风荷载对钢管扣件式脚手架可搭设高度影响

风荷载对钢管扣件式外脚手架可搭设高度影响分析摘要：钢管扣件式外脚手架在高层建筑（尤其是高度超过100米的超高层建筑）的外防护设计中，由于风荷载的影响，脚手架的分段可搭设高度大幅度降低。合理准确地分析风荷载对外脚手架可搭设高度的影响是脚手架安全经济地设计的重要前提。本文以深圳（福田）******大酒店为例，详细分析了风荷载对钢管扣件式外脚手架可搭设高度的各种影响，并对脚手架卸载及卸载一次后的脚手架可搭设高度作了简要分析，以期对其它项目（尤其是超高层建筑）钢管扣件式外脚手架设计具有借鉴作用。关键词：风荷载脚手架可搭设高度AffectinganalysisonthemaximumsetingupaltitudeofdyadicsteeltubefastenerexternalscaffoldtoputupwindloadAbstract:Thedyadicsteeltubefastenerscaffoldisdesignedforprotectionoutsidetower(especiallyaltitudeexceeds100metersofhigh-risebuilding).Sincewindloadeffects,thesetingupaltitudeofscaffoldparagraphdivisionisnumerousreduced.Analysingtheeffectonexternalscaffoldofsettingupaltitudebutputtingupwindloadrationallyandaccuratelyistheimportantpremisethatthescaffoldissafeandeconomydesigned.AndthemainbodyofthearticlehastakenShenzhen(FuTian)Shangri-lagrandhotelasexample,hasanalysedthevariouseffectdetailedlyofwindloadonsettingupaltitudeofdyadicsteeltubefastenerexternalscaffold.Andthescaffoldunloadingandunloadingoncetoscaffoldmayhangsettingupaltitudehavingassumedbriefanalysis.Itiswantedtootherproject(especiallythehigh-risebuilding)protectedbydyadicsteeltubefastenerexternalscaffoldasanreference.Keywords:Windload;Scaffold;Settingupaltitude一、工程概况深圳（福田）******大酒店地上47层，地下三层，高度191米，外墙设计为幕墙，总建筑面积11万m2。该工程外防护架选用双排钢管扣件式脚手架分段悬挑（配合卸载措施），设计基本参数如下：1、钢管为Φ48×3.5，脚手架步距1.8米，立杆横距1.05米，纵距1.5米。外排水平杆中间每步架设栏杆，每步架中间设填心杆。2、脚手板每四步架满铺一次，满足使用需要，亦符合规范和地方安监部门要求。脚手板为Φ6钢筋制作的钢芭片，荷载为0.04KN/㎡。3、安全网满挂外排架，2000目/100cm2，满足安监要求。剪刀撑和横向斜撑按规范选用，脚手架距建筑外立面350mm。二、风荷载对外脚手架立杆承载能力影响分析（1）风荷载标准值计算根据《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ130-2001），作用在脚手架上的水平风荷载标准值，按下式计算：式中—风荷载标准值（KN/㎡）;—基本风压（KN/㎡），按现行国家标准《建筑结构荷载规范》（GBJ9）的规定采用，深圳地区取0.75KN/㎡（50年一遇，超高层建筑可考虑将标准提高）;—脚手架风荷载体型系数，按《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》表的规定采用。在本文算例中按背靠建筑物为敞开、框架和开洞墙取1.3。φ为挡风系数，外立杆挡风系数即安全网的挡风系数，2000目/100cm2挡风系数可计算得到为0.5，内立杆挡风系数查《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》表A-3可得到为0.089。计算内外立杆风荷载时脚手架体型系数分别如下：内立杆：=0.089×1.3=0.116外立杆：=0.5×1.3=0.906—风压高度变化系数，按现行国家标准《建筑结构荷载规范》（GBJ9）规定，按地面粗糙程度分A、B、C、D四类分别选用。本文算例建筑物位于有密集建筑群的城市市区，属C类，风压高度变化系数按下表选用：离地高度(m)515203050601001502000.740.740.841.001.251.351.702.032.30根据上述公式，代入相应数值，即可计算出不同高度的风荷载标准值（KN/㎡）列表如下：离地高度(m)515203050601001502000.050.050.050.060.080.080.100.120.140.350.350.400.480.600.640.810.971.09内立杆风荷载标准值计算未考虑未考虑外立杆安全网的挡风作用而使内立杆位置风压大幅度降低的情况，实际是按最不利的情况（安全网未挂好，被拆除等情况）来考虑的。（2）计算风荷载弯矩立杆所受到均布风载，根据外架立杆一般长度，按均布荷载作用的三跨连续梁计算，根据《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》可以得到风荷载弯矩，计算如下：=分别代入和数据即可得到不同高度的风荷载弯矩。（3）计算风荷载对立杆轴向应力影响弯矩作用在立杆上，对轴向应力的影响可计算如下：（N/㎜2）式中，为风荷载弯矩，已计算得出;为钢管截面抵抗矩，5.08×103mm3。代入数据可计算可得到不同高度位置风荷载对内外立杆轴向应力影响如下表:离地高度(m)515203050601001502005.15.15.86.98.69.311.614.115.92.5%2.5%2.8%3.4%4.2%4.5%5.7%6.9%7.8%40.140.145.554.267.773.092.0109.9124.520%20%22%26%33%36%45%54%61%为钢管容许承载能力，取205N/㎜2。根据上表计算结果，我们可以分析如下：A、外脚手架内立杆受风荷载影响小，外立杆受风荷载影响大，在考虑卸载措施时可根据内外立杆分别考虑设置。B、随离地高度的增加，风荷载对外立杆承载能力影响程度迅速增加。在离地100米的时候，风荷载达到立杆容许承载能力的44.9%，离地超过150米时，风荷载达到立杆容许承载能力的53.6%，风荷载成为外立杆承担的主要荷载。三、风荷载对脚手架可搭设高度影响分析（1）竖向荷载计算施工荷载按结构施工3KN/㎡考虑（建筑外立面为幕墙，装修荷载很小，按结构结构施工荷载考虑符合实际情况）。脚手架外立杆由于承担了外架外防护全部重量（包括安全网、剪刀撑、水平栏杆等），而内立杆由于外架离建筑外立面350mm而会承担较多的作业层荷载。综合考虑各项因素，可计算得到外脚手架内外立杆承担竖向荷载如下（KN）：式中，为脚手架的搭设高度。（2）计算截面（危险截面）位置分析根据内外立杆的竖向荷载计算公式，可以计算出内外立杆竖向荷载随脚手架高度减少而外立杆轴向应力减少的速度，如下：内立杆：外立杆：风荷载随高度增加使外立杆轴向承载力增加速度根据前表可计算如下：离地高度(m)5-1515-2020-3030-5050-6060-100100-150150-2000.00.140.110.090.070.060.050.040.01.080.870.680.530.480.360.29对比计算结果，可以得到下列结论：A、风荷载在地面一定高度（本计算项目约为15米）内由于地面其他建筑物的影响，对立杆轴向应力的影响程度可以认为是一定的。B、随离地高度增加，风荷载对立杆轴向力影响的增加，但增加速度逐渐减慢。C、在本算例中，内外立杆在不同高度风荷载对立杆轴向应力影响程度随离地高度增加而增加的速度始终小于立杆自重对立杆轴向力影响程度随离地高度增加而减少的速度。所以可以得出结论：悬挑架的情况外架最底部杆始终是最危险截面，而落地脚手架计算中，由于一般认为靠近地面位置（最底步杆）风荷载很小可忽略，而计算中可以把离地倒数第二步架立杆作为最危险截面。（3）可搭设高度计算脚手架可搭设高度由立杆稳定性控制，组合风荷载（水平荷载）和竖向荷载立杆稳定性可计算如下：式中，为立杆轴向力设计值，已分内外立杆计算;为钢管稳定系数，可计算得0.19;A为钢管截面面积，查表得4.89cm2。代入数据计算出可搭设最大高度后，当时，还应按照《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》公式进行调整如下：代入数据可计算得到当脚手架为落地时的最大可搭设高度=55m，接近《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》规定的不宜超过50m的建议值，若外架工况适当调整，如脚手板改用竹脚手架、增加脚手板满铺层数、考虑装修荷载等，计算可搭设高度就更接近50m，这说明规范5.3.7规定50米的限值对落地式外脚手架或离地距离较小的外脚手架是具有指导意义的。按外立杆控制，求出各离地高度脚手架可搭设高度，然后返算出竖向荷载对外立杆的影响程度（竖向荷载及），并把风荷载对外立杆承载力影响程度的计算结论（上文已计算）一并列表如下：离地高度(m)51520305060100150200(m)53.153.151.047.744.440.533.126.020.5竖向荷载(KN)14.714.714.213.512.811.910.38.697.515815815314513712811093.580.477%77%75%71%67%62%54%46%39%风荷载20%20%22%26%33%36%45%54%61%为钢管容许承载能力，取205N/㎜2。风荷载和竖向荷载对立杆承载能力影响程度（）之和有略小于100%的情况，是因为脚手架可搭设高度在搭设高度大于等于26m的情况下按公式“”进行了调整的缘故。同样，当以内立杆承载能力作为控制条件的情况下，我们也可以很容易的计算得到在不同高度的情况下的脚手架可搭设高度如下：离地高度(m)51520305060100150200(m)80.580.580.179.578.678.277.075.674.6从上表看出，内立杆即使在外架搭设高度超过70米的情况下仍然是安全的。而实际上，外脚手架分段悬挑高度一般不超过50米即可满足施工组织要求，所以内立杆承载能力在外脚手架整体承载中是有充足富裕的。对前述两表对比分析，针对本文算例深圳（福田）******项目外脚手架设计，可以得到下述结论：A、由于风荷载的影响，外脚手架的外立杆承载能力是外架设计的控制位置。B、按外立杆承载能力控制，在离地高度超过24米的位置，可搭设高度即小于50米。C、离地高度大于24米后，可搭设高度迅速降低，并远小于《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》建议的50米，相应脚手架就必须采用有效的卸载措施，并专门设计。D、内立杆由于有充分的承载富裕，卸载节点不用专门设计，仅考虑构造性的加强措施即可。四、卸载一次后的可搭设高度在上文的分析中，我们看到，当离地150m的时候，脚手架的可搭设高度仅有26米，不能满足通常的施工要求，必须采取卸载措施。本文对具体卸载结构设计及作用机理不作探讨，仅计算经卸载一次（指非截断式卸载，如钢丝绳拉结等）后的脚手架可搭设高度。根据《建筑施工手册》中有关卸载装置的有关论述（5-1-3-6）“卸载装置按其承载能力的一半分配上部荷载且不超过荷载的1/3”。经过计算分析，一次卸载时节点位于脚手架全高2/5高度位置时具有较大的经济性，在该位置卸载能够保证底部立杆稳定性的情况下卸载节点位置的立杆安全并略有富裕。按照卸载节点位于全高2/5位置并能够承担上部1/3荷载情况，计算按外立杆稳定性控制的不同离地高度脚手架可搭设高度如下：离地高度(m)51520305060100150200原计算(m)53.153.151.047.744.440.533.126.020.5卸载一次(m)63.658.448.639.131.8如上表示计算数据，虽然风荷载对脚手架可搭设高度造成了很大影响，但经过一次卸载后，脚手架可搭设高度能够得到相当的提高，要使脚手架搭设到比表列数据更高的高度，则需要进行第二次卸载。但笔者建议卸载结构作为承载作用的时候，不要超过两次，并且即使卸载，外脚手架搭设总高度也不宜高过60米。另外，即使根据计算可以达到较大的搭设高度，在脚手架搭设高度超过30米的时候，建议根据钢管新旧情况、工人工艺水平等因素除