高层建筑悬挑式外脚手架设计与计算

现在的高层建筑工程施工中，经常会遇到因为场地狭小、土方无法及时回填、主体结构四周为裙房或大面积地下室的情况，脚手架不能直接支撑在地面上，或者由于一些地方法规必须进行全封闭施工的要求，而不能采用附着升降脚手架等，因此悬挑脚手架被现在许多工程施工单位所选用。根据中华人民共和国行业标准《建筑施工安全检查标准》（JGJ 59-99）的规定，悬挑式脚手架的施工方案和设计计算是工程安全检查的重要组成部分。现就某高层建筑工程谈一谈悬挑式外脚手架的设计与计算。

1.1工程概况

某高层建筑地下4层，地上24层，其中裙楼4层，1~4层层高4.8m，5~24层层高3.9m,建筑檐高99.29m，结构形式为框架—剪力墙结构，外墙装饰主要采用玻璃幕墙。

1.2施工方案的选择

由于该工程地下室连成整体，而地下室顶板厚度仅为120mm，无法承受较大的施工荷载。如果采用落地式脚手架，就必须从地下四层至地下一层满搭支撑，钢管用量大，而且影响以后地下室的装修施工。根据以上情况，我们准备两套不直接支撑在地下室顶板上的脚手架方案以供选择：

1.3方案一：附着升降式脚手架

裙楼施工搭设双排脚手架，沿裙楼四周全高搭设，搭设高度约20m；塔楼考虑采用导轨式爬架，沿塔楼周圈共布置40套爬升机构，最大相邻爬升机构分布间距为6.0m。

爬架施工范围：该工程地上24层，裙楼4层，爬架的施工范围为5~24层，而爬架的搭设高度为4.5层，因此爬架只能爬升15层。

优点：技术先进，安全可靠；一次性安装，多次使用；缺点：爬架只能爬升15层，利用率不高；提升设备价格昂贵，一次投入费用高。

1.4方案二：悬挑式外脚手架

脚手架沿建筑周圈布置，裙楼1-4层采用钢管悬挑脚手架，裙楼以上，从5层到24层分2段搭设型钢悬挑式脚手架。

优点：工艺简单，质量容易保证；结构全封闭施工，符合安全环保要求；与工程实际结合紧密；价格相对较低；缺点：需分两次搭设，钢管、型钢材料用量较多；

1.5方案选定

通过对以上两种外脚手架方案进行比较，根据外架“安全可靠、经济合理”的选定原则并结合工程实际情况，我们选定采用第二种方案。从技术角度看，两种方案均可行，安全可以得到保证；从经济角度看，由于大部分外幕墙施工不用外架，脚手架占用时间相对较短，因此，采用悬挑式外脚手架就要比爬架一次性投入费用要低得多（参照后“悬挑架经济分析表”）。

1.6型钢悬挑式外架

型钢悬挑式外脚手架，采用型钢作悬挑梁与工程结构梁板锚固，另一端挑出建筑物，悬挑梁作为一个分段搭设高度的脚手架立杆的基础，其水平间距即按脚手架立杆纵距设置（图1：型钢悬挑式脚手架大样）。

1.7型钢悬挑式外架构造

本工程群楼以上5-24层采用型钢悬挑式外脚手架，分别在5层和15层设置悬挑钢梁，分2段搭设外脚手架。

脚手架用Φ48×3.5钢管和扣件搭设成双排架，立杆横向间距1.05m，纵距1.5m，步距为1.8m；

脚手架支撑在用Ⅰ22b工字钢制作的水平悬挑梁上；

脚手架搭设高度共22步，计39.6m高；里立杆离墙面0.4m，每一悬挑段共铺设3层木脚手板；

施工作业层，结构施工按1层作业，装修施工2层同时作业，脚手架施工荷载为4kn/m2，作业层设置栏杆、挡脚板；

脚手架外立杆里侧挂2000目密目安全立网封闭施工；

连墙杆采用钢管抱柱和在楼板外侧预埋短钢管两种做法，按照2步3跨从底层第一步开始设置；

剪刀撑在外侧立面整个长度和高度上连续设置。

1.8荷载及内力计算

1.8.1荷载计算及荷载组合

1)脚手架结构自重（包括立杆、纵向水平杆、横向水平杆、剪刀撑、横向斜撑和扣件）：

查《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ 130-2001）（以下简称规范）附录A表A-1得：

NG1K=39.6×0.1248=4.942kN

2)构、配件（包括脚手板、栏杆、挡脚板、安全网）自重：

a.木脚手板，共铺设3层，自重标准值为0.35kN/m2：

NG2K-1=3×（1.05+0.25）×1.5×0.35=2.048 kN

b.栏杆与木挡脚板，2层同时作业，自重标准值为0.14 kN/m：

NG2K-2=2×1.5×0.14=0.42 kN

c.安全网，2000目密目安全网，自重标准值按0.005 kN/m2计：

NG2K-3=39.6×1.5×0.005=0.297 kN 

d.合计

NG2K=（2.048+0.42+0.297）/2=1.38 kN

3)施工均布活荷载，按照2层装修作业4 kN/m2计：

    =2×2.0=4.0 kN/m2

    =1.5×（1.05+0.25）×4 kN/m2/2=3.9KN

4)风荷载：

a.基本风压：北京地区基本风压=0.35 kN/m2；

b.风压高度变化系数：

本工程地理位置属于D类，第二段悬挑架顶端距离地面约100m，查《建筑结构荷载规范》（GBJ 9）表7.2.1得：=1.27；

c.风荷载体型系数：

根据规范表4.2.4规定，本工程属于框架剪力墙结构，=1.3（为挡风系数，包括脚手架钢管和密目安全网）。

脚手架钢管挡风系数，按规范附录A表A-3采用，=0.0；

2000目密目安全网挡风系数，根据产品合格证参数计算得，=0.768；

所以，=1.3（+-）

=1.3（0.0+0.768-0.0*0.768）=1.025

带入公式得：

风荷载标准值=0.7*1.025*1.27*0.35=0.32 kN/m2；

5)荷载组合，计算立杆得轴向力设计值：

a.不组合风荷载时

=1.2（4.942+1.38）+1.4×3.9

=13.046kN

b.组合风荷载时

=1.2（4.942+1.38）+0.85×1.4×3.9=12.227kN

1.8.2工字钢挑梁验算

1)受力分析：工字钢挑梁按《钢结构设计规范》（GBJ17-88）计算。此时脚手架轴向力全部由挑梁承担，水平力仍由连墙杆传给建筑物承担，见图2：型钢悬挑架计算简图。

2)强度验算

按公式：f

其中：MX=2N*l2=2×13.046×0.925=24.135

截面塑性发展系数——

型钢截面x轴的净截面抗弯模量——

钢材抗弯强度设计值——f=205N/mm2

带入公式得：=24135/（1.05×325）=70.7≤f=205N/mm2

满足要求

3)稳定性验算

按公式：≤f=205N/mm2

式中稳定系数计算： =160/2.5=＜120=125，根据《钢结构设计规范》规定，双轴对称工字钢挑梁截面整体稳定系数可以按下式计算：

=4.2>0.6，按附表1.2查出相应的代替值，查得=1.0

将稳定系数带入公式得：

满足要求。

4)挠度验算

按公式验算：（悬臂梁l为悬伸长度的2倍）

式中：N=26KN，=925mm，=1600mm，E=206×103N/mm2，I=345cm3，将以上参数带入公式得：

    =26×103×9252/(6×206×103×345×103) ×(3-925/1600)=0.126mm≤8mm  满足要求。

5)抗剪强度

按公式：

计算截面剪力——V=2N=26KN；

，=12.3mm

 满足要求

6)验算悬挑梁锚固钢筋

工字钢挑梁在边梁和楼板上设置2个锚固点，锚固形式详图3：工字钢挑梁锚固形式，锚固筋取圆16钢筋。下面对（a）图：边梁锚固形式进行验算：

a.锚固点反力计算R==26×925/（2000+200）=11KN

b.预埋锚固钢筋吊环按两个截面同时受力计算，每根钢筋截面承受R/2；

c.选择锚固钢筋截面，取安全系数K=3，=3

所以，钢筋直径D==0.3mm<16mm，安全。经过对（b）图：楼板锚固形式进行验算同样安全，验算过程相同，此处略。

7)挑梁锚固楼板处设计

工字钢挑梁端部尽量锚固在垂直于边梁的次梁上，如果因为布局原因不能锚固在次梁上，在楼板上的锚固形式按照图3（b）形式施工，并对楼板进行局部加固。

1.9立杆稳定性计算

1.9.1验算长细比

查规范表5.3.3得：长度系数=1.5

长细比 （验算长细比时K=1）

=171＜[]=210 满足要求

1.9.2计算风荷载设计值产生的立杆段弯矩

==0.185KN.m

1.9.3立杆稳定性验算

=170.85＜f=205N/mm2

满足要求

1.10连墙件设计

根据规范5.4.1条规定，连墙件的轴向力设计值， ，如采用一个扣件的连墙件做法，风荷载产生的轴向力只剩下3kN，经过多次计算均无法满足要求，故决定采用2个扣件进行连接，即连墙杆一端与脚手架内外立杆连接，另一端通过在楼板外侧预埋钢板，在钢板上焊接短钢管，利用2个旋转扣件进行连接。

本工程脚手架连墙件按照二步三跨设置，采用梅花型布置。连墙件具体形式见图4：连墙件设置形式。

本工程脚手架顶层连墙件，按照100m高度计算：

风荷载产生的连墙件的轴向力设计值=7.25KN；

带入公式，=7.25+5=12.25≤2*8=16KN（2个旋转扣件的抗滑力），满足要求。

1.11钢管悬挑脚手架

钢管悬挑脚手架是一种利用普通钢管、扣件搭设的简易悬挑外架。它具有搭设简单易行、造价低等优点，同时，由于扣件抗滑能力低，安全系数较低，只能作为搭设高度较低的外脚手架（图5：钢管悬挑架施工大样）。

1.11.1钢管悬挑脚手架构造

本工程1-4层裙楼的外脚手架采用普通钢管悬挑的形式搭设外脚手架。

脚手架用Φ48×3.5钢管和扣件搭设成双排架，立杆横向间距1.05m，纵距1.5m，步距为1.8m；

脚手架支撑采用斜撑钢管支撑上部架体，斜撑钢管底部焊接在楼板预埋钢板上；

脚手架搭设高度共12步，计21.6m高；里立杆离墙面0.4m，共铺设2层木脚手板；

施工作业层，结构施工按1层作业，装修施工2层同时作业，脚手架施工荷载为4kn/m2，作业层设置栏杆、挡脚板；

1.11.2荷载及内力计算

1)荷载计算

a.脚手架结构自重：

NG1K=21.6×0.1248=2.70kN

b.构、配件自重：

NG2K=（1.365+0.42+0.162）/2=0.97KN

c.施工荷载：

    =1.5×（1.05+0.25）×4 kN/m2/2=3.9KN

立杆段的轴向力设计值N，不组合风荷载：