花篮脚手架与普通型钢悬挑脚手架静力学性能探讨

谷新强 徐 栋

(1.福建六建集团有限公司，河南 郑州 350000； 2.枣庄科技职业学院，山东 枣庄 277800)

1 概述

我国建筑多以多层和高层居多，悬挑脚手架已经在工程施工中得到广泛的运用，建筑施工现场多为上拉式和悬挑梁式脚手架[1]。

上拉式悬挑脚手架(花篮脚手架)，即悬挑钢梁通过高强螺栓与主体结构连接固定，悬挑钢梁端部通过钢筋拉杆与上部结构主体连接，每根钢拉杆由两部分组成，两端拉杆通过花篮螺栓连接，这种构造形式极大的节约钢材使用量，由于悬挑型钢稳定性主要通过螺栓与结构混凝土的握裹力提供，规范要求主体混凝土必须达到一定强度才能进行悬挑构件的安装，根据相关规范[2]规定：安装悬挑钢梁时，对应的主体结构混凝土强度混凝土轴心抗压强度设计值不应低于10 MPa；搭设脚手架时，对应的主体结构混凝土强度混凝土轴心抗压强度设计值不应低于15 MPa。悬挑梁式脚手架底部传力构件为悬挑钢梁。悬挑型钢锚固到建筑物的楼板处，并且用斜拉钢丝绳将主体结构与主梁的外端上方进行连接，根据规范要求：悬挑主梁锚固段长度不应小于悬挑长度的1.25倍，且每根主梁端部都应通过钢丝绳与上部结构拉结达到卸荷目的，这种形式脚手架极大的保证悬挑型钢的稳定性，但是用钢量成倍增加且还需要在剪力墙预留出很大洞口。对以上两种形式脚手架进行静力学性能分析，根据分析结果可以用来指导脚手架的施工，很好的避免安全事故的发生。

2 花篮脚手架与普通型钢悬挑脚手架力学性能分析

某一住宅项目为地下2层，地上16层，4层以下采用落地式脚手架，4层以上采用悬挑脚手架，其中标准层层高为3.3 m,每六层楼悬挑一次架体高度18 m。其中两种悬挑脚手架参数：主梁为16号工字钢，双排脚手架横距0.85 m、步距为1.8 m、纵距1.2 m，连墙件布置为两步三跨，脚手板为冲压钢且铺设方式为一步一设，基本风压取为0.3 kN/m2，具体脚手架搭设参数见图1，悬挑梁式脚手架剖面图见图2。

2.1 力学模型简化

根据相关规范[2，3]花篮式脚手架主梁主要以结构锚固点和上拉杆连接点为支撑点，可以简化为伸臂梁计算模型如图3所示；悬挑梁式脚手架主梁主要以结构内锚固点为支撑点，可以将其简化为悬臂梁计算模型，如图4所示。

其中,N内为脚手架内立杆轴向力设计值；N外为脚手架外立杆轴向力设计值；Lc为花篮架主梁结构支撑点距上拉杆支撑点距离;Lc1为建筑内锚固点之间的距离;Lc2为主梁的悬挑长度;q为型钢梁自重线荷载标准值。

2.2 悬挑脚手架主梁力学性能分析

根据结构力学[4]知识可知，在两种悬挑主梁上脚手架搭设参数相同的情况下，其上部架体传至不同悬挑主梁节点力是相同的，通过计算的q=0.25 kN/m,N内=N外=10.9 kN，图5为花篮脚手架计算简图，图6为悬挑梁式脚手架计算简图。

2.2.1悬挑主梁截面正应力验算

结合力学知识画出悬挑主梁弯矩图，如图7所示为花篮脚手架弯矩图，图8所示为悬挑梁式脚手架弯矩图(单位:kN·m)。

由正应力公式为σmax=γ0Mmax/W，其中,γ0为结构重要性系数，参考规范统一取1.0；W为主梁截面抵抗矩，16号工字钢取141 cm3；Mmax为主梁截面最大弯矩设计值，将上述数据分别代入公式得到花篮脚手架主梁正应力为14.291 MPa，悬挑梁式脚手架主梁正应力为113.307 MPa，均小于钢材抗弯强度设计值215 MPa。

2.2.2悬挑主梁截面剪应力验算

结合力学知识画出悬挑主梁弯矩图，如图9所示为花篮脚手架剪力图，图10所示为悬挑梁式脚手架剪力图(单位:kN)。

2.2.3悬挑主梁挠度验算

结合力学知识画出悬挑主梁变形曲线图，图11为花篮脚手架变形图，图12为悬挑梁式脚手架变形图(单位:kN)。

悬挑钢梁容许挠度计算公式为2×lx/250，其中,lx为钢梁悬挑长度，将1 200 mm代入公式得，钢梁容许挠度值为9.6 mm，0.071与4.41均小于9.6。

2.2.4悬挑脚手架上拉杆受力分析

1)花篮架上拉杆由钢筋和花篮螺栓组成，表1为上拉杆材料参数。

表1 上拉杆材料参数

a.上拉杆强度验算。

上拉杆件倾角α1=arctanL1/L2=arctan(3 300/1 050)=72.35°，上拉杆件支座力设计值为RS1=nzR2=1×12.005=12.005 kN。

主梁轴向力设计值NSZ1=RS1/tanα1=12.005/tan72.35°=3.82 kN。

上拉杆件轴向力设计值为:

NS1=γ0RS1/sinα1=1×12.005/sin72.35°=12.598 kN。

上拉杆件的最大轴向拉力设计值：

NS=max[NS1…NSi]=12.598 kN。

轴心受拉稳定性计算：

σ=NS/A=12.598×103/201.1=62.645 N/mm2≤f=205 N/mm2符合要求。

b.花篮螺栓验算。

σ=NS/(π·e2/4)=12.598×103/(π×122/4)=111.39 N/mm2≤[ft]=170 N/mm2符合要求。

2)悬挑梁式脚手架钢丝绳受力计算。

吊拉钢丝绳受力计算简图见图13。

选用6×19直径14 mm抗拉强度为1 700 MPa的钢丝绳，钢丝绳总断面积为72.49 mm2,钢丝绳破断拉力为1.23×105N，弹性模量E=8×104MPa。

a.吊拉钢丝绳的受拉力:

Fs=(2N+q·1.2)/sin72.35°=(2×10.9+0.25×1.2)/sin72.35°=23.26 kN。

b.吊拉钢丝绳变形计算。

由图13知吊拉钢丝绳与悬挑钢梁72.35°夹角时长度：

S=1 200/sin72.35°=1 263 mm。

钢丝绳变形量为：

ΔS=FsS/(EA)=(23.36×103×1 263)/

(8×104×72.49)=4.98 mm。

c.由于钢丝绳的拉长变形，悬挑钢梁端竖向位移为：

υ=ΔS·sin72.35°=4.73 mm<9.6 mm符合规定。

d.吊拉钢丝绳预紧力的确定。

本工程悬挑钢梁端部的挠度容许值为9.6 mm，则钢丝绳的变形量为：

ΔS=9.6/sin72.35°=10.1 mm。

有10.1 mm>4.98 mm相当于钢丝绳处于失效状态，此时只需要固定钢丝绳增加预紧力。

2.2.5计算结果的分析

表2 力学性能分析值

将以上计算结果汇总到表2力学性能分析值、图14为力学性能对比图，由表2和图14分析可以得到花篮式脚手架主梁在弯矩、剪力、挠度三个力学指标上均小于悬挑梁式脚手架主梁相应值。

3 结语

基于花篮脚手架和悬挑梁式脚手架悬挑主梁的静力学分析，在主体结构混凝土达到一定设计强度时，花篮脚手架各项力学性能优于悬挑梁式脚手架，基于实际施工而言，花篮脚手架钢材耗用量小，通用性好，但是悬挑工字钢固定端处理需考虑螺栓、钢板及混凝土三者之间的相互作用，并且在进行悬挑工字钢承载力验算时，斜拉杆也参与计算；普通悬挑脚手架在施工现场易用性较好，但规范要求锚固段长度是悬挑段长度的1.25倍，钢材消耗量成倍增加，在剪力墙处需提前预留洞口，方便工字钢后期锚固，在受力方面，悬挑工字钢主梁较花篮架主梁受到的弯矩、剪力等内力要大，这就要求主梁截面需加大，建筑施工中可以选用小截面型钢作为花篮脚手架的悬挑主梁；规范中规定卸荷钢丝绳不参与悬挑钢梁的受力计算，钢丝绳的设置可以减小悬挑钢梁的端部挠度，对悬挑脚手架安全性至关重要。