高层建筑扣件式脚手架支撑结构研究与有限元分析

侯玉飞 金宝宏

工程技术

高层建筑扣件式脚手架支撑结构研究与有限元分析

侯玉飞 金宝宏

伴随不断发展的城乡建设速度，在高层建筑工程项目建设中，不论是其基本理论，还是其相应的技术措施，都有着广泛应用，在这当中，扣件式脚手架支撑结构的管理又是其中应用较为重要且较为难以控制的关键之一。然而，由于目前高层建筑工程项目扣件式脚手架支撑结构在管理应用的时候，还存在一些缺乏成熟经验的问题，这就使得进行高层建筑扣件式脚手架支撑结构的应用过程中，还存在各种问题，直接影响着高层建筑施工管理的效率，进而也严重影响着工程的施工质量和安全。下面结合工程实例，对高层建筑扣件式脚手架支撑结构进行了研究与有限元分析。

一、高层建筑扣件式脚手架支撑结构研究

1.工程概况

宁夏大武口区富锦嘉园4#工程为住宅楼，地下二层地上十八层；总建筑面积约32850.14m2，其中地上建筑面积为29788.14m2，地下车库建筑面积为3060m2。总建筑高度54.90m，标准层层高2.8m。本工程钢梁悬挑外架从二层顶板开始施工，分为两个挑段：第一挑段为三～十层，第二挑段为十一～顶层。悬挑外架钢梁采用普通热轧I16工字钢，外脚手架采用双排单立杆钢管扣件式脚手架（Φ48×3.5mm钢管）。

2.脚手架构造

（1）使用φ20钢筋固定悬挑梁尾端楼板，按照楼板厚度制作180～200mm楼板面的钢筋股，在楼板钢筋网中预埋，箍筋底部牢牢连接楼板下层筋。对挑梁进行安置过程中，在钢箍内预埋挑梁尾端，固定打紧可使用木楔。选用6×19直径Φ16的钢丝绳。下端和挑杆和平杆、立杆的交点处绑在一起，相隔3m；上部在三层以上结构层楼板内预埋钢筋拉环。使用钢丝绳夹扣固定连接钢丝绳和钢梁及拉环。各端至少布置3个以上钢丝绳夹扣，相隔距离为150mm。

（2） 在立杆处安装工字钢，将直径为25mm的短钢筋焊于梁上，超过100mm作为底座，脚手架立杆插入固定，接着和扫地杆相绑，由底部的悬挑架承受一段高度的脚手架荷载。脚手架每二步三跨设拉墙杆，在遇到柱、剪力墙后，使用钢管抱箍拉结墙柱，在外侧设脚手架立杆，在立杆内侧设水平杆。

（3）立杆应使用对接扣件进行接长，两根相邻立杆的接头不宜同步设置，同步内间隔一根立杆的两个相隔接头在高度方向错开的距离必须在500mm以上，各接头中心到主节点必须保持1/3步距以内的距离。在各作业层下部每一层铺满脚手架板、竹胶板或者模板当做硬防护层，悬挑架外侧满挂安全网，挂在立杆内侧，使用由尼龙绳绑扎的1.5×6m的安全网，间距≤300。禁止绑扎使用绑扎丝。立杆最好采用对接，错开各个接头。铺满脚手板，和墙保持小于20cm的距离，同时不得存在空隙和探头板。外侧立面沿长度与高度连续设置剪刀撑，其斜杆连接立杆与伸出的小横杆。必须在节点附近设置连墙杆，同时自底层第一步大横杆处即进行设置，和主节点距离不超过300mm；固定外悬挑脚手架节点设置双扣件。

（4）剪刀撑能有效避免脚手架产生纵向变形，对剪刀撑进行正确设置，能促使脚手架整体刚度增强。在该工程中，脚手架剪刀撑在脚手架外侧立面沿着长度与高度进行了连续设置，剪刀撑斜杆必须连接立杆与伸出的小横杆。剪刀撑斜杆和地面倾角为45°～60°。剪刀撑必须跟随立杆，纵横向水平杆等同步搭设。使用旋转扣件将斜杆和立杆或横向水平杆牢牢紧扣。剪刀撑斜杆使用搭接进行接长，搭接长度必须在1m以上，至少使用4个以上旋转扣件进行固定，端部扣件盖柜的边缘到杆端距离在10cm以上，各组剪刀撑从底部到顶层为之字形进行连续设置，使用旋转扣件和其相交的横向水平杆伸出端进行固定，扣件中心和节点的距离必须在150mm以内。

（5）横杆水平杆使用直角扣件在立柱上扣紧，伸出内外立杆必须在10cm以上，必须在横向水平杆上设置纵向水平杆，靠内外立杆的纵向横杆使用直角扣件在立杆内侧和立杆固定，中间的纵向横杆固定于小横杆（横向水平杆），必须保持40cm以内的间距。

（6）架体拉结（连墙件）使用刚性节点，和主节点间距必须在300mm以内，按照建筑物每层楼面的高度设置拉结垂直间距，水平间距3.0m即可设置一个连墙件，上下层设置为错开的梅花形，转角处1m内设一拉结点。拉秸秆和墙面保持水平设置，和脚手架连接的一段可稍稍往下倾斜，禁止上翘。在砼墙中预埋的连墙体，仅能在砼强度超过15MPa时使用。

（7）使用锻铸铁制作扣件，保持和钢管外径一致的规格，扣件螺栓拧紧扭力矩必须大于40N·M，且小于65N·M，在主节点处对大、小横杆（横向水平杆）剪刀撑等进行固定，各种扣件中心点相互间距必须保持150mm以下，各杆件端头伸出扣件盖板边缘距离必须在100mm以上，对接扣件必须转上或转内开口。

二、高层建筑扣件式脚手架支撑结构有限元分析

1.模型建立

该工程搭设的为悬挑脚手架，由于架体需要保证整体空间，对架体进行有限元分析则可使用有限元程序SAP2000，构建三维空间整体有限元分析模型。全部杆件都是干系单元，杆件间根据铰接节点作建模分析处理。

2.有限元分析结果

（1）针对纵、横向水平杆件以及悬挑横杆，由于其主要作用为受弯，在截面应力和杆件挠度变形上，有限元计算与平面结构受力分析相似，并且手算结果相对较为保守，经过分析可知主要是以下原因造成二者相似：二者选择了相似的假定和条件，重点在于跨数和荷载等效存在细微差别。

（2）针对实际在拉弯状态的悬挂立杆，通过两种不同算法得出略微不同的结果，有限元结果稍小，主要是因为将纵、横向水平横杆和斜撑杆的空间整体性考虑在内，能使得立杆内力显著减小。

（3）对斜撑杆而言，因为其主要受轴向压力，有限元分析结果比平面结构受力分析结果小得多，主要是因为有限元将脚手架支撑体系的空间整体性考虑在内进行分析，在整体结构中，斜支撑杆件更有效。

三、结语

总而言之，和有限元分析结果比较而言，平面结构受力分析所得结果相对较为保守，和现实情况更接近，存在相应的安全储备，因此，这种悬挑式脚手架结构较为安全。

（作者单位：侯玉飞 ，宁夏大学新华学院；金宝宏，宁夏大学土木与水利工程学院）

宁夏大学新华学院院级科学研究基金项目14XHKY08