24米斜拉式悬挑扣件钢管脚手架设计与计算.docx

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24米斜拉式悬挑扣件钢管脚手架设计与计算

24米斜拉悬挑脚手架

设计与计算

江苏省苏中建设集团股份公司

第二工程处

2004年12月18日

东方石化园

24米斜拉式悬挑扣件钢管脚手架设计与计算

张哲

江苏省苏中建设集团股份有限公司第二工程处

提要：

脚手架在建筑施工中占有特别重要的地位，选择与使用的合适与否，不但直接关系到施工作业的安全进行，而且也关系到工程质量、施工进度和项目成本。

它是建筑施工技术措施中最重要的环节之一。

济南东方石化园9号高层住宅楼所用的24米斜拉式悬挑扣件钢管脚手架，效果比较好。

本文就该脚手架的设计与计算作详细介绍。

一、工程概况

东方石化园区一期工程9号高层住宅楼位于济南市工业南路36号，该工程为现浇钢筋混凝土筏板基础、剪力墙结构，地上20层，地下1层，标准层层高为2.9米（其中6层、17层、20层层高3.1米），主体结构高度约58.7米。

二、搭设方法与主要参数

本工程脚手架采用全封闭分段悬挑双排外脚手架，计划在二层平面设第一道槽钢悬挑、钢丝绳斜拉结构，在九层平面设第二道槽钢悬挑、钢丝绳斜拉悬挑结构，在十六层平面设第三道槽钢悬挑、钢丝绳斜拉悬挑结构；分别在六层、十三层、十九层进行钢管斜撑，钢丝绳斜拉卸载。

脚手架选用ф48×3.5钢管和扣件搭设成双排架，其横距为la＝1.05米；纵距为lb＝1.5米，内立杆距外墙0.35m，外立杆距外墙面为1.4米；步距为1.8米；小横杆长度为1.5米。

脚手架下部立杆支撑在用[18槽钢制作的水平梁上，[18槽钢长度约为3.5米（阳台为5.0m），[18槽钢水平梁伸出墙面1.5米，墙内长度为2米，以增加水平梁的刚度；水平梁与建筑物采用Π型预埋件（2ф16的圆钢）焊接固定。

架与建筑物的连墙拉结:

拉筋用ф6钢筋，顶撑用ф48×3.5钢管，水平距离4.5m，竖向距离为3.6米；斜拉用6×19ф15.5钢丝绳，吊环采用ф16的圆钢制作。

脚手架第一道悬挑搭设架高度为11步，计2.9×6＋3.1＝20.5米＜［H］＝24米,第二道悬挑搭设架高度为11步，计2.9×7＝20.3米＜［H］＝24米,第三道悬挑搭设架高度为10步，计2.9×3＋3.1×2＋1.5＋1＝17.4米＜［H］＝24米,考虑高处风荷载作用，按第二道悬挑架高度计算荷载及对悬挑梁进行强度、挠度验算。

卸载钢丝绳吊点水平间距以2个立杆间距为准，即1.5×2＝3.0m；钢丝绳张拉高度为两步架高，即1.8×2＝3.6m，吊点距墙面1.4m，如附图五。

每2步设一层竹笆板，竹笆下设二道大横杆，增加竹笆稳定性。

施工作业层按2层计，每层活荷载为qk＝3kN/m2，作业层设护腰栏杆和挡脚板；脚手架立杆里侧挂密目安全网封闭施工。

连墙件按两步三跨布置，软硬连接相结合。

软连接用ф6钢筋预埋在梁、墙或异形柱内，一端与立杆主节点连接，硬连接用ф48×3.5钢管与立杆或大横杆抱住连接，如附图三。

剪力撑隔四跨沿脚手架全高设置，剪力撑之间距离不超过15米，如附图一。

由于工程楼梯施工落后楼层一层，随楼层升高设临时马道搭设在外脚手架上。

三、悬挑架的荷载取值与组合

1、每跨脚手架结构自重（包括立杆、纵、横水平杆、剪刀撑、横向斜撑和扣件）；

查（JGJ30－2001）规范表A-1得：

架体每米高度一个立杆纵距的自重gk1＝0.1284KN/m

则NGK1=H.gk1＝20.3×0.1284＝2.6065kN

2、构配件重

⑴竹笆板

竹笆板按2步设一层计，共五层，单位荷重按gk2＝0.103KN/m2计；

NGK2-1＝5×la.lb.gk2＝5×1.05×1.5×0.103×103＝811.1N

⑵栏杆、挡脚板（按7层计），查（JGJ30－2001）规范表4.2.1-2得：

NGK2-2＝7×lb×0.14×103＝7×1.5×0.14×103＝1470N

⑶安全网

单位自重gk3＝0.01KN/m

NGK2-3＝H.lb.gk3＝20.3×1.5×0.01×103＝304.5N

则NGK2=811.1＋1470＋304.5＝2585.6N＝2.5856KN

3、施工荷载

NQK=2×la.lb.qk＝2×1.05×1.5×3.0＝9.45KN

4、荷载组合

N＝1.2×（NGK1＋NGK2）＋1.4NQK

＝1.2×（2.6065＋2.5856）＋1.4×9.45＝19.461KN

四、水平悬挑梁设计

本工程悬挑架采用钢丝绳张拉型钢悬臂结构，计算时不考虑斜拉钢丝绳的作用，钢丝绳的承载力作为安全储备。

1、［18槽钢截面特性：

Wx＝140.9×103mm3,I＝934.5×104mm4,自重q＝0.1974KN/m,E＝206×103N/mm2

2、最大弯距值：

每跨斜拉悬挑架承重设计值：

Ns＝19.461KN

则最大弯距值M＝Ns.l0/2＋q.l0.l0/2

＝19.461×0.7＋0.1794×1.4×0.7＝13.799KN.m

3、强度验算

悬挑梁［18应力为：

σ=M/γ.Wx

式中γ－－截面发展系数，对［型截面，查表得：

γ＝1.05；

Wx－－对X轴的净截面抵抗距，查表得：

Wx＝116.8×103mm3

f－－钢材的抗弯强度设计值，Q235钢，取f=215N/mm2。

则σ=13.799×103/（1.05×116.8）=112.516＜f=215N/mm2,安全。

4、整体稳定性验算

根据钢结构设计规范（GBJ17-88）的规定，轧制普通槽钢受弯要考虑整体稳定性，悬臂梁跨长1.4米折算成简支梁，其跨度为2×1.4=2.8米，查附表得：

Wx=116.8×103,用插入法求得ψ=0.8514。

则悬挑梁［18弯曲应力为：

σ=M/ψ.Wx

式中ψ－－整体稳定系数，

Wx－－对X轴的净截面抵抗距，

则σ=13.799×103/（0.8514×116.8）=138.762＜f=215N/mm2,安全。

5、悬挑梁［18抗剪强度：

τ＝4N/ΥS＝4×19.461×103/（0.85×2515）＝36.41＜f=215N/mm2,安全。

6、刚度验算

ω＝N（l0/2）3/3EI

＝19.461×103×7003/（3×206×103×934.5×104）

＝1.16mm＜（l0/2）/250＝700/250＝2.8mm,安全。

7、[18槽钢后部锚固钢筋设计

⑴锚固钢筋承载力验算

吊环承受的拉力为：

Nh=（N.l0/2）/2=（19.461×0.7）/2＝6.811KN

锚固选用ф16圆钢，吊环拉应力为：

σ=Nh/A＝6.811×103/（2×0.785×162）=16.946N/mm2＜［σ］＝215N/mm2,安全。

⑵锚固钢筋的焊缝验算

由σ＝F/（lh.δ）

F－－作用与锚固钢筋上的轴心拉力设计值，F＝Nh＝6.811KN；

lh－－焊缝的计算长度，取lh＝160mm；

δ－－焊缝的计算厚度，取16mm；

则σ＝6.811×103/（160×16）＝2.66N/mm2＜［σ］＝160N/mm2

安全。

五、斜拉索力计算

1、斜拉钢丝绳卸荷设计

①斜拉钢丝绳设计部位及做法见详图；

②斜拉吊点竖向布置为每次悬挑设一道斜拉钢丝绳；

③吊点水平间距为悬挑槽钢的水平距离，为1.4米；

④斜拉钢丝绳用花篮螺栓拉紧，做到所有钢丝绳拉紧程度基本相同，避免钢丝绳受力不均匀。

⑤计算时按脚手架的荷载全部由钢丝绳承担计算。

2、斜拉钢丝绳卸荷计算

斜拉索为6×19ф15.5钢丝绳

tanα=3.6/1.4sinα＝0.932

p.sinα＝Ns则p＝Ns/sinα＝19.461/0.932＝20.881KN

验算钢丝绳的抗拉强度：

由P≤α.Pg/K

式中α－－考虑钢丝绳受力不均匀的钢丝破断拉力换算系数，取α＝0.85

K－－钢丝绳使用安全系数，K＝8

Pg－－钢丝绳破断拉力总和。

Pg≥K.P/α＝8×20.881/0.85＝196.526KN＞［N］＝125KN，安全。

钢筋吊环φ16抗拉强度：

σ=P/α.A＝20.881×103/（0.85×Π×162/4）＝122.25KN/m2＜215KN/m2，安全。

3、挠度及强度验算

因验算时按脚手架的荷载全部由钢丝绳承担计算，因此可考虑为简支构件其挠度及强度均小于悬挑构件，故不需进行验算。

六、立杆稳定性计算

1、在无风载时，由N/∮A≤KA.KH.f验算

式中N＝1.2（NGK1＋NGK2）＋1.4NQK

N－－立杆的轴心压力；

NGK1－－脚手架自重产生的轴力，高为一步距，宽为一终距的脚手架；

NGK2－－脚手架附件及物品重产生的轴力；

NQK－－一个纵距内脚手架施工荷载标准值产生的轴力；

n－－脚手架的步距数；

∮－－压杆整体稳系数，按换算长细比λcx＝μλx,由表7-7查取；

λx－－压杆长细比，由表7-8查取；

μ－－换算长细比系数，由表7-9查取；

A－－脚手架内外排立杆的毛截面积之和；

KA－－与立杆截面有关的调整系数，取KA＝0.85;

KH－－与脚手架高度有关的调整系数，当H≤25m时，取0.8；当H≥25m时，KH＝1/（1＋H/100）,则KH＝0.77；

H－－脚手架高度（m）；

f－－钢管的抗弯、抗压强度设计值，f＝205N/mm2

则N＝1.2×（2.6065＋2.5856）＋1.4×9.45＝19.461KN

立杆步距1.8米

立杆计算长度，根据建筑施工计算手册规定：

l0=1.155×1.5×180=312cm

则长细比λ=312/1.58=197.5

查建筑施工计算手册附录C，∮=0.185

立杆稳定性计算：

19461/（0.185×489×2×0.85×0.77）＝164.34N/mm2＜f=205N/mm2

安全。

2、在考虑风何载作用下，外立杆稳定性计算

考虑风载时，立杆按N/∮A＋M/W＜KA.KH.f验算

式中M－－风荷载作用对格构式压杆产生的弯距,M＝Wxh2/8计算；

Wx－－风荷载作用对格构式压杆的线荷载；

h－－连墙点竖向间距；

济南市基本风压值ω0＝0.45KN/m2，脚手架离地面高度50m处风压高度变化系数μz＝1.67

沿跨迎风面积为1.8×1.5=2.7m2

密目网的挡风系数取ξ＝0.4，则在脚手架外立杆里侧满挂密目网后，脚手架综合挡风面积为：

（1.8×1.5）×0.4=1.08m2

其综合挡风系数为μs=ψ.μ.（1＋η）

ψ查规范《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范 》取为0.089。

因立杆纵距/立杆横距＝1.5/1.05＝1.428,查规范表6.3.1取η＝1

因ω0.d2=0.45×0.0482＝0.001155＜0.002,故取μ＝1.2

则μs＝0.089×1.2×（1＋1）＝0.2136

则脚手架所承受的风载标准值为:

Wx＝0.7μsμzω0

＝0.7×0.45×1.67×0.2136=0.1124KN/m

由风荷载设计值产生的外立杆弯矩M=Wxh2/8

M=0.1124×1.82/8=0.0455KN.m

组合风载后外立杆稳定性计算：

19461/（0.185×489×2）+0.0455×106/（5.08×103）

=116.518N/mm2

七、连墙件设计

连墙拉筋用Ф6钢筋拉到剪力墙上,顶撑用Ф48×3.5钢管，具体布置详后附图四。

连墙件迎风面积：

两步三跨，Aw＝3.6×4.5＝16.2m2

作用于脚手架上的水平风荷载标准值：

ωk=0.7uzusωo

Uz—风压高度变化系数，查《建筑结构荷载规范》取1.67。

Us—脚手架风荷载体型系数，查规范《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范 》取为0.089。

ωo—基本风压为0.45KN/m2

ωk=0.7×1.67×0.089×0.45=0.0468KN/m2

由风荷载产生的连墙件轴向力设计值：

N1w=1.4ωkAw=1.4×0.0468×16.2=1.062KN

连墙件约束脚手架平面外变形所产生的轴向力No（KN）对双排脚手架取

No＝5.0

N1=N1w+No=1.062+5=6.062KN

连墙件使用两个扣件即连墙杆一侧分别与里、外立杆同时连接，另一侧在建筑物内外墙面各加两个直角扣件扣紧，连墙件所能传递的轴向力设计值为：

N=2[fv]s=2×125×3.14×32=7.06KN>N1=6.062KN

所以连墙件拉筋用2Ф6筋满足要求。

八、二次卸载设计

在六层、十三层、十九层进行钢管斜撑，钢丝绳斜拉卸载,对卸载验算，计算时按脚手架的荷载全部由钢丝绳承担计算。

1、构造设计措施

⑴吊点水平距离为3个立杆纵距，L=3×1.50=4.50米；

⑵为减少斜拉引起的水平力，避免立杆与小横杆连接扣件发生滑移，以及引起立杆向内侧弯曲变形，应使斜拉钢丝绳与水平交角尽量大，一般tanα≥2.5－4.5为宜。

本工程钢丝绳张拉高度为3.6m,吊点距墙面1.4m。

卸荷构造及受力示意图见附图五

⑶斜拉钢丝绳用手动葫芦拉紧后在固定，做到所有钢丝绳拉紧程度基本相同，避免钢丝绳受力不均匀。

⑷吊点必须在立杆与大横杆、小横杆的交点处，钢丝绳必须由大横杆底部兜紧。

⑸在吊点下方及内立杆与小横杆节点下附加斜撑杆，与钢丝绳共同受力。

⑹每个斜拉点设水平杆支撑在建筑物水平梁上，抵消斜拉钢丝绳水平方向拉力，防此脚手架水平方向变形。

2、卸荷取值与组合

⑴脚手架结构自重（包括立杆、纵、横水平杆、剪刀撑、横向斜撑和扣件）；

查（JGJ30－2001）规范表A-1得：

架体每米高度一个立杆纵距的自重gk1＝0.1284KN/m

则NGK1=H.gk1＝8.7×0.1284＝1.1171kN

⑵构配件重

①竹笆板

竹笆板按2步设一层计，共2层，单位荷重按gk2＝0.103KN/m2计；

NGK2-1＝2×la.lb.gk2＝2×1.05×1.5×0.103×103＝324.5N

②栏杆、挡脚板（按3层计），查（JGJ30－2001）规范表4.2.1-2得：

NGK2-2＝3×lb×0.14×103＝3×1.5×0.14×103＝630N

③安全网

单位自重gk3＝0.01KN/m

NGK2-3＝H.lb.gk3＝8.7×1.5×0.01×103＝130.5N

则NGK2=324.5＋630＋130.5＝1085N＝1.085KN

⑶施工荷载

NQK=la.lb.qk＝1.05×1.5×3.0＝4.725KN

⑷荷载组合

N＝1.2×（NGK1＋NGK2）＋1.4NQK

＝1.2×（1.1171＋1.085）＋1.4×4.725＝9.258KN

3、卸载结构计算

小横杆支撑于砼墙柱上以及加上连墙件的拉接，脚手架基本无侧向位移，小横杆支座可按可动铰考虑。

⑴钢丝绳的承载力验算

计算时按吊点以上荷载由钢丝绳承担，不考虑斜撑钢管的作用（作为储备）。

钢丝绳的计算拉力：

tanα=3600/1400=2.571α=68.746º

由Pxsinα＝Ns

Px=9.258/sinα=9.258/0.932＝9.933KN

钢丝绳自身的极限承载力：

若采用6×19绳芯钢丝绳，由Pl≥α.Pg/K

式中Pl—钢丝绳理论承载力；

α—考虑钢丝绳受力不均匀的钢丝破断拉力换算系数，取α＝0.85；

K－－钢丝绳使用安全系数，K＝8；

Pg－－钢丝绳破断拉力总和，查表4－4－14得：

Pg=125.0KN。

则Pl=0.85×125.0/8=13.281KN

选用15.5钢丝绳，Pl=13.28KN＞9.933KN,安全。

⑵斜撑钢管的承载力验算

计算时按吊点以上荷载由斜撑钢管承担，不考虑斜拉钢丝绳的作用（作为储备）。

ф48×3.5钢管截面参数：

截面积A＝489mm2，回转半径i＝15.8mm。

斜撑钢管的计算压力：

tanα=4000/1400=2.857α=70.71º

Pysinα＝Ns

Py＝Ns/sinα＝9.258/0.944＝9.807KN

强度验算：

由σ＝Py/A＝9.807×103/489＝20.055KN＜f＝205N/mm2

安全。

刚度验算：

由λ＝2900/15.8＝188.54＜［λ］＝200,安全。

九、安全措施

1、脚手架必须配合施工进度搭设，一次搭设高度不应超过相邻连墙件以上二步。

2、每搭完一步脚手架后，应按下表的规定校正步距、纵距、横距及立杆的垂直度。

3、立杆搭设应符合下列规定：

①相邻立杆的对接扣件不得在同一高度内，立杆上的对接扣件应交错布置：

两根相邻立杆的接头不应设置在同步内，两相临立杆的接头在高度方向错开的距离不小于500mm；各接头中心至主节点的距离不宜大与步距的1/3，见后附图二。

②当搭至有连墙件的构造点时，在搭设完该处的立杆、纵向水平杆、横向水平杆后，应立即设置连墙件。

③顶层立杆的搭接长度不应小于1m,应采用不少于2个旋转扣件固定，端部扣件盖板的边缘至杆端距离不应少于100mm。

立杆顶端宜高出女儿墙上皮高度1m，高出檐口上皮高度1.5m。

4、斜拉悬跳梁搭设应符合下列要求：

①斜拉索钢丝绳与绳卡必须匹配，每段回弯曲部分不得少于三只。

②吊环的预埋，在混凝土强度未达到70%以上时，脚手架不允许超高搭设。

③为整加水平梁整体刚度，压入楼面内梁长不宜小于2m。

④外墙四角处水平梁用∠70×6角钢焊接一体。

5、脚手架必须设置纵、横向扫地杆。

纵向扫地杆应采用直角扣件固定在底座上皮不大于200mm处的立杆上。

横向扫地杆亦应采用直角扣件固定在紧靠纵向扫地杆下方的立杆上。

当立杆基础不在同一高度上时，必须将高处的纵向扫地杆向低处延长两跨与立杆固定，高低差不应大于1m。

6、连墙件、剪刀撑、横向支撑的设置符合下列规定：

①本工程外脚手架高度小于50m，连墙件每3.6m×4.5m设一根。

②连墙件宜靠近主节点设置，且要设置在框架梁或楼板附近等具有较好抗水平力作用的结构上，偏离主节点的距离不应大于300mm；连墙件应从第一步纵向水平杆处开始设置；宜优先采用菱形布置，也可采用方形、矩形布置；一字型、开口型脚手架的两端必须设置连墙件，连墙件的垂直距离不应大于建筑物的层高，并不应大于4m（2步）。

③应从底层第一步纵向水平杆处开始设置，当该处设置有困难时，应采取其他可靠措施固定；连墙杆中的连墙件或拉筋宜呈水平设置，不能水平设置时，与脚手架连接的一端应下斜连接，不应采用上斜连接。

④当脚手架下部暂不能设连墙杆时可搭设抛撑。

抛撑应采用通长杆件与脚手架可靠连接，与地面的倾角应在450—600之间；连接点中心至主节点的距离不应大于300mm。

抛撑应在连墙件搭设后拆除。

⑤当脚手架施工操作层高出连墙件二步时，应采取临时稳定措施，直到上一层连墙件搭设完后方可根据情况拆除。

⑥每道剪刀撑宽度不应小于4跨，且不应小于6m，斜杆与地面的倾角宜在450—600之间；

剪刀撑跨越立杆的根数宜在5－7根之间，如下表：

⑦本工程脚手架高度在30m以下，必须在外侧立面的两端各设置一道剪刀撑，并应由底至顶连续设置；中间各道剪刀撑之间的净距不应大于15m。

⑧剪刀撑斜杆的接长宜采用搭接，搭接长度不应小于1m,应采用不少于2个旋转扣件固定。

⑨剪刀撑应随立杆、纵向和横向水平杆等同步搭设。

剪刀撑斜杆应用旋转扣件固定在与之相交的横向水平杆的伸出端或立杆上，旋转扣件中心线至主节点的距离不宜大于150mm。

⑩横向斜撑应在同一节间，由底至顶呈之字形连续布置，斜撑的固定应符合规定。

7、扣件安装符合下列规定：

①扣件规格必须与钢管外径相同；

②扣件螺栓拧紧扭力矩不应小于40N.m,且不应大于65N.m；

③在主节点处固定横向水平杆（或纵向水平杆）、剪刀撑、横向支撑等用的直角扣件、旋转扣件的中心线距主节点的相互距离不应大于150mm；

④对接扣件开口应朝上或朝内；

⑤各杆件端头伸出扣件盖板边缘的长度不应小于100mm。

8、作业层、斜道的栏杆和挡脚板的搭设应符合下列规定：

①栏杆和挡脚板均应搭设在外立杆的内侧；

②上栏杆上皮高度应为1.2m；

③挡脚板高度不应小于180mm；

④中栏杆应居中设置。

9、脚手板的铺设应符合下列规定：

①脚手板应铺满、铺稳，离开墙面宜为120—150mm;

②冲压钢脚手板、木脚手板、竹串片脚手板等，应设置在三根横向水平杆上，脚手板的探头应采用10#镀锌铁丝固定在支撑架上；当脚手板长度小于2m时，可采用两根横向水平杆支承，但应将脚手板两端与其可靠固定，严防倾覆。

此三种脚手板的铺设可采用对接平铺，亦可采用搭接铺设。

脚手板对接平铺时，接头处必须设两根横向水平杆，脚手板外伸长应取130—150mm,两块脚手板搭接铺设时，接头必须支在横向水平杆，搭接长度应大于200mm，其伸出横向水平杆的长度不应小于100mm。

③竹笆脚手板应按其主竹筋垂直于纵向水平杆铺设，且采用对接平铺四个角应用直径1.2mm的镀锌钢丝固定在纵向水平杆上。

④作业层端部脚手板探头长度应取150mm，其板长两端均应支承杆可靠地固定，脚手板探头应用直径3.2mm的镀锌钢丝固定在支承杆件上。

⑤在拐脚、斜道平台处的脚手板，应与横向水平杆可靠连接，防止滑动；

⑥自顶层作业层的脚手板往下计，宜每隔12m满铺一层脚手板。

10、马道搭设应符合下列规定：

①斜道宜附着外脚手架或建筑物设置；

②运料斜道宽度不宜小于1.5m,坡度宜采用1：

6；人行斜道宽度不宜小于1m，坡度宜采用1：

3；

③拐弯处宜设置平台，其宽度不小于斜道宽度；

④斜道两侧及平台外围均应设置栏杆及挡脚板；栏杆高度应为1.2m，挡脚板高度不应小于180mm；

⑤运料斜道两侧、平台外围和端部均应按前述设置连墙件，每步应加设水平斜杆；并按前述规定设置剪刀撑和横向斜撑。

⑥脚手板横铺时，应在横向水平杆下增设纵向支托杆，纵向支托杆间距不应大于500mm；

⑦脚手板顺铺时，接头宜采用搭接；下面的板头应压住上面的板头，板头的突棱处宜采用三角木填顺；

⑧斜道的脚手板应每隔250－300mm设置一根防滑木条，木条厚度宜为20－30mm。

此设计方案经过在东方石化园区和9#楼的应用，实践证明该设计即安全、经济，又加快了施工进度。

参考书目

1、建筑施工手册（第四版）

2、脚手架设计与施工规范（JGJ30－2001）