悬挑钢管外脚手架计算及施工方法

（一） 方案选择
本工程悬挑外架采用工字钢、钢管、扣件、安全网、钢丝绳等材料进行搭设。
（二） 施工工序：
悬挑层施工预埋→穿插工字钢→焊接底部定位钢筋→搭设架体→加斜拉钢丝绳→铺钢筋网、安全网。
（三） 搭设方式：
搭设方式如下图所示，搭设范围见架空层悬挑外架布置图。
（四）技术细节
1、在架空层板筋绑扎之前，按架空层悬挑外架布置图埋设悬挑外架用钢筋，其包括板面穿插工字钢用钢筋、外架转角处支撑钢筋。
2、须待悬挑层砼达到设计强度时方可穿插工字钢搭设上部外架。
3、悬挑架立杆间距分别为：纵向间距见架空层悬挑外架布置图，横向@1050，横杆步距1800。
4、为了保证外架立杆间距均匀，架身美观整齐。外架起步架子制作成简易桁架，以便调节立杆间距并确保立杆荷载传递到工字钢上。
5、工字钢上每根立杆下双钢管并排，每一立杆均落在并排双钢管上，套在与钢管焊接的钢筋支座上。具体做法详见下图。
6、每层设连墙杆，连墙杆连接方式详见下图，连墙杆每隔6000左右设立一道。
7、转角处外架由于无法挑工字钢，则采用钢筋支撑，每隔二层卸载的方式搭设，如下左图所示。需用此种方法处理的外架位置见架空层处架布置图：
大横杆距工字钢面200mm开始搭设。相邻步架的大横杆应错开布置在立杆的里铡和外侧。
立杆和大横杆必须用十字扣件扣紧，不得隔步设置或遗漏。
10、小横杆贴近立杆设置，搭于大横杆上。在立杆之间可根据需要加设小横杆，但在任何情况下均不得拆除贴近立杆的小横杆。
11、剪刀撑沿架高连续布置，斜杆与地面夹角为45ο~60ο，每6根立杆开始加设，剪刀撑的斜杆除两端用旋转扣件与外架相连外，在其中间应增设2～4个扣结点。
12、每一悬挑段铺钢筋网板层数不得超过8层，作业层为两层。
13、立杆、大横杆的接头位置如上右图所示，架设时应注意挑选钢管长度。
14、水平斜拉杆，设置在有连墙杆的步架平面，人，以加强外架的横向刚度。
15、悬挑架外围满挂安全网。
（五）安全防护
应在安全人员和技术人员的监督下由熟练工人负责搭设；脚手架的检查分验收检查、定期检查和特别检查；使用中要严格控制架子上的荷载，尽量使之均匀分布，以免局部超载或整体超载；使用时还特别注意保持架子原有的结构和状态，严禁任意拆卸结构杆件和连墙拉结及防护设施。
挑外架防坠棚：在每次悬挑架开始层搭设，采用挑檐的形式，用于防止重物直接坠落。



（六）注意事项
1、 按照规定的构造方案和尺寸进行搭设。
2、 及时与结构拉结或采用临时支撑，以确保搭设过程安全。
3、 拧紧扣件。
4、 有变形的杆件和不合格扣件（有裂纹、尺寸不合适、扣接不稳等）不能使用。

5、搭设工人必须配挂安全带。随时校正杆件垂直和水平偏差，避免偏差过大。 6、没有完成的外架，在每日收工时，一定要确保架子稳定，以免发生意外。
7、外架的防雷措施，采用常用的镀锌管接地方案。在雷雨天施工时，一般情况下不允许工人在架子上施工操作。
（七）悬挑外架计算：
1、主要材料及力学参数：
18厚工字钢：容重24.13kg/m，截面抵抗矩WX=185.4cm3, SX=106.5cm3, 抗弯容许应力[б]m=215 N/mm2, [б]v=205 N/mm2 。
Φ48×3.5mm钢管：容重3.82kg/m，截面抵抗矩WX=5.08cm3,回转半径i=1.5cm，截面积A=4.89cm2, 抗弯容许应力[б]m=205 N/mm2 。
2、主要技术参数：
悬挑外架高度为：28.0m。
立杆纵距a=1.5m，立杆横距b=1.05m，步距h=1.80m，内立杆距墙b==0.3m。外架与建筑主体结构连接点的布置，竖向间距H1=2.8m，水平距离H2=4L=6.0m。
斜拉钢丝绳每隔五层卸载，间距L2=a=1.5m。
脚手架钢脚手板铺设层数为六层。方案设计中，脚手架上铺设钢筋网板共八层，经验算八层钢筋网板荷载远小于六层钢脚手板荷载，因此，计算取值以六层钢脚手板为准，便于查表计算。
3、荷载计算：
（1）垂直荷载的传递路线：
施工荷载→钢脚手板→小横杆→大横杆→通过扣件抗剪→立杆简易桁架→悬挑工字钢。
（2）荷载取值：
① 结构施工用脚手架施工活荷载标准值取为：qk=3.0KN/m2。
② 作用于外架的风荷载标准值：（见高层建筑施工手册公式4-4-1）
ω = 0.75β2μzμstwω0
其中，ω0——基本风压值，取0.50KN/m2
β2——风振系数，取1.0。
μz——风压高度变化系数，取1.72。
μstw——风压体型系数，查表得0.2496。
∴ ω = 0.75×1×1.72×0.2496×0.5 = 0.161(KN/m2)
③ 恒载
钢脚手板自重245 N/ m2
钢管自重3.82 kg/m
扣件自重9.8 N/个
（3）荷载分项系数的选择：
永久荷载的分项系数，采用1.20。
可变荷载的分项系数，采用1.40。
脚手架验算。
① 小横杆验算：
小横杆受力按简支梁计算，其上承受施工荷载，钢脚手板荷载，小横杆自重。同时，由悬挑架设计可知小横杆间距500。则荷载组合值为：
q = 1.2×(3.82×9.8×10-3+0.245×0.5)+1.4×3.0×0.5 = 2.36 KN/m
跨中弯矩为：M = —— ql2 = ——×2.36×1.052 = 0.33KNm
M 0.33×106
小横杆受弯应力为：б= — = ———— =64.96 N/mm2 <[б]=205N/mm2
W 5.08×103
符合要求。
1 1
其支座反力为：N = —— ql = ——×2.36×1.2 = 1.42KN
2 2
② 大横杆验算：
大横杆受力按三跨连续梁考虑，其上承受小横杆传来压力及自重。且大横杆间距为1.5m。
由小横杆传来压力产生的最大弯矩为：
M1 = 0.311×N×1.5 = 0.311×1.42×1.5 = 0.662KNm
由大横杆自重产生的最大弯矩为：
M2 = 0.117ql2 = 0.117×3.82×10-3 ×1.502 = 0.001KNm
M1+ M2 （0.662+0001）×106
则：б= ——— = ————————— = 130.52 N/mm2 <[б]=205N/mm2
W 5.08×103
符合要求。
③ 立杆验算：
立杆设计由稳定计算控制，脚手架的稳定计算必须计算其结构的整体稳定及单杆的局部稳定。
计算脚手架的整体稳定及单杆局部稳定时，其强度设计值应乘以相应的调整系数KHKA，其中KH为与脚手架的高度有关的调整系数，取
1 1
KH = ——— = ———— = 0.781；
1+ H 1+ 28
—— ——
100 100
KA为与立杆截面有关的调整系数，当脚手架内、外排立杆均采用单根钢管时，取KA = 0.85。
a. 整体稳定验算：
脚手架的整体稳定按轴心受力格构成压杆计算，当考虑风荷载时，需满足如下公式的要求：
N M
—— = ——— ≤ KAKH[б]
ΨA bA
其中，N——格构式压杆的轴心压力。由立杆纵距1.5m；外架步距1.8m，查《高层建筑施工手册》表4—4—4得脚手架自重产生的轴力NGK1=0.442KN。由立杆横距1.02m；立杆纵距1.5m；脚手架铺设层数六层，查《高层建筑施工手册》表4—4—5得脚手架附件及物品重产生的轴力NGK2=4.185KN。由立杆横距1.02m；立杆纵距1.5m；均布施工荷载3.0KN/m2，查《高层建筑施工手册》表4—4—6得一个纵距内的脚手架施工、荷载标准值产生的轴力NQK=6.30×2=12.60KN。
则：N=1.2(n1NGK1+ NGK2)+ 1.4NQK
28
=1.2 × 〔—— × 0.442 + 4.185 〕+ 1.4×12.60 = 30.93KN
1.8
M——风荷载作用对格构成压杆产生的弯矩，为：
Qh12 0.161×1.82
M = ——— = ————— = 0.065KNm
8 8
Ψ——格构压杆的整体稳定系数，由换算长细比
λcx=μλx=25×10.28=257，查《高层建筑施工手册》表4—4—7得
ψ=0.242。
N M 30.93×103 0.065×106
则： —— + —— = ———————— + ————————
ΨA bA 0.242×4.89×2×102 1050×4.89×2×102
= 130.68 + 0.0633 = 130.74N/mm2
＜ KAKH[б] = 0.781×0.85×205 = 136.13N/mm2
符合要求。
b. 单杆局部稳定验算：
双排脚手架单杆局部稳定需满足如下公式要求：
N1
—— +бM ≤ KAKH[б]
Ψ1A1
N
其中， N1——单根立杆的轴心压力，取N1=—— = 15.46KN。
2
Ψ1——立杆稳定系数，由λ1= h/I = 180/15 = 120，查《高层建筑施工手册》表4—4—7得Ψ1 = 0.452。
бM ——操作层处水平杆对立杆偏心传力产生的附加应力。当施荷载取3000N/m2时，取бM = 55 N/mm2
N1 15.46×103
—— +бM = ———————— + 55
Ψ1A1 0.452×4.89×102
=124.95 N/mm2 ＜ KAKH[б] = 135.92 N/mm2
符合要求。
④ 连墙点抗风强度验算：
风荷载对每个连墙点产生的拉力或压力
Nt = 1.4H1L1ω = 1.4 × 2.8 × 6.0 × 0.161 = 3.79 KN
单个扣件连结的抗压或抗拉设计承载力为6KN/个，符合要求。
⑤ 高度验算:
由悬挑工字钢上的每段脚手架最大搭设高度,按《高层建筑施工手册》公式4—4—11计算:
H
HMAX ≤ ————
1+ H
—— 100
KAΨAf-1.30(1.2NGK2+1.4NQK)
其中，H = —————————————?h
1.2NGK1
0.85×48.491-1.3(1.2×4.185+1.4×12.60)
= ———————————————————?1.8 = 39.91
1.2 × 0.442
ΨAf由《高层建筑施工手册》表4—4—10查得为ΨAf = 48.491。
H 39.91
则：最大允许搭设高度HMAX = ——— = ————— = 28.50 m ＞28 m
1+ H 1+ 39.91
—— ———
100 100
符合要求。
⑥ 分段卸荷措施：
分段卸载措施采用斜拉钢丝绳的方法，起步架卸载一次，每隔五层卸载一次，卸载高度为2.8×5=14.0m，符合搭设高度要求。下面验算钢丝绳的强度要求。
a.所卸荷载，应考虑架子的全部荷载由卸载点承受，本工程的每个纵距，共有4个斜拉点，每个吊点所承受荷载P1为：
N 30.93
P1= —— × KX = ——— × 1.5 = 11.60 KN
4 4
式中KX 为荷载不均匀系数，取为1.5。
b.计算简图确定，钢丝绳内力计算。
计算简图如下图所示
2.82+ 1.352
则：TAO= P1 × —————— = 1.11P1 = 12.88 KN
2.8
1.35
TAB = - P1 × ———— = - 0.48P1 = - 5.57 KN
2.8
2.82+ 0.32
TBO= P1 × —————— = 1.006P1 = 11.67 KN
2.8
0.30
TBC = -〔P1 × ——— + TAB 〕= - 6.81 KN
2.8






c. 验算钢丝绳抗拉强度：
由上计算可知，钢丝绳的计算拉力取为：PX = 12.88 KN
考虑钢丝绳受力不均匀的钢丝破断拉力换算系数，从《高层建筑施工手册》表4—4—13查得，为α= 0.85。
取钢丝绳使用的安全系数，查《高层建筑施工手册》表4—4—24得
K= 8。采用6×19，绳芯1钢丝绳。
KPx 8×12.88
Pg= —— = ————— = 121.22 KN
α 0.85
选用Φ15.5，Pg = 125.0 KN ＞ 121.22 KN。
选择与钢丝绳配套使用的卡环，号码为2.7号，安全荷重为27 KN ＞ 12.88 KN , 符合要求。
d. 计算工程结构上的预埋吊环：
根据《砼结构设计规范》规定，吊环采用一级钢制作，吊环埋入深度不应小于30d，并应焊接或绑扎钩住结构主筋，每个吊环可按两个截面计算。
则：吊环钢筋截面积
2PX 12.88×2
Ag= ——— = ———— × 1000 = 61.33 mm2
2×210 420
选用3Φ8，Ag = 151 mm2 ＞ 61.33 mm2。
符合要求。
e. 验算吊点处扣件抗滑承载能力：
吊点处水平方向分力最大值TBC = 6.81 KN，垂直方向分力最值为11.60KN, 都只需两个扣件即可满足要求，搭设的外架在吊点处已有两个扣件，符合要求。
5、脚手架承重结构计算：
①由于本工程为剪力墙结构，结构上不允许将工字钢穿设在结构暗柱上，导致工字钢间距不均匀，为了便于调节立杆间距保持外架美观，则采用制作简易钢管桁架落在工字钢上的办法。（详见方案）
由此，需验算钢管桁架的承受能力。
考虑最不利情况，计算简图如下：F = 15.46KN。
由此计算而得的杆件内力及工字钢反力如下图所示：
由此，需计算压杆的稳定设计荷载。
考虑由于施工原因，对杆件会形成初偏心30mm，形成压弯受力杆，钢管受力按压弯失稳计算。其设计荷载应满足下列要求：
N βmMX
—— + ———————— ≤ [б]m
N
ΨA WX〔1-0.8——〕
NEX
1 1
两端铰支，l0= ——l = —— × 0.92+0.752 = 0.59 m ,
2 2
l0 590
则λ= —— = —— = 37.34 ,
i 15.8
查钢结构设计规范得：Ψ = 0.948。
等效弯矩系数取：βmx = 1.0。
截面塑性发展系数数：γx = 1.15。
π2×2.06×105×4.89×102
欧拉临界力：NEX =π2EA/λ2 = ——————————— = 713.60KN。
37.342
则有：
N 1.0×30×N
——————— + ——————————————— = 205。
N
0.929×4.89×102 1.15×5.08×103〔1-0.8× ———〕
713060
解得荷载设计值为：N = 28.11 KN
符合要求。
②承重工字钢验算：
计算模型
不考虑工字钢的自重荷载，仅考虑外架传递荷载，简化模型如上图：
仅考虑工字钢的自重荷载，简化模型如下图：
荷载计算
由以上计算可知：F1 = F2= 15.46KN
1.2×24.14×9.8
工字钢自重荷载q = ——————— = 0.284 KN/m
1000
b.内力计算：
A点是弯矩、剪力最不利用点。
不考虑工字钢自重荷载，考虑外加传递荷载。
MA架 = F1 × L1 + F2 × L2 = 15.46×1.36 + 15.46×0.3 =25.51 KNM
QA架 = F1 + F2 = 15.46 + 15.46 = 30.92 KW
仅考虑工字钢自重荷载。
1 1
MA工 = — ql2 = — × 0.284×1.42 = 0.278 KNm
2 2
QA工 = ql = 0.284×1.4 = 0.40 KN
综合考虑。
MA = MA架+ MA工 = 25.51+0.278 = 25.79 KNm
Q = QA架+ QA工 = 30.92+0.4 = 31.32 KN
强度验算。
MA 25.79×102
б= —— = ————— = 139.09 N/mm2 ＜ [б] m = 215 N/mm2
WX 185.4×103
QA?SX 31.32×103 ×106.5×103
τ= ——— = ————————— = 30.75 N/mm2 ＜ [б] V = 125 N/mm2
IXtw 1669×104×6.5
满足要求。
d.锚固抗拔筋验算：
由以上计算可知，F1 = F2= 15.46KN，q = 0.284 KN/m，则锚固点的抗拔力为：
1.42 1.52
F1×（1.05+0.3）+ F2 × 0.3 + q×—— - q × ——
2 2
FB= ————————————————————————— = 16.88 KN
1.5
同时，此抗拔筋按锚固拉环考虑，拉应力不应大于50N/mm2,则抗拔筋截面积为：
FB 16.98×103
Ag= ——— = ————— = 169.80 mm2 ,符合要求。
2×50 2×50
采用Φ25钢筋，Ag = 490.9 mm2 ＞169.80 mm2 符合要求。