie rod needs to be strengthened to ensure its normal function.Therefore，the basket type steel cantilever scaffold can replace the ordinary cantilever scaffold in construction.The method can effectively solve the design and checking problems of basket shaped steel cantilever scaffold under special working conditions，and can provide reference for the design and construction management of basket type steel cantilever scaffold.

Keywords：civil and architectural engineering design;basket type cantilever scaffold;special working conditions;theoretical analysis;design checking calculation

腳手架在建筑結(jié)構(gòu)施工中具有十分重要的作用。按照作用原理不同，建筑腳手架主要包括附著式升降架、爬架和懸挑架等形式[1-6]。而懸挑架根據(jù)其受力體系的不同可以分為完全懸挑式、下?lián)螒姨羰?、上拉懸挑式及下?lián)紊侠瓚姨羰絒7-9]。近年來(lái)，上拉懸挑式腳手架，尤其是提籃式型鋼懸挑腳手架，在工程實(shí)際中有了較多的應(yīng)用[9-12]。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者已經(jīng)對(duì)提籃式型鋼懸挑腳手架的施工技術(shù)進(jìn)行了探討，且提籃式型鋼懸挑腳手架已被引入到裝配式結(jié)構(gòu)施工和高層建筑施工中[12-14]，且提籃式型鋼懸挑腳手架可以降低腳手架部分的工程成本;此外，柏寒陽(yáng)等[15]將提籃式型鋼懸挑腳手架與完全懸挑式腳手架進(jìn)行了優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比分析，提籃式型鋼懸腳手架優(yōu)勢(shì)明顯;鄭根思等[16]直接給出了提籃式型鋼懸挑腳手架的設(shè)計(jì)方案。綜合國(guó)內(nèi)外已有的研究結(jié)果可以看出，盡管提籃式型鋼懸挑腳手架已經(jīng)在工程中得以應(yīng)用，但相關(guān)研究工作仍然主要集中在施工技術(shù)方面[17-20]，對(duì)設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)工作的研究較少，而對(duì)工程實(shí)際而言必須做到設(shè)計(jì)先行才能保證施工安全可靠。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工管理經(jīng)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，提籃式型鋼懸挑腳手架在實(shí)際施工使用中面臨各種特殊工況，必須保證這些工況下腳手架的安全才能保證施工安全。筆者采用理論分析方法得出了一般工況下提籃式型鋼懸挑腳手架的主梁和拉桿內(nèi)力表達(dá)式，總結(jié)歸納了提籃式型鋼懸挑腳手架特殊工況，并對(duì)各種特殊工況對(duì)腳手架受力的不利影響進(jìn)行了量化分析，給出了實(shí)際設(shè)計(jì)和施工建議。

1 提籃式型鋼懸挑腳手架的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)懸挑腳手架相比，提籃式型鋼懸挑腳手架除了具有腳手板、縱向水平桿、橫向水平桿、立桿、欄桿、扣件外，還包括拉桿和主梁，且拉桿和主梁構(gòu)成了主要整體受力結(jié)構(gòu)。此外提籃式型鋼懸挑腳手架還包括主梁與建筑結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)、拉桿與主梁連接節(jié)點(diǎn)、拉桿上下部連接節(jié)點(diǎn)、拉桿與建筑結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)這四大節(jié)點(diǎn)。腳手架的受力主要從立桿傳遞給主梁，主梁傳遞給拉桿，進(jìn)而傳遞給四大節(jié)點(diǎn)。

提籃式型鋼懸挑腳手架與傳統(tǒng)懸挑腳手架的區(qū)別如圖1所示。與傳統(tǒng)懸挑架相比，提籃式型鋼懸挑腳手架具有如下優(yōu)勢(shì)。

1）建筑結(jié)構(gòu)損傷小。傳統(tǒng)懸挑腳手架需要在外剪力墻和樓板開洞，結(jié)構(gòu)損傷大，而提籃式型鋼懸挑腳手架只需要在外墻或邊梁預(yù)埋螺栓即可，顯然對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷更小。

2）材料利用效率高，經(jīng)濟(jì)性好。傳統(tǒng)懸挑腳手架型鋼主梁的內(nèi)力分布不均勻程度比提籃式型鋼懸挑腳手架要高，導(dǎo)致傳統(tǒng)懸挑腳手架的型鋼主梁不同部位的材料力學(xué)性能發(fā)揮程度有極大差異，造成材料利用效率不高，而提籃式型鋼懸挑腳手架的型鋼主梁材料力學(xué)性能發(fā)揮程度差異相對(duì)較小。此外，與傳統(tǒng)懸挑腳手架相比，提籃式型鋼懸挑腳手架可以節(jié)約50%以上的型鋼用量，型鋼利用效率高，經(jīng)濟(jì)性更好。

3）施工方便，節(jié)約工期。傳統(tǒng)懸挑腳手架型鋼伸入室內(nèi)的錨固段長(zhǎng)度為懸挑段的1.25倍，樓板及墻體均需開洞，施工過程較為復(fù)雜，而且后期需要進(jìn)行洞口封堵和型鋼拆除，增加了施工難度。而提籃式型鋼懸挑腳手架采用裝配式為主，施工速度相對(duì)更快。此外，提籃式型鋼懸挑腳手架在室內(nèi)無(wú)錨固段，不會(huì)影響室內(nèi)砌筑及樓地面工程的施工。

4）滲漏風(fēng)險(xiǎn)小[10，16]。傳統(tǒng)懸挑腳手架需要在樓板及墻體開洞，而提籃式型鋼懸挑腳手架只需在外墻或邊梁設(shè)置螺栓預(yù)埋件。顯然，傳統(tǒng)懸挑腳手架所開的洞后期均需要進(jìn)行封堵，而提籃式型鋼懸挑腳手架只需進(jìn)行小洞口封堵工作，不僅能大大降低施工工作量，還能降低建筑結(jié)構(gòu)滲漏風(fēng)險(xiǎn)。

2 提籃式型鋼懸挑腳手架整體受力分析

對(duì)比圖1 a）、圖1 b）和圖1 c）可以看出，提籃式型鋼懸挑腳手架和傳統(tǒng)懸挑腳手架的鋼管腳手架部分是完全相同的，因此提籃式型鋼懸挑腳手架對(duì)應(yīng)的鋼管腳手架部分的受力分析可以參考傳統(tǒng)懸挑腳手架相應(yīng)部分的受力分析，主要包括縱向水平桿和橫向水平桿強(qiáng)度與穩(wěn)定性、立桿穩(wěn)定性、連墻件強(qiáng)度與穩(wěn)定性、扣件抗滑力的計(jì)算等[21-22]。與傳統(tǒng)懸挑腳手架只有懸挑梁不同，提籃式型鋼懸挑腳手架具有懸挑主梁和拉桿，重點(diǎn)需對(duì)懸挑主梁和拉桿組成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體受力分析。

懸挑主梁和拉桿組成的結(jié)構(gòu)受力情況如圖2所示。分析中假定拉桿上端鉸接，懸挑主梁左側(cè)固接?？紤]到2根拉桿情況在工程中也多有應(yīng)用，并且1根拉桿只是2根拉桿的特例，所以對(duì)2根拉桿情況進(jìn)行分析。此外，理論上拉桿和懸挑主梁應(yīng)該位于同一鉛垂面內(nèi)，并且拉桿的上鉸接點(diǎn)與懸挑主梁的左固接點(diǎn)應(yīng)該位于同一鉛垂線上，然而工程實(shí)際中由于現(xiàn)場(chǎng)各種條件的制約，極有可能會(huì)出現(xiàn)拉桿與結(jié)構(gòu)連接的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)偏移，導(dǎo)致拉桿和主梁不位于同一鉛垂面內(nèi)，建筑結(jié)構(gòu)體型收進(jìn)會(huì)導(dǎo)致拉桿的上鉸接點(diǎn)與懸挑主梁的左固接點(diǎn)不位于同一鉛垂線上。如圖2所示，設(shè)拉桿上節(jié)點(diǎn)偏移量為t0，懸挑主梁的左固接點(diǎn)與拉桿上節(jié)點(diǎn)的水平距離在懸挑主梁軸向方向的投影長(zhǎng)度為l0。

從表1中，可以看出，只要拉桿與建筑結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)處螺栓失效、拉桿與主梁連接點(diǎn)處螺栓失效、拉桿過長(zhǎng)3種工況出現(xiàn)一種，即可導(dǎo)致相應(yīng)的拉桿失效，即計(jì)算中需要Apri=0或Apro=0。梁與建筑結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)處螺栓失效和立桿懸空均會(huì)導(dǎo)致鋼管腳手架的荷載無(wú)法通過立桿傳遞給所分析的懸挑主梁，只能傳遞給相鄰2個(gè)主梁，導(dǎo)致相鄰主梁承受的由立桿傳遞的豎向荷載Fn變?yōu)樵瓉?lái)的1.5倍。

3.2 特殊工況計(jì)算實(shí)例分析

考慮到各種特殊工況同時(shí)出現(xiàn)的概率比較小，因此采用單因子變量法對(duì)幾種典型特殊工況進(jìn)行計(jì)算分析。在計(jì)算過程中，除了說明需要變化的量外，其余量取值如表2所示。立桿傳遞給主梁的集中荷載為Fn=10.14 kN，自重均布荷載為q由主梁工字鋼規(guī)格確定。通過式（1）、式（2）、式（11）—式（16）即可以得出拉桿軸力、主梁彎矩、剪力、軸力和撓度。

3.2.1 拉桿上節(jié)點(diǎn)偏移

由于立桿的存在或其他各種施工因素的影響，會(huì)導(dǎo)致拉桿出現(xiàn)不同程度的上節(jié)點(diǎn)偏移，即t0≠0，令t0取為0.00h，0.05h，0.10h，0.15h共4種情況分別計(jì)算，得出如圖3所示的計(jì)算結(jié)果。從圖中可以明顯看出，當(dāng)拉桿上節(jié)點(diǎn)偏移量對(duì)沿強(qiáng)軸方向的彎矩My、剪力Vz、軸力Nx影響不大，但沿弱軸方向的彎矩Mz和剪力Vy會(huì)隨著偏移量的增大而大幅增加，如果拉桿出現(xiàn)偏移，主梁就會(huì)從單向彎曲和單向剪切變?yōu)殡p向彎曲和雙向剪切，這對(duì)主梁的受力和主梁固接節(jié)點(diǎn)的受力是極為不利的。同時(shí)，沿弱軸方向的彎矩Mz和剪力Vy在主梁固接端處達(dá)到了最大，這無(wú)疑會(huì)增大主梁固接端節(jié)點(diǎn)的受力。因此，拉桿上節(jié)點(diǎn)偏移無(wú)論對(duì)主梁本身的受力還是對(duì)主梁固接端節(jié)點(diǎn)的受力均是十分不利的。在4種情況下，主梁最大撓度計(jì)算結(jié)果分別為0.990 4，0.991 2，0.993 7和0.997 7 mm，這說明拉桿上節(jié)點(diǎn)偏移對(duì)最大撓度影響不大。

綜上可以看出，拉桿上節(jié)點(diǎn)偏移對(duì)主梁及主梁固接節(jié)點(diǎn)受力會(huì)產(chǎn)生不利影響，建議實(shí)際施工中應(yīng)盡可能避免拉桿偏移，如果無(wú)法避免時(shí)建議以主梁所在的鉛垂面為對(duì)稱面設(shè)立兩套拉桿體系。

3.2.2 上節(jié)點(diǎn)外節(jié)點(diǎn)螺栓失效或拉桿過長(zhǎng)

拉桿與建筑結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)處螺栓失效或拉桿與主梁連接點(diǎn)處螺栓失效或拉桿過長(zhǎng)，均會(huì)導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的拉桿失效，即會(huì)導(dǎo)致Apri=0或Apro=0。令A(yù)pri≠0且Apro≠0，Apri=0且Apro≠0，Apri≠0且Apro=0，Apri=0且Apro=0分別計(jì)算，得出如圖4所示的計(jì)算結(jié)果。

從圖4所示的計(jì)算結(jié)果可以看出，內(nèi)拉桿失效和均不失效情況下主梁的內(nèi)力圖相差不大，即表示在外拉桿存在的情況下，內(nèi)拉桿的作用效果有限。根據(jù)只有內(nèi)拉桿失效和只有外拉桿失效情況下主梁的內(nèi)力圖對(duì)比可以看出，外拉桿作用遠(yuǎn)大于內(nèi)拉桿作用。當(dāng)兩拉桿全部失效時(shí)，主梁彎矩會(huì)增大至均不失效時(shí)的16倍，主梁彎矩剪力均會(huì)大幅增加，這對(duì)主梁本身和主梁固接節(jié)點(diǎn)的受力都是十分不利的。建議在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中設(shè)置拉桿時(shí)外拉桿是必須設(shè)置的，因?yàn)橄鄬?duì)內(nèi)拉桿，其發(fā)揮的作用更大。最理想的情況是內(nèi)外拉桿同時(shí)設(shè)置以最大限度減小主梁內(nèi)力。建議在腳手架實(shí)際使用過程中，定期對(duì)拉桿尤其是外拉桿進(jìn)行檢查，以保證其發(fā)揮作用。

3.2.3 下節(jié)點(diǎn)螺栓失效或立桿懸空

主梁與建筑結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)處螺栓失效或立桿懸空即該主梁對(duì)應(yīng)的Fn=0，相鄰主梁的Fn變?yōu)樵鹊?.5倍。Fn=0對(duì)應(yīng)的主梁的安全性得到了提高，而Fn變?yōu)樵鹊?.5倍的主梁的安全性會(huì)降低，因此在工程中需要重點(diǎn)關(guān)注和驗(yàn)算。

取Fn為原先的0.00倍、1.00倍、1.50倍分別進(jìn)行計(jì)算，以明確該工況對(duì)腳手架受力的影響。計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表3所示，表中My指的是沿主梁全長(zhǎng)各截面位置彎矩的最大值，Vz指的是沿主梁全長(zhǎng)各截面位置剪力的最大值。從表中可以看出，隨著立桿傳遞豎向力Fn的增加，主梁內(nèi)力、撓度和拉桿內(nèi)力均大幅增加，主梁固接端所受剪力也大幅增加，增加幅度和Fn的增加幅度大致相當(dāng)。建議在腳手架實(shí)際使用中必須定期對(duì)主梁與建筑結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)處螺栓、立桿與主梁連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢查，以確保主梁能順利發(fā)揮作用，立桿能順利進(jìn)行荷載傳遞。

3.2.4 建筑結(jié)構(gòu)體型收進(jìn)

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中，不可避免的會(huì)出現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)體型收進(jìn)，即l0≠0，令l0取為0.00h，0.20h，0.40h，0.60h（h表示拉桿上部節(jié)點(diǎn)和主梁固接點(diǎn)的豎向距離）共4種情況分別計(jì)算，得出如表4所示的計(jì)算結(jié)果。隨著建筑結(jié)構(gòu)體型收進(jìn)量的增大，主梁本身的內(nèi)力變化不大，主梁固接端節(jié)點(diǎn)的剪力、撓度最大值、拉桿軸力均會(huì)增大，建議在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中建筑結(jié)構(gòu)體型收進(jìn)部位可以考慮增大拉桿截面尺寸。

4 結(jié) 語(yǔ)

為了解決提籃式型鋼懸挑腳手架的施工過程中特殊工況驗(yàn)算難題，采用理論推導(dǎo)方法得出了提籃式型鋼懸挑腳手架主梁和拉桿的內(nèi)力和位移表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況明確了典型特殊工況的驗(yàn)算方法，并且給出了驗(yàn)算實(shí)例，主要結(jié)論如下。

1）拉桿上節(jié)點(diǎn)偏移對(duì)主梁及固接節(jié)點(diǎn)受力均會(huì)產(chǎn)生不利影響，主梁會(huì)從單向彎曲和單向剪切變?yōu)殡p向彎曲和雙向剪切，主梁撓度會(huì)增大6%左右，建議盡量避免拉桿偏移或以主梁所在的鉛垂面為對(duì)稱面設(shè)立兩套拉桿體系。

2）外拉桿存在的情況下，內(nèi)拉桿的作用效果有限，兩拉桿全部失效時(shí)，主梁彎矩會(huì)增大至均不失效時(shí)的16倍。建議必須設(shè)置外拉桿，且定期對(duì)拉桿尤其是外拉桿進(jìn)行檢查，確保其發(fā)揮作用。

3）主梁和拉桿內(nèi)力和位移隨著立桿傳遞豎向力的增加而成比例增大。建議定期對(duì)主梁與建筑結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)處螺栓、立桿與主梁連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢查，以確保主梁能順利發(fā)揮作用，立桿能進(jìn)行荷載傳遞。

本文所提出提籃式型鋼懸挑腳手架的特殊工況驗(yàn)算方法可以在工程設(shè)計(jì)中加以推廣，然而在工程利潤(rùn)不斷減少的情況下，腳手架的設(shè)計(jì)優(yōu)化工作顯得尤為重要，本文未對(duì)該部分內(nèi)容進(jìn)行研究，建議后續(xù)可以在本文研究的基礎(chǔ)上采用最優(yōu)化理論對(duì)提籃式型鋼懸挑腳手架進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，為建筑施工行業(yè)的降本增效提供參考和借鑒。

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