装配式混凝土结构桁架式悬挑外防护架技术研究与应用

随着装配式混凝土结构体系设计与施工技术的快速发展和不断完善，高层装配式混凝土剪力墙结构体系得到了大面积推广应用。由于建造方式不同，装配式混凝土剪力墙结构施工过程中采用的独立支撑、斜支撑等临时支撑体系、工具式模板体系及施工安装用外防护体系与传统现浇结构的模板脚手架系统有较大差异。装配式混凝土结构施工前应根据设计要求和安装方案验算其配套模架体系，验算时应综合考虑施工荷载、自重、风荷载及预制构件安装工况下的不利组合。本文介绍用于装配式混凝土剪力墙结构安装的桁架式外防护结构体系的计算要点、主要构造措施及该类外防护体系在装配式结构中的应用。1、桁架式悬挑外防护架的构造装配式混凝土结构的施工安装可采用的外防护体系主要包括工具式三角悬挑架、桁架式悬挑外防护架、附着式升降电动脚手架、电动升降平台及双排落地式脚手架等，目前前三类外防护体系在多层及高层装配式混凝土剪力墙结构中应用较多。桁架式悬挑外防护架（图1）由一种桁架式型钢架、穿墙螺栓、卸荷钢丝绳（也称保险钢丝绳）及双排脚手架、型钢梁、U形钢筋、防护网及连墙件等组成。每层桁架可承担多层外防护架体，结构简单，受力明确，桁架式型钢架的安装对现场预制构件的施工影响较小，起重机吊次占用少。图1 桁架式悬挑外防护架桁架式型钢架（以下简称型钢架）的立杆、横杆、斜杆和腹杆所用钢材应采用质量等级不低于Q 235 B级的钢材。型钢架的立杆、横杆、斜杆和腹杆间的焊缝连接质量应满足GB 50205—2020《钢结构工程施工质量验收标准》的要求。2、施工验算要点桁架式悬挑外防护架体系的施工验算主要包括上部双排脚手架、型钢梁以及底部桁架式型钢架的计算。作为一种新型外防护结构体系，其脚手架部分的综合安全系数值应不小于2.2，综合安全系数值应按GB 50210—2016《建筑施工脚手架安全技术统一标准》的相关规定进行计算。2.1 双排脚手架计算桁架式悬挑外防护架体系的上部一般采用双排扣件式脚手架，应完成以下计算。（1）根据规范要求，计算纵、横向水平杆的内力和挠度时，纵向水平杆可按三跨连续梁进行计算，相应计算跨度取立杆纵距，横向水平杆按简支梁进行计算，相应计算跨度取立杆横距。（2）立杆长细比校核及立杆稳定性计算。（3）连墙件杆件的强度及稳定性计算，以及连墙件支座承载力相关计算。2.2 型钢梁及底部桁架式型钢架计算桁架式悬挑外防护架体系的型钢梁需根据具体布置情况，按多跨连续梁进行承载力及挠度计算。底部桁架式型钢架应进行杆件的承载力及稳定性验算、穿墙螺栓承载力和螺栓孔处混凝土局部抗压强度计算。以某机场噪声区安置房及配套设施项目某装配式混凝土住宅为例，根据架体布置及荷载分布选择受力较不利的外防护架体，采用MIDASGEN软件对底部桁架式型钢架及型钢梁进行计算，计算模型见图2所示。桁架式型钢架采用Q 235 B级方钢焊接形成整体桁架式三角架，型钢梁为Q 235级工字钢。MIDAS模型中架体与剪力墙采用螺栓连接，模型中设置为铰接；架体底部与墙体混凝土接触处设置为单侧受压约束，从而限制型钢架相对于墙体的变形，双排脚手架立杆处作为竖向集中荷载加至桁架式型钢架的相应位置。图2 MIDAS计算模型（计算机截图）正常使用极限状态标准组合工况下，模型中型钢架杆件及型钢梁的最大挠度为1.60 mm（图3），满足JGJ 130—2011《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》规定的挠度限值：[ν]=l/250=16.8 mm要求，其中对悬挑构件，l取其悬挑长度的2倍。图3 位移变形（计算机截图）承载能力极限状态荷载效应基本组合工况下，模型中型钢架杆件及型钢梁的最大应力为115MPa＜215 MPa（图4），满足Q235级钢材的强度要求。图4 应力（计算机截图）在承载能力极限状态荷载效应基本组合工况下，模型中型钢架穿墙螺栓受到的最大拉力Nt=74.2 kN，最大剪力Nv=50.6 kN（图5），实际工程项目中采用的螺栓为8.8级的B级普通螺栓，直径为30 mm，受拉承载力设计值Ntb=224.46 kN，受剪承载力Nvb=226.19 kN，同时承受剪力和拉力的螺栓承载力验算结果满足规范要求。图5 支座反力（计算机截图）参考JGJ 202—2010《建筑施工工具式脚手架安全技术规范》，对桁架式悬挑外防护架体系的穿墙螺栓孔处混凝土进行承载力验算，结果表明，穿墙孔处混凝土受压状况可满足规范要求。3、技术要点与构造措施3.1 预制悬挑构件考虑到对装配式混凝土剪力墙结构中的预制空调板、阳台板等悬挑构件部位，桁架式外防护体系应进行避让，该部位型钢架一般采用悬挑较大的特定架体，其型钢架悬挑跨度一般为2~3 m。上述部位的预制悬挑构件的支撑宜采用承插式脚手架等，架体与主体结构应有可靠的刚性拉接。3.2 型钢梁该结构体系中桁架式型钢架顶部一般采用工字型钢梁作为脚手架立杆基础，通过U形筋及螺母固定型钢梁。每个型钢梁与型钢架间应设置不少于3个锚固点，即通过不少于3个U形卡环进行锚固。每个型钢梁应独立搭设，不得与相邻型钢梁焊接。型钢架顶部放置型钢梁前应通过调平垫片进行抄平；根据上部双排脚手架位置，型钢梁上应焊接直径不小于25 mm的定位钢筋，双排脚手架立杆应插入定位钢筋内部。3.3 连墙件连墙件与主体结构应采用刚性连接，每2步3跨应布置不少于1套连墙件，其中施工电梯、卸料平台等外防护架体开口处两侧各布置1套连墙件。连墙件应设在双排脚手架主节点处，当与主节点存在偏离时，偏离应不大于300 mm。连墙件应采用扣件与主体结构拉结，当单扣件承载力不满足要求时可选用双扣件连接、螺栓连接或焊接等方式。连墙件应水平设置，并与架体内外排立杆连接。窗洞口位置可利用钢管与洞口形成整体并与外侧架体连接；两侧山墙及无窗洞口部位，可在预制外墙板或墙体后浇区预留螺栓孔，并采取可靠措施与架体进行可靠连接。3.4 卸荷钢丝绳作为外防护架体的安全措施，桁架式悬挑外防护架体系的卸荷钢丝绳不参与架体受力计算，应采用公称抗拉强度不小于1 770 MPa，且直径不小于15.5 mm的钢丝绳，钢丝绳与型钢梁的水平夹角应不小于45°。卸荷钢丝绳与主体结构拉结的吊环应使用HPB 300级钢筋，其直径不宜小于20 mm，吊环预埋锚固长度应符合现行国家标准GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中钢筋锚固的规定。卸荷钢丝绳用穿墙孔可在预制墙体构件或现浇墙体构件内预留，其直径一般不小于24 mm，用于固定钢丝绳，且穿墙孔距离现浇构件端部不小于100 mm。4、施工安装桁架式悬挑外防护架体系的主要施工工艺流程为：悬挑防护架安装位置及立杆位置定位→悬挑外防护型钢架安装→型钢梁焊接立杆定位筋→型钢梁铺设→U形筋与型钢架连接固定→卸荷钢丝绳固定（一般在上层墙体施工完毕后）→放置纵向水平杆、立杆及剪刀撑→设置连墙件（如暂不能设置连墙件时应搭设抛撑）→铺脚手板→安装防护栏杆、挡脚板→挂密目式安全网或硬质外防护（图6）。图6 桁架式悬挑外防护架体系桁架式悬挑外防护架体系搭设前，应测设悬挑防护架安装位置及立杆定位控制线，一般在楼板结构标高下900 mm处为型钢架第一道穿墙螺栓，每个型钢架由两道穿墙螺栓与墙体连接。型钢架安装时应借助塔式起重机，按平面布置图及立面图安装至准确位置。安装时穿墙螺栓应从墙内向外穿出，微调承重架的水平及竖向位置，以保证型钢架与主体结构可靠连接，待调整就位后拧紧穿墙螺栓的螺母，摘除塔式起重机吊钩。桁架式悬挑外防护架体系的上部双排脚手架随结构施工进度逐层向上搭设，每层架体均须通过连墙件与主体结构进行可靠拉结。在有机房的位置，需搭设至机房层顶，此时架体应与结构设置可靠拉结。5、结束语本文对桁架式悬挑外防护体系的体