悬挑外架在宜兴馨兰苑高层住宅工程中的应用.docx

悬挑外架在上海双龙大厦工程中的应用

李家彪1 韩 超2 徐 波1
（1.江苏省建筑工程公司，南京 210015） （2.江苏省建科建设监理有限公司，南京210008）

提要：本文以高层悬挑外架在宜兴馨兰苑工程中的成功应用为实例，清晰地阐述了在结构外形复杂、挑出长度大以及在一次性悬挑高度达到43米的情况下，悬挑外架的支撑以及卸载体系的设计与施工，并以工程中难度较大且具有代表性的悬挑阳台等特殊部位的外架设计为叙述重点。

1工程概述

宜兴馨兰苑高层住宅工程位于宜兴市荆溪中路99＃，框架剪力墙结构，建筑面积21065平方米，地下一层，主楼地上十八层，结构外形比较复杂，呈错落折线形布置，每一个折线节间均设有悬挑弧形阳台或其他异型阳台等，外形平面如图一所示：
图一：宜兴馨兰苑高层住宅工程平面示意图
2外架方案的选择

2.1根据本工程平面上频繁转折以及立面上复杂的外形特征，在进行外架方案选择时，首先否定了类似于附着式整体爬升架以及与此相关类似的提升脚手架。
2.2按常规的思路设想，本工程可以选择的外架方案是采用落地式和悬挑式的两种，若采用落地式，主楼的外架搭设高度超出了50米的限度，架体荷载较大，按规定要采取双立杆搭设，且要采取一系列的卸载措施，加上受地下室外防水施工的影响，无论从安全角度还是经济角度上分析，采用落地式外架并不理想。
2.3进一步研究，考虑采用悬挑式的外架。本工程悬挑阳台多、平面转折频繁，因此，悬挑支撑的设置数量也相对较多。通常按5-6层悬挑一次考虑，整个结构最少需要悬挑三次，这样，悬挑型钢用量相当大，脚手架的施工成本很高。最终，经过我们反复的研究和计算以及征得监理等方面的认可，确立了单层悬挑加分段卸载的方法设计了外架，力求达到既安全又经济的效果。

3悬挑外架的设计

3.1整体布局：本工程主楼最高18层，自四层楼面开始用型钢一次性悬挑，并分别在七层、十层、十三层和十六层采取钢管及钢丝绳卸载措施。型钢沿建筑物外边缘最大悬挑间距为1.8m，一般以1.1－1.4m的间距较多，外架的立杆立于焊在型钢板面的钢筋头上，钢筋头长度为15cm，双排钢管架体立杆最大纵距为1.8m，立杆横距0.9m，立杆距墙边为0.4m，水平杆步距不大于1.8m。
3.2悬挑型钢形式设计：依据结构的外形特征，力求悬挑受力的合理化，本工程四层楼面的型钢悬挑采用了如下两种方式，分别应用于不同的部位：
3.2.1钢丝绳与型钢的拉挑体系：
（1）在悬挑阳台尺寸较大部位采用型钢悬挑并用钢丝绳拉结的方式，这样可以保证悬挑阳台板不受外力，该体系受力体系见图二所示。
（2）经计算悬挑型钢采用16号工字钢，用二个预埋在室内楼板面的φ20钢筋锚环固定，且在阳台根部梁上方设置60×60的木方将工字钢垫起，保证悬挑阳台不受到压力作用。φ12钢丝绳一端与焊接在工字钢上的拉环拉接，另一端与预埋在上层梁中的锚环拉接。
3.2.2型钢三角架支撑体系：
（1）在不便于悬挑的剪力墙部位采用三角架支撑体系，三角架与剪力墙的预埋钢板焊接，其支撑体系见图三。
（2）在剪力墙的相应部位预埋250×250×10mm钢板，用16号工字钢焊于上侧预埋钢板上，作为三角架体上弦杆的主联结，三角架斜杆和腹杆采用10号槽钢，斜杆与预埋钢板焊接，形成一个整体三角支撑体系。
3.3卸载措施的设计：
主楼分四次进行卸载，分别在七层、十层、十三层、十六层各卸载一次，根据不同的部位，采用了不同的卸载方法，有用钢丝绳拉的方法以及用钢管撑的卸载方法。
3.3.1钢丝绳卸载：
（1）悬挑阳台以及无法设置钢管卸载的部位采用钢丝绳拉接的方法卸载，如图四所示。
（2）在卸载层按立杆间距沿建筑物周边设置，最大间距为1.8m。采用φ13的钢丝绳将脚手架的内外立杆与横杆的交接处拉接，另一端固定在剪力墙或者混凝土梁的预埋钢筋锚环上。
（3）在相应位置设置钢管顶撑，以约束脚手架体在钢丝绳的内向拉力下产生内倾的位移，防止脚手架体产生变形，其间距与钢丝绳的间距一致。
3.3.2钢管卸载：
（1）分层卸载时，在没有悬挑构件的位置，采用钢管撑拉体系卸载，如图五所示的方法。
（2）钢管支撑纵向最大间距为1.8m，采用两根钢管分别撑于架体的内立杆及外立杆与横杆的交接处，支撑钢管套在预埋钢筋头（φ25）上。
（3）两根支撑杆在横向与架体设有拉接杆件，其间距视具体层高而定，支撑杆无拉接最大高度不得超过1.8m。
（4）在支撑杆上部同样设置横向拉接杆件，此拉接杆件通过预埋短钢管与混凝土楼板连为一体，配合下部支撑杆在上部形成约束，阻止架体的整体变形，其纵向间距与支撑杆相对应。
3.3.3钢丝绳与钢管撑拉相结合的卸载体系：
局部薄弱位置，如：（1）局部荷载过大；（2）局部支撑或拉接的持力层薄弱或者其他不满足固定的现象；（3）由于障碍物等现象的发生，致使支撑或拉接卸载局部间距增大；（4）其他易造成不安全隐患的位置。以上四种情况的架体卸载时，考虑在相应位置设置拉撑相结合的方式，即下部用钢管撑，上部相应节点用钢丝绳拉。
3.4细部处理及要求：
3.4.1型钢三角架支撑体系作为主支撑体系，应严格要求其施工质量，从埋件的留设、焊接以及组装进行全过程质量控制，由焊接技术水平高的焊工负责型钢之间的焊接工作。
预埋钢板尺寸为250×250×10，采用φ12的钢筋作为钢板埋件在墙体内的抓钩，按图六所示的方式设置。
3.4.2钢丝绳与工字钢之间靠拉环连接，拉环采用φ20钢筋双面焊于工字钢上，要保证焊接长度及焊缝的质量。详见图七所示。
在混凝土梁或墙体内预埋钢筋拉环，钢丝绳的一端拉接于此拉环上，待混凝土强度达到设计要求时，即可用钢丝绳拉接工字钢，并用紧力器拉紧，钢丝绳每端各用三个卸扣卡紧固定。
3.4.3悬挑部位工字钢靠预埋在楼板混凝土内的φ20钢筋锚环固定，锚环的设置方式如图八所示。
锚环预埋在混凝土板内，弯钩设在板筋下，保证足够的搭接长度。
满焊在工字钢上的钢筋头抵于锚环外侧，与锚环焊接牢固。
3.4.4钢丝绳卸载时，一端拉接在梁或剪力墙的预埋锚环上，另一端拉接于钢管纵横交接点处，每端保证用三个卸扣扣紧牢固；钢管卸载时，将钢管套于预埋在混凝土内的短钢筋头上，另一端与架体扣接牢固，并保证设置横向拉接杆件与预埋在楼面的短钢管充分拉接。
3.4.5在混凝土结构内设置埋件、拉环、短钢管等部位，均要加密钢筋间距，并且经过计算确保原结构在合理的受力范围内。
3.5设计计算：
3.5.1基本计算参数
16#工字钢计算参数：A=26.1㎝2，W=141㎝3
10＃槽钢计算参数：A=12.74㎝2，W=39.7㎝3
钢管截面： i= 15.8mm A=489mm2 W=5.08mm3 fC=205N/mm2 fv=120N/mm2
立杆横跨： lb=0.9m 立杆纵向间距（取最大间距）：la=1.8m
水平杆竖向间距（最大）：H=1.8m
基本风压：W0=0.45KN/m2 施工荷载：QK=3KN/m2
工字钢悬挑计算高度（最大）：h=14.5m
3.5.2立杆荷载计算：
脚手架边立杆：gK1=0.1127KN/m
脚手架角立杆：gK1=0.0964KN/m
作业面材料自重：gK2=0.4KN/m
整体拉接和防护材料自重：gK3=0.09 KN/m
边立杆荷载计算：
NGK=gK1h+n1gK2la+gK3h=0.1127×14.5+1×0.4×1.8+0.09×14.5=3.66KN
NQK = n1 la gK =1×1.8×1.35=2.43KN
N=1.2NGK+0.85×1.4NQK（考虑组合风荷载）
=1.2×3.66+0.85×1.4×2.43=7.28KN
边立杆荷载大于角立杆荷载，取边立杆荷载7.28 KN为计算依据。
3.5.3型钢三角架支撑体系验算：
型钢的受力简图如图九所示：
在计算过程中，不考虑槽钢受力，根据N＝7.28KN以及平衡受力体系求得：F1=3.64KN，F3=15.44KN，
VMAX＝10.92KN
3.5.3.1强度计算取本体系最薄弱环节验算，对10号槽钢焊缝进行计算：

足以满足 的要求。
3.5.3.2验算预埋件钢筋焊缝强度：
如第3.4.1条埋件图中所示，计算焊缝长度时取每根18㎝，共三根这样的钢筋，则：

满足 要求
3.5.4钢丝绳与型钢拉挑体系验算：
受力简图如图十所示：
根据实际情况，工字钢在端部略有垫起，脱离阳台即可，目的仅在于避免阳台受力，倾斜角度是很小的，故计算时按工字钢为水平位置考虑，根据已知条件求得：N1＝4.80KN N2＝5.28KN F1＝17.33KN F2＝8.67KN MMAX=6.55KN·M VMAX=7.30KN
3.5.4.1工字钢抗弯验算

考虑不利因素影响，取0.9。

N/mm2<f=205N/mm2

3.4.5.2工字钢抗剪验算

N/mm2< =120 N/mm2满足要求

3.4.5.3钢丝绳抗拉验算：
Φ12的钢丝绳抗拉强度取1400MP
F=P·A=1400×106×87.92×10-6=123.088KN>17.33KN，满足抗拉要求
钢丝绳上每端设有三个卸扣，每个卸扣的抗拉强度设计值为14.5KN，故：
14.5×3＝43.5KN＞17.33KN，卸扣抗拉强度满足要求。
3.5.5卸载验算
3.5.5.1钢丝绳卸载验算：每三层卸载一次，最大卸载架体高度为8.7m，按照以上方法求得一根钢丝绳承受的最大拉力为8.3KN（小于拉挑体系中钢丝绳的受力），由3.4.5.3可知，钢丝绳以及卸扣的承载能力都能满足要求。
3.5.5.2钢管卸载验算：每三层卸载一次，最大卸载架体高度为8.7m，受力最大杆件的轴力为7.32KN，则 满足要求。

3.5.6其他验算：经相应的计算分析，锚环钢筋的锚固强度、焊缝强度等细部验算内容均能满足要求，这里便不再赘述过程。

4几点重要的施工注意事项

4.1严格按要求设置连墙件，不利部位增设连墙件，要求连墙件靠近主节点设置，偏离主节点不得大于300mm，与结构或预埋短钢管牢固连接。
4.2严格控制施工荷载，确保施工荷载在计算考虑的参数范围内。不得出现异常堆载以及应力集中等不利现象。严禁将模板支架、缆风绳、混凝土输送泵管等固定在架体上。
4.3所有的钢丝绳以及其他卸载装置，待混凝土强度达到受力要求时，应使钢丝绳和压杆呈绷紧状态，以使其能起到卸载的作用。
4.3项目部有专人负责检查脚手架的施工及使用情况，定期对架体的垂直度进行观测，经常检查悬挑以及卸载系统主要受力构件是否有异常变形情况，并做好记录，发现异常立即汇报并及时处理。
4.4对于悬挑受力的关键部位，严格把守质量关，加强质量检查验收制度。
4.5在脚手架施工及使用期间，尤其是在后期装饰工程施工期间，严禁随意拆除连墙件以及主节点的纵横向水平杆等重要杆件。
4.6遵循钢管脚手架安全技术规范中关于扣件式钢管脚手架搭设与拆除的规定。

5应用总结

5.1质量、安全：经过周密的设计，在该外架施工及使用期间，加强了质量检查与监控，支撑及卸载体系没有发生过变形与微裂等异常现象，支撑结构始终处于安全状态。
5.2经济分析：根据实际情况，与常规型钢悬挑外架相比（至少悬挑三次），本挑撑结合的外架方案主要节约16＃工字钢18.9t和10＃槽钢4.6t，但多用了12.8tΦ48钢管和236mΦ12钢丝绳，仅从主要材料上考虑节约费用为：3860×18.9+3900×4.6－3700×12.8－8.6×236＝41504.4元（其中，钢管按购买而不按租赁计算）。而且，型钢悬挑体系中埋件的制作、预埋以及型钢之间的焊接量都非常大，减少了两次悬挑也节约了不少人工费。
事实证明，这样的悬挑与卸载相结合的外架方案是安全的，也是经济有效的，在类似工程施工中有一定的参考价值。

参考文献

【1】《建筑扣件式钢管脚手架安全技术规范》 北京：中国建筑工业出版社，2001年。
【2】《建筑施工手册》（第四版） 北京：中国建筑工业出版社，2003年。
【3】《冷弯薄壁型钢结构技术规范》 北京：中国计划出版社，2003年。