浅议风荷载对悬挑脚手架搭设高度的影响

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　　【摘 要】 本文根据脚手架技术规范的要求，查证扣件式脚手架在风荷载作用下影响整体稳定性的杆件位置，并计算脚手架可搭设高度，进而指导超高层外墙脚手架方案的编制，对类似项目提供借鉴作用。
　　关 键 词：风荷载；稳定性计算部位；搭设高度
　　扣件式钢管脚手架因其搭设方便、不受现场条件限制、节约周转材料等特点，在目前的高层建筑中得以普遍使用。但推广的同时，由于施工存在缺陷、脚手架设计不合理等因素，尤其是方案设计中对风荷载影响考虑不周等因素导致脚手架失稳、坍塌也时常出现，就风荷载对高层建筑脚手架搭设高度影响，下面结合一超高层建筑的悬挑脚手架的设计，对风荷载影响程度进行探讨。
　　1、工程概况
　　瑞安广州中心地处广州市越华路，西面紧邻广州大厦，建筑地下3层，地上46层，屋面高度156.8m（建筑高度181.1m），总建筑面积7.2万m2。由于项目四周紧邻建筑物，施工场地相当狭窄，综合考虑场地因素及周边安全防护的需要，工程外脚手架选用分段悬挑搭设的双排扣件式钢管脚手架。
　　
　　2、脚手架设计方案
　　（1）工程3层以下采用全封闭落地式脚手架，3层以上采用全封闭型钢悬挑双排外脚手架。搭设段数及每段高度待分析计算后选定。
　　（2）悬挑脚手架方案设计：步距h＝1.8m，立杆纵距la＝1.5m，立杆横距lb＝1.05m，内立杆距外墙边0.35m。
　　（3）设每一外挑单元上考虑一结构脚手架作业层。
　　（4）脚手架每四步架铺一层钢笆脚手板（φ6钢筋制作，荷载为0.04kN/m2）；杉木挡脚板与防护栏杆每步一道；外墙防护网采用2000 目/100cm2 密目式绿色围护立网。
　　（5）所有杆件采用Φ48×3.5 钢管。
　　3、风荷载对外脚手架立杆承载能力影响分析
　　3.1 风荷载标准值的确定
　　根据《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ130-2002)【注：下称《技术规范》】，作用在脚手架上的水平风荷载标准值（wk、kN/m2），按下式计算：
　　
　　wo ――基本风压( kN/m2)，按《建筑结构荷载规范》(GB5009-2001) 【注：下称《荷载规范》】的规定采用，广州地区取0.50kN/m2；
　　μs――风荷载体型系数，由于密目网的挡风系数无规范可查，参照国标《密目式安全网》（GB16909-1997）5.2.1条规定：网目密度不应低于800目/100cm2，经计算，其挡风面积与迎风面积比值即An/Aw=0.54（含脚手架钢管挡风面积）；背靠建筑物为敞开、框架和开洞墙，μs=1.3φ＝0.8424；
　　μz¬――风压高度变化系数。本工程位于有密集建筑群的城市市区，属C类，查规范取值。
　　列表计算出不同高度风荷载标准值wk( kN/m2)，如下表：
　　风压系数及风荷载标准值计算表
　　
　　
　　3.2 水平（风荷载）作用下立杆轴向应力计算
　　立杆在风荷载作用下弯矩计算，一般按均布荷载qwk作用的三跨连续梁计算（偏安全）。立杆所受到均布风载 ，根据《技术规范》5.3.4可以得到风荷载弯矩Mw：
　　Mw=0.85×1.4Mwk=0.85×1.4lawkh2/10=0.578wk
　　再据公式σ=Mw/W 可求得应力值。
　　风荷载作用下立杆轴向应力计算表
　　
　　
　　查施工手册，得φ48钢管截面抵抗矩5.08×103mm3；[σ]为钢管容许承载值，取205N/mm2
　　根据上表分析可知：随着离地高度的增加，风荷载对外立杆承载能力影响程度迅速增加。在离地100m时，风荷载达到立杆容许承载能力的27.8%，离地超过150m时，风荷载达到立杆容许承载能力的37.7%，风荷载成为外立杆承担的主要荷载。
　　
　　4、风荷载对脚手架可搭设高度的分析
　　4.1 脚手架荷载标准值（包括立杆、纵横杆、剪刀撑及扣件）计算
　　方案设计时考虑每一外挑单元上有一结构脚手架施工荷载（3kN/m2），并假设脚手架外立杆承担全部防护重量（栏杆、挡脚板、安全网）；作业层荷载及脚手板等由内外立杆平均承担。
　　1)静荷载计算
　　(1)每米立杆自重，查表得gk=0.1248kN/m
　　(2)构配件自重
　　○1 脚手板：0.04kN/m2×la×（lb+0.35）/2li=0.058kN/m
　　○2 栏杆、挡脚板：0.14kN/m2×la/li =0.029kN/m
　　○3 安全网：0.005kN/m2×la=0.0075 kN/m
　　式中li为两满铺脚手板层之间的步距和，本例为四步一满铺，即li=7.2m。
　　2)单根立杆施工荷载计算
　　N=3kN/m2×la×lb/2=2.36kN
　　3)组合风荷载后立杆轴压力设计值：
　　外立杆 N=2.81+0.262Hi
　　Hi――脚手架的搭设高度
　　4.2 脚手架整体稳定计算截面的确定
　　从立杆整体稳定计算公式( )可看出，对于扣件脚手架，当纵、横距、步距确定后，则 为定量， 为变量。 值随计算部位愈低值愈大， 值的计算部位愈高值愈大。对此消彼长的组合式（ ），何时会出现最大值呢？随着立杆截面的升高，分析立杆内力变化情况。
　　1) 计算截面升高，立杆轴向应力减小速率计算
　　查表得φ48钢管回转半径i=1.58cm
　　计算长度l0=kμh=1.155×1.55×1.8=3.22m
　　长细比λ=l0/i=322/1.58=204，查表得轴向受压稳定系数
　　立杆轴向应力减小的速率： Δσ=0.219/(0.174×0.489)=2.57(N/mm2/m)
　　2) 计算截面升高，风荷载作用产生的应力的变化率，如下表
　　风荷载引致立杆轴向应力的增加的速率(N/mm2/m)
　　
　　
　　从上计算结果可知，随着计算部位的升高， 作用产生的内力变化速率是一个定值，且总大于 增大的速率，即 减小的速率远大于 增大的速率，（ ）总趋向越来越小，到立杆顶端时，只剩下 作用力。因此得出的结论：在脚手架中间某一高度是不会出现（ ）最大值的。故悬挑架外架最危险截面是每悬挑段最底部杆件。落地脚手架由于靠近地面位置( 最底步杆) 风荷载很小可忽略，通常计算中把离地第二步架立杆或离地5m高截面作为最危险部位进行复核。
　　
　　4.3 钢管脚手架搭设高度Hs的计算
　　脚手架可搭设高度由立杆稳定性控制，稳定性计算按下式计算：
　　 < f=[σ] =205(N/mm2)，代入已知值，可得不同高度搭设脚手架的高度（无卸荷情况下）
　　脚手架可搭设高度（m）
　　
　　
　　对于Hs≥26m时，可按《技术规范》进行高度限值调整
　　[ ]=
　　得脚手架最大可搭设高度[H]=48.7m，符合《技术规范》第5.3.7条“不宜超过50m”规定。
　　通过对搭设高度值的分析，可得知在无卸载措施下，脚手架可搭设高度值呈下降趋势，下降幅度并无太大差异。
　　离地100m时，脚手架可搭设高度仅为36.3m，若采取卸荷措施（假定卸荷采用钢丝绳直接悬吊在脚手架立杆与横杆的节点上），根据《建筑施工手册》对卸荷“卸载节点位于全高2/5位置，并能够承担上部1/3荷载”的结论，按“整体稳定性控制”原则，经一次卸载后架体可搭设高度H值计算如下：
　　 < f=[σ] =205(N/mm2)
　　
　　可知一次卸荷后可搭设高度H=48m，接近《技术规范》的50m建议值，较原36.3m有相当的提高。
　　依次类推，可计算出其他高度位置一次卸荷后可搭设高度。
　　5、搭设施工及效果
　　综合以上分析，该工程悬挑脚手架方案最终确定分5段悬挑搭设，分别在第3、12、21、31、40层布设型钢悬挑，对应的搭设高度为67m、35m、31m、28m、25m。本项目脚手架在近二年的施工使用过程，曾遇到两次较大台风（约8~9级风）吹袭考验，整体稳定性良好，未出现影响稳定性的变形。较好的完成安全维护的作用，受到政府安全监督站肯定。
　　
　　6、注意问题
　　（1）本工程脚手架的设计步骤：首先计算杆件在风载、静载组合作用下最危险截面部位，然后按“整体稳定性”原则，计算不同高度起脚手架搭设的高度，最后根据不同高度限值，确定分段搭设的高度。对卸荷、连墙件等未做深入分析，因此在方案确定后，须按规范应对脚手架施工中涉及安全承载的内容进行验算、复核。
　　（2）本文立杆稳定性计算只选取外立杆，主要考虑脚手架静荷载经过多步传递和再分配后，下部立杆所受荷载趋向平均，所以等效地将内、外立杆gk按平均取值，简化了计算，是一种近似取值法。重要的是将风荷载按全部由外立杆承载，因此总体来说分析计算是偏安全的。
　　（3） 本项目西面距广州大厦约6m，由于两建筑高差不大，在此位置形成一道通风面积小、竖向（纵向）深度大的狭长风口，在此部位风荷载干扰效应明显，甚至在离地7~30m左右出现风涡流现象，对脚手架产生上浮作用，因此在此部位沿建筑全高设置钢管反抓措施。
　　注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
　　

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