高层建筑悬挑式钢管脚手架施工方案

'高层建筑悬挑式钢管脚手架设计计算示例一、引言当建筑物高度超过50m时，落地搭设的扣件式钢管脚手架就不能满足要求了。此时，可以用悬挑架分段搭设的办法来解决。悬挑架的种类一般有：三角形钢架、斜撑钢管加吊杆、下撑式挑梁钢架、挑梁加吊杆、挑梁等。各类悬挑架的设计计算分两部分，一部分为架体的设计，第二部分为悬挑架部分的设计。本文介绍第二部分的设计。悬挑架的主要构件为钢梁，应按《钢结构设计规范》（GB50017-2003）进行设计，包括抗弯强度、抗剪强度、局部承压强度、整体稳定性、挠度和端部锚固连接强度等验算。钢梁的设计计算步骤和公式如下：1、抗弯强度式中Mx,My----绕x轴和y轴的弯矩（对于工字形截面，x轴为强轴，y轴为弱轴，单位为N.mm4）;Wnx,Wny----对x轴和y轴的截面抵抗矩（mm3）;γx,γy----截面塑性发展系数：对于工字形截面，γx=1.05,γy=1.20；对于箱形截面，γx=1.05,γ14 y=1.05；对其他截面可按《钢结构设计规范》GB50017-2003表5.2.1采用；f----钢材的抗弯强度设计值（N/mm2）2、抗剪强度式中V----计算截面沿腹板平面作用的剪力（N）;S----计算剪应力处以上毛截面对中和轴的面积矩（mm3）；I----毛截面积惯性矩；tw----腹板厚度；fv----钢材抗剪强度设计值（N/mm2）。3、腹板边缘局部强度验算1）局部承压强度式中F----集中荷载（N）；ψ----集中荷载增大系数，此处ψ=1.0；lz----集中荷载在腹板计算高度上边缘的假定分布长度（mm），按下式计算：lz=a+5hy（a----集中荷载沿梁跨度方向的支承长度，hy----梁顶面至腹板计算高度上边缘的距离，单位均为mm）。f----钢材的抗压强度设计值（N/mm2）。2）折算应力在某些情况下，比如在梁的同一部位有较大的弯曲应力σ14 、剪应力τ和局部压应力σc时，应按最大形状改变能量强度理论计算折算应力σeq满足要求。规范计算公式为：式中σ、τ、σc————为腹板计算高度边缘同一点上同时产生的弯曲正应力、剪应力和局部压应力，按材料力学公式计算。β1-----------β1=1.1(σ、σc同号或有一为零时)β1=1.2（σ、σc异号时）4、整体稳定式中Mx------绕强轴作用的最大弯矩（N.mm）；Wx------按受压纤维确定的梁毛截面抵抗矩（mm3）；.b-------梁的整体稳定性系数。按《钢结构设计规范》GB50017-2003附录B确定。5、挠度v≤[v]式中v----挠度[v]----容许挠度，悬挑受弯杆件，[v]=l/400（按《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规程》JGJ130-2001规定选用）。二、计算示例1、脚手架搭设参数某高层建筑总高H=88m，标准层高3.0m，在离地面高度为19.6m14 处开始，分段搭设悬挑脚手架，分段高度为18m，立杆横距lb=1.05m，内立杆离墙距离0.25m，立杆纵距la=1.5m，步距h=1.8m，每段脚手架10步，连墙件按二步三跨设置，同时作业层数为1层，活荷载Qk=3.0KN/㎡，竹笆脚手片，每段满铺4步。脚手架钢管采用Φ48×3.5mm，悬挑梁采用16号工字钢，悬挑长度为l=1.40m。（1）φ48×3.5钢管，截面性质如下：截面面积A=489mm2截面惯性距I=1.219×105mm4截面模量W=5.08×103mm3弹性模量E=2.06×105N/mm2回转半径i=15.8mm抗压、抗弯强度设计值f=205N/mm2（2）16号工字钢，截面性质如下：截面面积A=2611mm2腹板厚度tw=6mm截面惯性距Ix=1.127×107mm4截面模量Wx=1.409×105mm3弹性模量E=2.06×105N/mm2回转半径ix=65.7mmiy=18.9mm半截面面积矩Sx=8.08×104mm3梁自重q=0.205KN/m14 抗压、抗弯强度设计值f=215N/mm2抗剪强度设计值fv=125N/mm2（3）其他设计参数基本风压值ω0=0.45kN/m2。采用密目式安全立网，全封闭。2、荷载标准值计算（1）结构自重标准值g1k=0.1248kN/m（按双排脚手架查JGJ130-2001）（2）竹脚手片自重标准值：g2k=0.35kN/m2（查JGJ130-2001得到）（3）施工均布活荷载：qk=3kN/m2（查JGJ130-2001得到）（4）风荷载标准值（架体设计中用到，鉴于许多人不熟悉风荷载的计算，因此介绍于此）：ωk=0.7μz·μs·ω0式中μz——风压高度变化系数，查《建筑结构荷载规范》，地面粗糙度类别C类，并用插入法得37.6米为1.10μs——脚手架风荷载体型系数，密目式立网的挡风系数计算，目前规范提供的计算依据不足。哈尔滨建筑工程学院研究结果表明：对于网目密度不低于800目/100cm2的密目网，挡风面积与迎风面积比值为An/Aw=0.54（含脚手架钢管挡风面积），挡风系数.=1.2An/Aw=1.2×14 0.54=0.648。式中：An为挡风面积；Aw为迎风面积。因此μs=1.0.=0.648（JGJ130-2001规范公式）则ωk=0.7×1.10×0.648×0.45=0.225kN/m23、内力计算纵向水平杆、横向水平杆、立杆、连墙杆的强度、变形、稳定性验算另见《落地式扣件钢管脚手架计算示例》。现就悬挑梁的验算过程详述如下：（1）计算简图简化为悬臂梁结构，如图所示。（2）内力计算1）每根立杆轴向力设计值N按规范公式计算：N=1.2(NG1k+NG2k)+1.4∑NQk14 式中：NG1k———为脚手架结构自重标准值产生的轴向力NG1k=H·gk1=18×0.1248=2.246kNNG2k———为构配件自重标准值产生的轴向力(包括竹脚手片、栏杆与挡脚板、安全网)，分别计算如下：竹脚手片自重标准值：0.35×1.5×1.3×4/2=1.365kN（全高满铺4层）栏杆与木挡脚板自重标准值：0.14×1.5×10/2=1.05KN（共10层）安全网自重标准值：0.01×1.5×18/2=0.135KN（取立网自重0.01KN/m2）所以NG2k=1.365+1.05+0.135=2.550KN∑NQk———为施工荷载标准值产生的轴向力总和，作业层数n1=1∑NQk=n1·qk·la·lb/2=1×3.0×1.05×1.5/2=2.363KN从而可得每根立杆轴向力设计值N：N=1.2(NG1k+NG2k)+1.4∑NQk=1.2(2.246+2.55)+1.4×2.363=9.063KN2）钢梁自重q=1.2×0.205=0.246KN/m3）内力计算14 Qmax=9.063×2+0.246×1.4=18.47KNMmax=9.063×1.4+9.063×0.35+0.246×1.42/2=16.101KN.m4、钢梁截面验算1）抗弯强度满足要求。2）抗剪强度3）腹板边缘强度验算局部承压强度在集中荷载或支座处，腹板边缘的局部压应力可能会超过钢材抗压强度，因此应进行验算。对悬臂梁验算支座处局部承压强度。设支座长度a=30mm（有算例取30mm），hy=9.9+8.0=17.9mm(查工字钢截面特性表可得)，则lz=a+5hy=30+5×17.9=119.5mm，查规范得ψ=1，则：14 满足要求。注意：从上面的计算结果来看，对悬臂梁情况，折算应力比局部压应力要大得多。因此，腹板边缘局部强度验算，应验算折算应力满足要求，而不是局部承压强度的验算。本人参考了许多资料，在脚手架设计计算的资料中都未曾看到有折算应力的验算，应该是有问题的。4）整体稳定性先计算整体稳定系数.b按《钢结构设计规范》（GB50017-2003）附录B.4进行计算。梁的自重荷载很小，跨内有两个集中荷载作用，但自由端的集中荷载对量的整体稳定性起主要作用。由于式中ξ———为两整体稳定计算参数l1———为梁的受压翼缘自有长度b1———为梁的受压翼缘宽度14 t1———为梁的受压翼缘厚度h———梁高代入数据，得因此，查《钢结构设计规范》（GB50017-2003）附录B.4，得βb=0.21+0.67ξ=0.21+0.67×0.984=0.870式中的各个符号的含义见规范，其数值计算如下：λy=l1/iy=1400/18.9=74.074A=2611mm2h=160mmt1=9.9mmηb=0fy=235N/mm2代入上式，得.则5）挠度悬臂梁的挠度可以从有关静力计算手册中查到。集中力作用下挠度：14 =3.231mm≤[v]=1400/400=3.5mm满足要求。5、钢梁埋入设计钢梁一端悬挑，另一端为了取得梁的平衡，要进行平衡措施设计。一般实用上采用两种方法解决，一是埋入钢筋混凝土墙或柱（如图所示），二是采用悬挑梁后端部分穿入预埋楼板的钢筋环内（如图所示）。14 采用埋入法，一般埋入长度为500mm，沿挑梁垂直方向穿2根25圆钢作锚筋，锚筋的作用是承担水平方向的作用力（如风荷载）。在杭州，许多悬挑外架的作法是：型钢用1614 号槽钢，每4层一挑，挑梁头部用钢丝索向上斜拉，这时钢丝索的拉力在水平方向的分力，就需要圆钢锚筋来承担，锚筋抗剪，根数要计算确定。抗剪能力的计算只能是近似的，实践和计算表明，2根25圆钢锚筋在钢丝索斜拉情况下安全度也是足够的。采用悬挑梁后端穿入预埋楼板的钢筋环内的作法，要验算钢筋环的强度。计算简图如下图所示，根据梁的平衡可以求出梁传给钢筋环垂直作用力R。为简便起见，忽略R/，对O取矩，则R=[9.036×（1.05+0.35）+0.246×1.5×1.5/2]/1.3=9.944KN钢筋环的水平锚固段埋于楼板的下皮钢筋之下，以便可靠锚固。假定锚固不会失效，钢筋环的破坏形式要么被拉断要么被剪断，钢筋的抗强度大于抗剪强度，因此，只要验算抗剪强度。14 剪切面的剪应力为τ=9944/（3.14×7×7）=64.6N/mm2