某新型连墙件结构计算及应用方案

前言连墙件是指连接脚手架与建筑物的构件，是脚手架的重要组成部分。国内外发生的脚手架倒塌事故，基本都是由于连墙件设置不足或连墙件被拆除后未及时补设引起。脚手架的失稳通常分为整体失稳和局部失稳。其中整体失稳是脚手架失稳的主要破坏形式，破坏始于无连墙件、横向刚度差或初始弯曲较大的横向框架。而设置合理、承载力高、构造符合要求的连墙件，对计算单元的计算跨度的改善和横向刚度的提高，均起直接作用，因而对脚手架的整体稳定性起重要作用。《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ130—2001）第6.4节对连墙件作了具体规定，对于24m以下的单、双排脚手架宜采用刚性连墙件，对24m以上的单、双排脚手架必须采用刚性连墙件。刚性连墙件指的是采用钢管、扣件或预埋件组成的连墙件。但规范中并未具体规定刚性连墙件的做法，导致目前各地刚性连墙件的做法不一，部分做法存在安全隐患。台州**工贸有限公司经过长时间的论证、试验、工程试用后，对刚性连墙件提出新的做法。现将新型的**连墙件解决方案向各位专家汇报，并请各位专家指正。第一章常规连墙件的做法与利弊分析脚手架的失稳通常分为整体失稳和局部失稳。其中整体失稳是脚手架失稳的主要破坏形式，破坏始于无连墙件、横向刚度差或初始弯曲较大的横向框架。而设置合理、承载力高、构造符合要求的连墙件，对计算单元的计算跨度的改善和横向刚度的提高，均起直接作用，因而对脚手架的整体稳定性起重要作用。国内常见的用于扣件式钢管脚手架的连墙件做法包括：拉撑结合方法、预埋钢管方法、后锚固方法、箍柱法、预埋铁板法。现对国内常见的用于扣件式钢管脚手架的连墙件做法进行汇总与分析如下：1、拉撑结合方法拉撑结合方法通常适用于脚手架搭设高度小于24m的低层、多层建筑，采用预埋钢筋与脚手架拉结，再加水平钢管撑住主体结构的方法或采用预埋钢筋与短钢管焊接后，再用扣件连接水平钢管与脚手架连成一体。拉撑结合方法的连墙件做法详见图一。拉撑结合方法具有成本低、无砌体后补洞工序，因此，在多层建筑中使用较为普遍。拉撑结合方法的不足之处是承载力差，脚手架的横向刚度相比于刚性连接方法较弱，起撑作用的钢管无法紧密连接脚手架与主体结构，导致脚手架易产生晃动，并且在外墙粉刷时易被全部拆除从而产生安全隐患。因此规范中作为强制性条文规定拉撑结合方法连墙件不得用于脚手架搭设高度超过24m的建筑。图1普通拉撑结合连墙件2、预埋钢管方法预埋钢管方法是目前最为常用的连墙件做法，能起到刚性连接作用。预埋钢管方法是在砼浇筑前用一竖向短钢管埋设于梁内约20cm，露出梁背约20cm，待砼浇筑完成后，用水平长钢管连接立杆与竖向短钢管即可，如图2所示。预埋钢管方法的连墙件优点是刚性好、埋设位置准确。预埋钢管方法的连墙件的不足之处是成本高，拆卸麻烦（见图3），并且必须对砌体的后留洞口进行后期封堵，有渗水隐患（见图4、图5）。目前，钢管扣件的租赁价格随着钢材原材料价格的上涨而大幅上涨，预埋钢管方法由于相比其他连墙件方法所使用的钢管与扣件数量相对较多，如预埋短钢管方法至少采用2个扣件，对于受力超过单个扣件抗滑移能力的连墙件，则至少采用4扣件连接，与竖向短钢管连接的扣件有相当比例无法拆卸，最终报废，导致成本较高。同时，对于部分无法用扳手拆除的预埋钢管连墙件，大部分是采用明火切割，拆除麻烦，且有严重的火灾隐患。采用预埋钢管方法时，在砌体施工时必须对连墙件的竖向短钢管位置留设洞口，待连墙件拆除后采用细石砼进行封堵。对洞口的封堵如稍不慎重，将导致洞口补不密实，从而给外墙防水留下难以弥补的隐患，尤其是东南沿海地区和内地多雨地区的建筑，对此节点的处理更应当引起重视。图2预埋钢管连墙件图3无法用扳手拆除的预埋钢管连墙件图4连墙件孔洞渗水图5连墙件孔洞渗水3、后锚固方法后锚固方法是针对上述预埋钢管方法的不足而作的改进。后锚固方法是在梁的侧面钻孔，安装膨胀锚栓或化学锚栓，再用事先与钢管焊成一体的锚板连接即可，见图6。后锚固方法的优点是无补洞工序，无渗水隐患。后锚固方法的不足是施工极其麻烦，尤其是钻孔时极其麻烦。通常是采用2颗膨胀锚栓，承载力不高，易松动，不可承受低周反复荷载，严格来说不能纳入刚性连墙件范围；若采用化学锚栓，则施工要求高，施工过程中必须严格控制孔深与孔径，并且必须严格清孔，否则承载力无法得到保证。施工完成后，锚栓也报废，无法重复使用，造成成本也较高。且在拆除时，必须要使用明火进行切割，同样存在严重的火灾隐患。正因为以上原因，采用后锚固方法的连墙件在工程中应用不多。图6后锚固法连墙件4、箍柱法箍柱法是指不在主体结构内预埋，柱子模板拆除后，用四根短钢管和四个扣件将砼柱箍住，并通过一根长钢管与脚手架立杆连接的方法，见图7所示。箍柱法的优点是刚性好，施工灵活方便。箍柱法的不足是所需要材料最多，相比于预埋钢管法，增加了三个扣件和四根短钢管，对于施工周期长的高层建筑来说，经济性极差。并且，同预埋钢管法一样，仍存在墙体补洞工序，同样存在着外墙渗水隐患。同时，箍柱法连墙件必须要等柱子模板拆除后进行安装，严重滞后于施工进度，导致施工作业层的脚手架与主体结构无可靠拉结，存在着明显的安全隐患。正因为以上不足，箍柱法连墙件在工程中应用极少。图7箍柱法连墙件5、预埋铁板法预埋铁板法是指在主体结构的梁柱砼施工前，在相应位置预埋带锚脚的铁板。模板拆除后用钢管与露出梁侧或柱侧的铁板焊接，钢管的另一侧与脚手架的立杆用扣件连接，如图8所示。预埋铁板法的优点是刚性好，无砌体补洞工序，无渗水隐患。预埋铁板法的不足是成本高，施工麻烦，有火灾隐患。通常要求在梁侧模板安装前安装固定好铁板，砼浇筑完成后铁板极易被混凝土遮盖，难以发现。同时，要求在施工楼层进行焊接或切割，有明火，易引起火灾；预埋时要求定位准确，否则铁板无法用水平钢管与立杆连接。因以上不足，预埋铁板方法目前在工程中应用极少，特别是在浙江本省范围内，基本上不再使用。图8预埋铁板法连墙件6、预埋钢筋法预埋钢筋法是指在主体结构的梁柱砼施工前，在相应位置预埋事先与钢管侧壁焊好的钢筋。模板拆除后利用钢管把预埋的钢筋压弯，钢管的另一侧与脚手架的立杆用扣件连接，如图9所示。预埋钢筋法的优点是施工方便，无砌体补洞工序，无渗水隐患。预埋钢筋法的不足是刚性差，有安全隐患。通常是采用Ф16钢筋预埋（也发现有用2Ф6钢筋的），另一端与钢管焊接，焊接质量极难保证，承载力低，钢筋弯折后在风荷载作用下易产生变形，不能起到刚性连接的作用。同时，要求在施工楼层进行焊接或切割，有明火，易引起火灾。尽管预埋钢筋法施工较方便，但是对于高层建筑的脚手架来说，其刚性与承载力显然无法满足要求，但因其施工方便，目前在省内部分区域仍然应用较多，在台州等沿海常受台风侵袭的地方，未曾见到此方法在工程中使用。图9预埋钢筋连墙件通过以上分析，我们认为目前常用的连墙件做法均存在着不少缺陷，有待于进一步的改进与提高。第二章新型的**连墙件解决方案针对以上连墙件的不足，根据工程实际并结合规范要求，我们开发了新型连墙件——**连墙件解决方案。2.1、**连墙件解决方案原理**连墙件采用具有专利授权的预置锚件预埋在梁、柱或剪力墙中，等侧面模板拆除后，用锚栓把事先与钢管焊好的锚板与预置锚件连接即可（见图10）。具有操作性强，经济性佳，可靠性好，安全性高的特点。**预置锚件由前部封盖、尾部封盖、外骨架和内置紧固件（加强型螺母）组成（见图11，图12）。砼浇筑完成后，利用螺母的尾部尺寸大于外骨架直孔的特点，在砼内形成机械锁键作用，经浙江省建设工程质量检验站检测，**预置锚件在C25的素砼中抗拔承载力不小于20kN，足以满足连墙件的使用要求。图10**连墙件图11**预置锚件图12**预置锚件剖面图2.2、**连墙件的结构计算经浙江省建设工程质量检验站检测，**预置锚件在砼中的抗拔力足以满足连墙件受力要求，故仅对螺栓、钢管、铁板及焊缝受力分别按不同的型式进行计算，具体包括R-LQ-1，R-LQ-2，R-LQ-3，R-LQ-4。2.2.1R-LQ-1型连墙件的计算R-LQ-1型连墙件采用一个M12×70的预置锚件，锚板Q235材质的90mm×60mm×6mm的铁板，设计承载力为8kN。采用ANSYS10.0版本进行强度与变形的计算。计算完成后的结果如图13~18所示：图13x方向应力图图14y方向应力图图15z方向应力图图16x方向变形图图17y方向变形图图18z方向变形图经以上分析，可知R-LQ-1型连墙件在8kN的水平荷载作用下，其强度与刚度均能满足要求。2.2.2R-LQ-2型连墙件的计算R-LQ-2型连墙件采用一个M12×70的预置锚件，锚板Q235材质的90mm×60mm×8mm的铁板，设计承载力为10kN。采用ANSYS10.0版本进行强度与变形的计算。计算完成后的结果如图19~24所示：图19x方向应力图图20y方向应力图图21z方向应力图图22x方向变形图图23y方向变形图图24z方向变形图经以上分析，可知R-LQ-2型连墙件在10kN的水平荷载作用下，其强度与刚度均能满足要求。2.2.3R-LQ-3型连墙件的计算R-LQ-3型连墙件采用二个M12×70的预置锚件，锚板Q235材质的120mm×70mm×6mm的铁板，设计承载力为12kN。采用ANSYS10.0版本进行强度与变形的计算。计算完成后的结果如图25~30所示：图25x方向应力图图26y方向应力图图27z方向应力图图28x方向变形图图29y方向变形图图30z方向变形图经以上分析，可知R-LQ-3型连墙件在12kN的水平荷载作用下，其强度与刚度均能满足要求。以上分析时是假设预置锚件位置无偏移为假设条件，同样，经过有限元分析，当预置锚件的位置偏移36mm（达到预置锚件的最大允许偏移）时，其强度与变形均同样满足要求，具体计算过程略。2.2.4R-LQ-4型连墙件的计算R-LQ-4型连墙件采用二个M12×70的预置锚件，锚板Q235材质的120mm×70mm×8mm的铁板，设计承载力为16kN。采用ANSYS10.0版本进行强度与变形的计算。计算完成后的结果如图31~36所示：图31x方向应力图图32y方向应力图图33z方向应力图图34x方向变形图图35y方向变形图图36z方向变形图经以上分析，可知R-LQ-4型连墙件在16kN的水平荷载作用下，其强度与刚度均能满足要求。以上分析时是假设预置锚件位置无偏移为假设条件，同样，经过有限元分析，当预置锚件的位置偏移36mm（达到预置锚件的最大允许偏移）时，其强度与变形均同样满足要求，具体计算过程略。经以上结构计算，四种型号的连墙件在相应设计荷载作用下，其强度与变形均能满足工程要求。2.3**连墙件使用流程根据连墙件轴向力不同的计算结果选取相应类型的**连墙件来连接脚手架与主体结构，以保证脚手架安全。下面以R-LQ-1类型为例，介绍**连墙件的使用。R-LQ-1型连墙件的使用流程如图37所示：连墙钢管端与锚板焊接↓在梁侧模内定位封盖→安装锚件→浇筑砼→拆模时拉掉封盖→用螺栓把连墙钢管与锚件连接→连墙钢管与立杆扣件连接→完成图37**连墙件施工流程当项目施工完成后拆除脚手架上的连墙件时，则按以上相反顺序，先拆除与立杆的连接扣件，再拆除锚板上的螺栓，再对露出梁侧的预置锚件的小孔进行封堵即可。对螺杆、与钢管焊接成一体的锚板进行适当保养，即可在下一工程中反复使用，整套连墙件中报废的仅是预置锚件，其余材料均可重复使用。第三章**连墙件解决方案经济性分析浙江省内目前最常见的刚性连墙件为预埋钢管法，其经济性在刚性连墙件做法中具有代表性。下面通过与预埋钢管法连墙件经济性的比较，分析**连墙件解决方案的经济性。3.1、常规连墙件的费用、常规连墙件每处需要的建筑材料如下：连墙件竖杆埋在混凝土梁内短钢管长度为20cm，露出梁面长度为20cm；连墙件水平杆长度为1.2m；扣件2只。、每处连墙件在施工完成后的损耗为：埋在混凝土梁内的20cm短钢管报废；约有30%~50%的连接竖杆与水平杆的扣件无法拆除。、连墙件日租金费用和保养费用如下：钢管日租金为：1.5分/米.天扣件日租金为：0.9分/只.天扣件保养费用：0.15元/只钢管保养成费用：6分/米损耗扣件按新扣件计价：6元/只损耗的钢管按新钢管计价：5000元/吨、连墙件所需材料的总租金按常规高层建筑施工时间8个月考虑，则每处连墙的总租金费用为：钢管租金为：0.015×1.6×30×8=5.76元钢管保养费用为:0.06×1.6=0.10元损耗钢管费用，按最理想状态，即仅损耗埋在梁内的20cm长钢管，每米钢管重3.84Kg，则损耗钢管费用为:3.84×0.2×5000/1000=3.84元扣件租金为:0.009×30×8×2=4.32元扣件保养费用为:0.15×2=0.3元损件损耗费用按30%连墙件竖杆与扣件无法拆除计算,则扣件损耗费用为:6×0.3=1.8元、连墙杆水平管处墙体洞口补洞费用如下:按每工补洞10只,每工人工费为80元计算,则每个连墙件洞口的补洞费用为:80/10=8元则常规连墙件的施工总费用为:5.76+0.1+3.84+4.32+0.3+1.8+8=24.13元若按每20平方米的建筑面积有一套连墙件计算，则20万平方米的建筑有1万套连墙件，连墙件总费用为：24.13×10000=241300元3.2、**连墙件解决方案中的总费用、**连墙件每处需需要的建筑材材料如下：连墙件水平杆长度度为0.8mm；预置锚件1套（包包括锚栓）；；锚板1块（需与钢管事先先焊接）；扣件1只。、**连墙件在施工工完成后的损损耗为：预置锚件1套（不不包括锚栓）。、**连墙件日租金金费用如下(与常规连墙墙件相同)：钢管日租金为：11.5分/米.天扣件日租金为：00.9分/只.天扣件保养费用：00.15元/只钢管保养成费用：：6分/米、**连墙件所需材材料的总租金金按常规高层层建筑施工时时间8个月考虑，则则每处连墙的的总租金费用用为：钢管租金为：0..015×00.8×300×8=2..88元钢管保养费用为::0.06××0.8=00.05元扣件租金为:0..009×330×8=22.16元扣件保养费用为::0.15××2=0.33元、**连墙件相对常常规连墙件增增加的费用:预置锚件11套(带锚栓,锚栓可重复复使用),3.5元锚板一块,,3元（包括焊焊接）则**连墙件的施工工总费用为:2.88+0.