高层建筑悬挑脚手架工字形钢梁稳定性探索

何玉斌（广西宁铁建筑总公司，工程师，广西　南宁　530003）

高层建筑悬挑脚手架工字形钢梁稳定性探索

何玉斌
（广西宁铁建筑总公司，工程师，广西南宁530003）

摘要：对高层建筑工程实例进行现场考察、数据整理，在此基础之上，挑选一根具有代表性的工字形悬挑钢梁分两种工况进行内力计算和比较分析，发现按照规范搭设的钢梁其承载力具有很高的富余度，以及斜拉钢索与悬挑钢梁协调作用对提高钢梁的稳定性非常重要，为类似工程提供参考。

关键词：铁路发展；高层建筑；悬挑脚手架；工字形钢梁；强度；稳定

10.13572/j.cnki.tdyy.2015.04.007

国家高度重视铁路持续健康、快速地建设与发展，据国发〔2013〕33号文《国务院关于改革铁路投融资体制加快推进铁路建设的意见》，鼓励铁路多元化经营，加大力度盘活铁路用地资源，进行土地综合开发利用；土地及房产的开发必然迎来一个快速发展的机遇期。南宁铁路局南宁南东区职工住宅楼（一期）工程，总建筑面积99 354.10 m2，框架—剪力墙结构，CFG桩—筏板基础，地下一层车库，标准层层高3 m，其中18层栋号的建筑总高度为60.45 m，抗震设防烈度为六度。本文以该工程为例，对高层建筑施工过程中悬挑脚手架钢梁的安全稳定问题进行有益的探索。

1　参数信息

工字形钢梁（见图1）为180 mm×94 mm×6.5 mm× 10.7 mm，截面积A=3 042.50 mm2，截面惯性矩I=18 474 087.12 mm3，截面抵抗矩W=205 267.63 mm3，单位长度重量m=23.884 kg/m，钢材强度等级Q 235。

图1　工字形钢梁截面尺寸（单位：mm）

2）脚手架钢管（见图2）其外径D=48 mm，壁厚t=3 mm，截面积A=423.9 mm2，截面惯性矩I= 107 776.6 mm4，截面抵抗矩W=4 490.0 mm3，单位长度重量m=3.328 kg/m，钢材强度等级Q 235。

图2　钢管截面尺寸（单位：mm）

3）外架搭设采取双排单立杆〔1〕，纵向间距1.50 m，横向间距0.70 m，内立杆距离结构主体0.30 m，步距1.80 m，两步三跨设置刚性连墙件，脚手架外侧立面连续搭设剪刀撑，悬挑脚手架每挑5层，高度15.0 m；脚手架立面见图3所示。

图3　脚手架立面图（单位：mm）

4）施工均布活荷载取2.0 kN/m2。

2　工字形悬挑钢梁实际工况及计算图

脚手架及工字形悬挑钢梁根据施工方案及《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130-2011进行搭设，钢梁端部用钢索斜拉，钢梁安装实物见图4所示。

图4　钢梁安装实物图

本文分两种工况进行比较分析：

1）工况一。斜拉钢索绷紧、稳固，与钢梁协调作用，计算简图如图5。

图5　工况一钢梁受力计算简图

2）工况二。斜拉钢索未绷紧，不与钢梁协调作用，计算简图如图6

图6　工况二钢梁受力计算简图

3　荷载计算

3.1脚手架静荷载标准值

1）钢管的自重标准值为

3.328×10×10-3=0.033 28 kN/m

钢管自重包括立杆、大横杆、小横杆、剪刀撑、扣件（18N/个），其标准值计算如下：

NG1=［15+（15÷1.8×1.5）+1.5÷0.5×0.9×0.5×（15÷ 1.8）+15÷sin 60×0.5］×0.033 28+18×38÷ 1 000=2.262 kN

2）脚手板的自重标准值，采用竹串片脚手板，标准值为0.35 kN/m2，

NG2=0.35×4×1.5×（0.7+0.3）/2=1.05 kN；

3）栏杆与挡脚手板自重标准值；采用栏杆、竹串片脚手板挡板，标准值为0.14 kN/m

NG3=0.14×4×1.5/2 =0.42 kN；

4）吊挂的安全设施荷载，包括安全网；0.005 kN/m2

NG4=0.005×1.5×15=0.112 5 kN；

5）经计算得到静荷载标准值为

NG=NG1+NG2+NG3+NG4=2.262+1.05+0.42+0.112 5

=3.845 kN

3.2活荷载为脚手架上的施工荷载立杆按一纵距内施工荷载总和的1/2取值。经计算得到活荷载标准值为

NQ=2×0.7×1.5×2/2=2.1kN

3.3工字形钢梁自重标准值

q=23.88×10×10-3=0.238 8 kN/m

荷载进行组合可求得计算简图上荷载设计值分别为：

P=1.2×3.845+1.4×2.1=7.554 kN

q=1.2×0.238 8=0.287 kN/m

4　工形悬挑钢梁的强度及稳定性验算

该案例在施工过程中，按照施工方案搭设脚手架，工字形悬挑钢梁的安装参照《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130-2011进行，满足规范〔2〕的构造要求；尽管如此，由于外墙转角处不方便布置钢梁，导致该部位有些钢梁超出了规范〔2〕的允许范围，安全性受到质疑。

现特别选取该部分钢梁中超出规范最多的一根进行验算，一方面用以阐述悬挑脚手架工字形钢梁强度和稳定验算的步骤，二方面可以验算该案例中少数不符合《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》要求钢梁的安全性及安全储备空间；三方面，如第二节所述，该钢梁分两种工况进行比较分析，用以说明斜拉钢索协调作用的重要性。

该梁工况为：4#楼第九层东北方位外墙转角处钢梁，悬挑长度l2=2.80 m，搁置在楼面的长度l1= 2.10m；现采用清华大学土木工程系，结构力学求解器研制组研发的求解器对构件进行内力的求解；计算过程及结果见图7至图12所示。

图7　工况一加载图

图8　工况二加载图

图9　工况一剪力图（单位：N）

图10　工况二剪力图（单位：N）

图11　工况一弯矩图（单位：N·m）

图12　工况二弯矩图（单位：N·m）

可知该梁的最大剪力及弯矩分别如下：

V1max=5 931.79+1 823.11=7 754.9 N，

M1max=4 063.52 N.m；

V2max=15 911.60+18 752.81=34 664.41 N，

M2max=35 118.04 N.m；

4.1钢梁强度验算根据《钢结构设计规范》GB50017-2003第4.1.1条规范条文〔3〕计算工字形钢梁的受弯正应力：

σ1max=Mx/γx·Wnx=4 063.52×103÷（1.05×205 267.63）

=18.85 N/mm2<< f =215 N/mm2

σ2max=Mx/γx·Wnx=35 118.04×103÷（1.05×205 267.63）

=162.91 N/mm2< f =215 N/mm2

根据《钢结构设计规范》GB50017-2003第4.1条规范条文〔3〕计算工字形钢梁的受剪应力：

τ1max=VS/Itw=7 754.9×105 578.56÷18 474 087.12÷6.5

=6.82 N/mm2<< fv =215 N/mm2

τ2max=VS/Itw=34 664.41×105 578.56÷18 474 087.12 ÷6.5=30.49 N/mm2< fv=215 N/mm2

均满足强度验算要求。

4.2工字形钢梁稳定性验算钢梁稳定性验算按照《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130-2011第5.6.4条规范条文〔2〕计算，稳定性系数φb根据《钢结构设计规范》GB50017-2003附录B〔3〕计算，计算过程及步骤如下：

式中：ηb=0；

λy=l1/iy=2 800/22.09=126.75；

βb=1.25+0.31×1.77=1.80。

代入参数并计算得φb=2.56>0.6，则用φ′b代替φb，φ′b=1.07-0.282/φb=0.96<1.0，可以。

工况一、二的稳定应力分别如下：

ω1max=M1max/φ′bW=4 063.52×103÷0.96÷205 267.63

=20.62 N/mm2<215 N/mm2

ω2max=M2max/φ′bW=35 118.04×103÷0.96÷205 267.63 =178.21 N/mm2<215 N/mm2

均满足稳定性的要求。

5　分析与结论

本文对工程实例中脚手架工字形悬挑钢梁建立模型、计算荷载，并选取一根具有代表性的钢梁分两种工况进行内力求解、验算，通过比较分析可以得出如下结论：

1）从工况一的内力计算结果上看，σ1max、τ1max、ω1max均小于钢梁承载力限值的10%，并且该钢梁的搭设工况超出规范允许范围是最多的，可见高层建筑脚手架工字形悬挑钢梁，在搭设规范，作用协调的情形下，承载能力富余度很高。因此，在实际施工当中，可以考虑加大悬挑脚手架每挑的搭设高度。

2）从工况一、工况二内力计算结果的比较上看，σ2max、ω2max均接近σ1max、ω1max的10倍，τ2max也接近τ1max的5倍，可见悬挑钢梁端部斜拉钢索是否与钢梁协调作用对钢梁的承载力、稳定性来说影响都非常大。因此，在悬挑钢梁及斜拉钢索安装过程中，务必保证二者协调作用，不能出现钢索松弛、张而不紧等不良情形。

本文着眼于铁路快速发展给房产开发带来的重要机遇，立足于高层建筑施工过程中悬挑脚手架钢梁的安全稳定问题，对工程实例进行数据整理、工况分析及总结，并得出重要的结论，为工程建设过程中碰到的类似情况提供一个有益的参考。

参考文献：

〔1〕南宁市建设工程质量安全管理标准化图集（强制性行业标准）.

〔2〕JGJ 103-2011，建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范〔S〕.北京:中国建筑工业出版社，2011.

〔3〕GB 50017-2003，钢结构设计规范〔S〕.北京:中国计划出版社，2003.

〔4〕孙训方，方孝淑，关来泰.材料力学〔M〕.北京:高等教育出版社，2002.8.

〔5〕杜荣军，姜传库.建筑施工手册〔M〕.第4版.北京:中国建筑工业出版社，2003.

文章编号：1006-8686（2015）0018-03

文献标识码：B

中图分类号：TU731.2