型钢悬挑脚手架设计施工问题探讨

型钢悬挑脚手架是我国高层建筑施工中普遍应用的一种外脚手架形式，它是在高层建筑物的外面分段搭设钢管脚手架，每段脚手架由固定在楼面上并悬挑出建筑物的工字钢梁支承。施工时，首先在混凝土楼面上预埋U形拉环，然后通过U形拉环将工字钢梁固定一段在楼面上、悬挑一段在楼面外，最后在工字钢梁的悬挑段上搭设钢管脚手架。

由于这种脚手架安全可靠、施工简单、成本低廉，在高层建筑施工中得到了广泛应用。JGJ130—2011《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（以下简称《规范》）对型钢悬挑脚手架提供了具体的设计计算方法与构造要求，一些工程技术人员也对其工程应用进行了总结。针对《规范》中型钢悬挑脚手架设计计算与构造的规定，结合工程施工中的应用经验，对几个问题进行探讨，以便为规范的修订提供参考。

1　型钢悬挑梁设计计算模型与参数取值

1.1　《规范》模型与参数取值

型钢悬挑梁是支撑脚手架立杆的关键受力构件，整个脚手架的竖向荷载都需要通过悬挑型钢梁传递给建筑物楼面。

《规范》规定，型钢悬挑梁尾端应在两处及以上固定于钢筋混凝土梁板结构上，一般工程中型钢梁的锚固情况如图1所示，计算时采用简支伸臂梁计算模型，将锚固段端部的两处锚固简化为一个拉锚支座，取该两处锚固的中点为支座位置，其计算模型及参数取值如图2所示。

图1　型钢悬挑梁在混凝土楼面上的锚固示意

图2　根据《规范》型钢悬挑梁的计算模型

1.2　弹性锚固模型数值分析

为了验证《规范》模型的适用性，考虑型钢悬挑梁锚固段端部的两个U形拉环的锚固刚度，将其简化为两个弹性支座，如图3所示。

图3　考虑U形拉环锚固刚度的计算模型

采用SAP2000作为计算工具，取各计算参数为：型钢悬挑梁采用Q235的16号工字钢，弹性模量为2×1011Pa，不考虑型钢悬挑梁的自重；脚手架内立杆荷载 P 1=8kN，外立杆荷载 P 2=12kN。对图3的计算模型，U形拉环采用不同的锚固刚度对其受力情况进行计算对比，计算结果见表1。

表1　计算模型中拉环受力结果对比（N，以拉力为正）

从表1中可以看出：（1）当U形拉环的锚固刚度很小时（0.1~1kN/mm），两个拉环皆受拉力，且两拉环拉力大小差距不超过15%；（2）当U形拉环锚固刚度达到10kN/mm时，两个拉环所受的拉力值已差别巨大， R 2的拉力已是 R 1拉力的1.64倍，且 R 2所受拉力比图2规范模型计算的拉力已高26%，按图2规范模型计算结果已严重低估了 R 2所受拉力。（3）当U形拉环锚固刚度达到50kN/mm时， R 1拉环已不受拉力，反而是受压力了， R 2所受拉力已大于图2规范模型中两个拉环所受拉力之和。

在实际工程中，一般按照规范要求，U形拉环采用直径16mm以上的HPB300钢筋制作，压板采用L63mm×6mm等边角钢制作。综合考虑U形拉环的受拉轴向变形和角钢压板的弯曲变形，其锚固刚度为100kN/mm以上，在此锚固刚度下，型钢悬挑梁的上拔力将全部由 R 2拉环承担，因此《规范》中考虑两个U形拉环共同承受上拔力的假设存在安全风险。

可见《规范》中将型钢悬挑梁锚固段端部的2个U形拉环简化为1个锚固支座的计算模型，只有在这两个U形拉环对型钢悬挑梁的锚固刚度较小时才符合实际，如果每个U形拉环对梁的锚固刚度很大，则两个U形拉环的受力将完全不同，极端情况是将这两个U形拉环视为刚性的支座，则后面的拉环（ R 1）将不仅不承受拉力、反而是承担压力，前面的拉环（ R 2）不仅承受全部的上拔力，甚至比图2规范模型中两个拉环所受拉力之和还大。对于R2来说是不安全的。

1.3　修正模型参数取值

基于前述数值分析结果，建议对《规范》中的型钢悬挑梁计算模型进行修正：（1）仍然采用图2所示的简支伸臂梁计算模型，但简支锚固段跨度改为从 R 2拉环到前支点 R 3的距离，即在本示例中改取1400mm。（2）U形拉环的上拔力全部由 R 2拉环承担， R 1拉环仅作为安全储备措施。按照修正的参数取值，型钢悬臂梁的简支锚固段计算跨度将缩短100?mm，且只由一个拉环承担上拔力。按此计算本文示例脚手架，得到U形拉环 R 2承担的上拔力为13.429kN。

2　U形拉环锚固承载力计算方法

2.1　《规范》对U形拉环锚固承载力计算的缺失

U形拉环是型钢悬挑脚手架最重要的受力构件，根据受力情况，其本身抗拉承载力以及在混凝土楼板中的锚固承载力直接关系到脚手架的安全，必须分别进行验算。但是在《规范》中，只对其本身抗拉承载力验算方法进行了规定，缺失对其在混凝土楼板内锚固承载力验算方法的规定。而在一般工程中，U形拉环本身抗拉承载力远远大于其在混凝土楼板上的锚固承载力，如直径16mm的HRB300钢筋U形拉环，其双肢本身总抗拉承载力达108.5kN。因此实际控制脚手架安全的是拉环在混凝土楼板上的锚固承载力。

在一些安全计算软件中，补充了U形拉环的锚固承载力验算，但其验算方法是设定拉环钢筋与混凝土的粘结强度（一些软件默认为2.5MPa）、再验算锚固长度是否满足要求。由于《规范》中规定两个U形拉环同时受力，一般工程中拉环受力较小，所需锚固长度很短，即使楼板混凝土只有100mm厚，其预埋的锚固深度只有数十毫米也能满足这种方法的计算要求。这种验算方法其实避开了U形拉环锚固承载力计算问题，并且存在较大的安全风险。

2.2　U形拉环锚固承载力计算模型与方法

U形拉环的锚固特征是在楼板内的竖直锚固段长度极短。相关钢筋拉拔试验研究表明，钢筋粘结效果随锚固深度变化，离拉拔界面越浅，其最大粘结应力越小。因此，U形拉环在直锚长度内很难提供有效的粘结锚固力。在我国相关的文献中，尚未发现针对U形拉环这种锚固条件的试验数据。相关梁柱节点内直弯钩钢筋锚固试验表明，当直弯钩两端的直锚段都过短时，整个锚固端及其周围的混凝土将被从试件中拉脱，呈现局部拉脱式 破坏。 U形拉环可视为两个直弯钢筋的组合，根据其锚固特征，破坏形式也将是混凝土局部拉脱式破坏。 按照混凝土局部拉脱式破坏模型，假定U形拉环的拉脱体为三棱柱，其形状及具体尺寸取值如图4所示，其横截面及受力如图5所示。

图4　U形拉环锚固破坏三棱柱拉脱体

图5　三棱柱拉脱体横截面及受力分析

3　斜拉钢丝绳

《规范》规定：每个型钢悬挑梁外端宜设置钢丝绳或钢拉杆与上一层建筑结构斜拉结。钢丝绳、钢拉杆不参与悬挑钢梁受力计算。也就是说，钢丝绳是作为安全储备的保障措施而设置。在实际工程中，设置斜拉钢丝绳存在较多不便：首先，斜拉钢丝绳本应同型钢悬挑梁正对设置，但这就同竖立在钢梁上的脚手架立杆位置冲突，因此钢丝绳设置时只能避开立杆位置，即不再同型钢梁对正，此时钢丝绳受力将使型钢悬挑梁侧向受拉，反而不利于悬挑梁的稳定。其次，在施工过程中，钢丝绳很难规范设置，常因各种原因无法张紧，甚至还有钢丝绳转折现象，很难起到安全储备的作用，成为一道费工费成本却很难发挥作用的措施。由于《规范》在规定斜拉钢丝绳时用词是“宜”，因此建议取消设置斜拉钢丝绳的规定。

4　结论

型钢悬挑梁端部的两个U形拉环并不能同时受力，《规范》中考虑其同时受力的计算模型不够安全，宜取前一个拉环为受力构件，后一个拉环作为安全储备。U形拉环本身的抗拉承载力远远大于其在楼板内的锚固承载力，其锚固承载力才是关系到脚手架安全的关键点，设计计算时必须验算其锚固承载力。斜拉钢丝绳既不便设置，也很难起到的安全储备的作用。为了简化施工，建议取消斜拉钢丝绳。