谢向阳

(中国建筑工程(澳门)有限公司，澳门 999078)

0 引言

由于城市土地价格等原因，超高层建筑的应用在大城市成为一种趋势。随着建筑层数及总高度的增加，更为经济和安全的各类型爬架开始逐步取代传统悬挑扣件式钢管外脚手架。但对于外墙装修复杂的超高层建筑，如采用外保温或饰面砖的住宅、公寓等建筑，外墙装修工序多、湿作业工程量大，如采用爬架兼作装修外架，将不得不降低结构施工速度来保证结构与外装修同步施工，或结构完成后爬架下行进行外装修施工，或者爬架拆除后采用吊篮施工，这些方式均将对工期形成较大制约。因此，分段悬挑扣件式钢管外脚手架以其结构施工、外墙装修互不影响的优势而仍将被长期采用。

在钢管外脚手架设计中，工程技术人员对脚手架杆件间距布置及连墙件设置方式对于规范允许承载计算结果的重要性有普遍认识。但由于建筑设计越来越多元化、立面变化复杂程度越来越高，工程现场所遇到的实际工况常超出规范计算中所依据的简单构造标准。因此，工程技术人员需对架体实际承载机制有一定了解，从而能灵活、安全地应用规范并处理复杂工况。

本文对钢管外脚手架稳定承载机制进行系统的初步分析，重点对钢管外脚手架斜杆(剪刀撑)、连墙件的作用及效能进行定性分析。

1 钢管外脚手架稳定承载机制

1.1 架体稳定承载力与抗侧移能力直接相关

在JGJ 130—2011《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》[1]和国外规范如BS 5975—2008[2]中，单、双排脚手架稳定性计算为钢管外脚手架设计的关键性工作，计算原理均基于两端铰接细长压杆的临界力公式(Pcr=π2EI/l2)，EI对于水平承载的梁为抗弯刚度，对于竖向承载的压杆则为抗侧移刚度。即钢管外脚手架立杆沿高度方向的各处抵抗水平方向的位移能力越强，立杆稳定承载力越高。在GB 50017—2017《钢结构设计标准》[3]稳定性计算部分，按结构侧移刚度情况将框架划分为无支撑纯框架、强支撑框架、弱支撑框架，表明结构侧移刚度与稳定性计算直接相关。对于脚手架支撑体系，抗侧移能力直接决定架体稳定承载力。

由于架体在水平力作用下的侧移模态，相较于竖向力作用下屈曲模态，能更直观地分析和表述稳定承载机制，因此，以下采用侧移模态进行图示及说明。

1.2 单元框格抗侧移机制分类及能力比较

2种抗侧移类型统一表述为纯框架型(无斜杆)、支撑型(有斜杆)。文献[4]系统分析总结了脚手架架体中各类杆件及节点约束抗侧移机制，提出纯框架型由立杆(柱)与水平杆(梁)节点转动约束抗侧移，支撑杆型主要由立杆、水平杆、斜杆组成的三角形机构抗侧移。采用MIDAS软件进行建模分析，其中各扣件半刚性节点参数采用文献[4]中多参数模拟方案。在顶部水平推力作用下，不同类型框格单元抗侧移能力如图1所示，可知纯框架型抗侧移能力远低于支撑型。

图1 不同类型框格单元抗侧移能力示意

1.3 整架中各类构件对抗侧移能力的影响

各种架体构造组合在相同水平推力作用下的侧移量如表1所示。

表1直观体现了纯框架、竖向斜杆、水平斜杆、连墙件单独及组合作用下的抗侧移效果，与文献[4]所阐述的机制及效能一致。

表1 不同构造架体单元侧移量

1)连墙件抗侧移能力最强，但工程实践中难以

做到逐个竖向平面(每跨)配置。

2)配置竖向斜杆的竖向平面具有较强抗侧移能力。

3)无竖向斜杆的纯框架抗侧移能力最弱。

4)水平斜杆在各竖向平面存在抗侧移能力不一致时起传递协调作用，当各平面抗侧移能力一致时则基本不起作用。

2 钢管外脚手架构件对承载力的作用

双排钢管外脚手架尽管为临时工程结构，但属于较复杂结构体系，其稳定承载力由架体纵横跨距与步距、纵横向斜撑、连墙件步距与跨距等多重因素综合决定。

建立12跨(纵跨距1.5m、横跨距0.9m)18步(步距1.8m)的18m宽、32.4m高双排钢管外脚手架完整架体模型(见图2)，采用MIDAS中特征值屈曲分析模块计算特征值屈曲因子λ，通过对比λ变化，定性分析各因素对架体稳定承载力的影响情况。

图2 完整架体构造

屈曲计算类型中xz代表限制y向位移、仅对架体纵向(平行于建筑物外墙)平面进行屈曲分析；yz代表对横向(垂直于外墙)平面的分析；3D代表架体xz，yz平面同时计算，即架体整体屈曲分析。

2.1 扶手杆、剪刀撑

在由立杆、大横杆、小横杆组成的①基本架体基础上，分别及同时在外侧xz平面增加②扶手杆(竖向间距0.6m)、③剪刀撑(每6跨通高设置)，对立杆xz，yz平面及3D整架进行屈曲分析。在顶部均布竖向荷载作用下，屈曲因子λ计算结果如表2所示。

表2 不同连墙件条件下不同架体构造的各向λ变化

在无连墙件作用下，①基本架体立杆xz平面λ大于立杆yz平面，即yz平面为架体稳定承载力瓶颈。其基本原理在于，同等截面尺寸的立杆水平杆组成的纯框架，跨度越大抗侧移刚度越大。

按2步3跨增设连墙件后，xz，yz平面、3D整架的λ均大幅度提高的同时，yz平面仍显著弱于xz平面。

在常规连墙件设置条件下，xz平面外排立杆分别或同时增加水平扶手、剪刀撑，xz平面λ大幅度提高，yz平面λ基本不变甚至有所下降(自重增加)，架体总体λ仅发生小幅变化，甚至有所下降。纵向平面增设扶手杆、剪刀撑时，使xz平面抗侧移能力有大幅度提高，但对yz平面抗侧移能力无作用，反而由于自重增加导致架体稳定承载力略有下降。

在无连墙件情况下，基本架体的λ为0.7，在按工程常规采用2步3跨设置连墙件后，λ达2.73，为前者的近4倍。连墙件设置与否导致稳定承载力的变化，远大于剪刀撑、扶手设置与否所带来的变化。连墙件作为基本无侧移的刚性支撑点，对xz，yz平面均能提供较大的侧向支撑力。

2.2 横向斜杆(斜撑)

在2步3跨设置连墙件的条件下，按间隔6跨通高连续设置④横向斜杆，xz平面λ基本不变、yz平面大幅度增加，但3D整架λ仅有小幅度增加。当每跨设置横向斜杆(严重影响通行、无实际工程意义)时，无论有无连墙件，屈曲均首先发生在xz平面，即其显著提高yz平面抗侧移能力。连墙件、横向斜杆、扶手杆、剪刀撑对架体总体稳定承载力的作用及边际效应情况如表3所示。

表3 不同构造及横向斜杆水平间隔下架体λ变化

2.3 连墙件设置

在每2步设置连墙件的条件下，随着连墙件跨间隔的增加(每跨设置至每12跨设置)，架体λ降低，超过3跨设置后，降低幅度增大，如表4所示。

表4 不同连墙件水平间隔下架体λ变化

在每3跨设置连墙件条件下，随着设置步间隔增加(每步设置至每9步设置)，架体λ明显降低，在2步及以上设置时，架体稳定承载力由yz平面稳定性决定，如表5所示。

表5 不同连墙件竖向间隔下基本架体各向λ变化

2.4 分析小结

在双排钢管外脚手架工程实践中，除基本架体杆件外，2步3跨连墙件、外侧平面扶手杆(分别从架体稳定承载和作业人员保护角度)属于必须采取的措施。

1)立杆横向(yz)平面抗侧移能力大幅度低于纵向平面(xz)，为架体稳定承载力的瓶颈。此外，钢管外脚手架按均布施工荷载进行设计计算，而实际工况下大多为局部荷载，对于每片仅2根立杆的yz平面而言，承载时状况与规范设计荷载一致；对于每片存在多排立杆的xz平面，部分立杆可能并未承载，如文献[4]指出的，架体局部承载的稳定性高于均布承载，即xz平面工况承载基本低于设计标准。因此，xz平面安全储备高于甚至远高于yz平面，工程实践中应重点关注yz平面构造情况。

2)外侧扶手杆、剪刀撑仅能增大非稳定承载瓶颈的xz平面抗侧移能力，对架体稳定承载力的作用有限。其中，外侧扶手杆因属安全防护功能性杆件不能取消，而外侧横向整体性布置的剪刀撑，由于扶手杆(必须设置)的存在，其对稳定承载力的增加无作用，因此，建议规范中不宜过度强调其作用，甚至常规架体上可考虑取消。工程实践中，塔式起重机附墙件、施工电梯附墙件、卸料平台导致局部立杆断开的情况有时难以避免，此时应设置局部剪刀撑，但此类剪刀撑与规范所强调的整体性外侧横向剪刀撑的加强作用存在较大区别，建议规范针对不利工况作出相应严格规定，尤其需强化断点所在yz平面补强措施。

3)由于连墙件的存在，横向斜杆在具备工程应用可行性的设置密度条件下(间隔6跨)，对架体稳定承载力的作用有限。但对于层高较高或其他原因导致连墙件设置不得不超过2步的工况，采用横向斜杆对yz平面进行加强具有较强的实用意义。

4)连墙件设置对稳定承载力影响较大，是架体稳定承载力的决定性因素。从技术、经济角度分析，2步3跨属于较优设置间隔。

3 超高层悬挑扣件式钢管外脚手架设计优化

3.1 超高层悬挑外脚手架设计常见问题

在指导超高层悬挑外脚手架设计计算的核心规范中[1]，立杆稳定性、连墙件扣件抗滑移为较常见不能通过验算的项目，需进行架体设计调整。尤其对于基准风压值较高区域，如沿海地区，较高位置脚手架在组合风荷载条件下架体的立杆稳定性计算及连墙件扣件抗滑移验算成为架体设计的关键。因此，风荷载为整个架体设计的控制性因素。

设定算例架体处于深圳地区(规范基本风压为0.45kPa)，悬挑底部离地175m(风荷载高度变化系数μz约为2.03)、架体自身高度为25.2m，预设立杆步距1.8m、横距0.9m。

算例架体不组合风荷载时，立杆纵距1.5m(较优工程实践纵距为1.5m左右)、连墙件2步3跨满足规范要求；组合风荷载时，立杆纵距≤0.9m，且连墙件2步1跨设置(相当于至少每个结构层的每道立杆均必须设置连墙件)，这将导致悬挑工字钢机构及连墙机构安装、拆除及洞口修补等工作大幅度增加，给外墙施工带来重大不利影响。

3.2 荷载效应组合的优化

JGJ 80—2016《建筑施工高处作业安全技术规程》[5]规定，6级以上强风不得进行高处作业。规范未对6级风进行具体说明，通常可理解为以气象台天气预报为标准，即空旷地面10m高度2min平均风速10.8～13.8m/s。工程实践中一般作业面上出现强风即会停止人员作业，强热带风暴及以上预警后即采取撤出人员、移除作业面材料直至部分或全部拆解安全网等措施。

JGJ 130—2011中基本风压系按GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[6]中重现期10年对应的风压值取值，该取值以预防 10年为重现期的10min平均风速最大值为标准，深圳地区对应取值为0.45kPa。按伯努利方程，该基准风压换算为10min基本风速约为26.8m/s。根据文献[7]，按世界气象组织(WMO)推荐值，基本风速换算为国家气象局风力等级预报(按2min平均风速最大值划分)风速约为28.2m/s，相当于10～11级强热带风暴；换算为3s瞬时阵风(阵风因子1.43)为38.3m/s，风力等级13级。

架体(纵距1.5m、连墙件2步3跨设置，钢管壁厚3mm)在承受2层结构装修施工荷载(共6kN/m2)下，各类条件组合的立杆稳定性强度验算结果如表6所示。

表6 不同风力、荷载及安全网条件下立杆σ值

由表6可知，通过采取防风措施，如恶劣气候条件预报后，根据情况拆解部分或全部安全网，可避免采用极不经济便利的架体构造方式。因此，对于基本风压较高地区，建议在立杆稳定性计算阶段采用如下方法。

1)采用永久荷载+0.9×(可变荷载+风荷载)荷载效应组合时，基本风压宜≤0.12kPa(6级强风基本风压)；如采用规范基本风压，则可变荷载中不宜组合施工荷载。

2)针对极端气候，可通过制订防风预案确定安全网的拆解规定，对应调整风荷载体形系数(μs)之后进行验算。

以上方法在确保架体各工况安全的前提下，可避免不必要的过度冗余构造，大幅度提高架体设计方案的技术经济性和工程应用便利性。

3.3 连墙件设置的优化

根据规范条文，连墙件布置方式不同，对应立杆稳定性验算(计算长度μ的选取)和连墙件扣件抗滑移验算将不同。其中，扣件抗滑移验算仅与迎风面积及风荷载标准值相关，如不能通过验算，则需加密连墙件设置。而较高基本风压值区域的超高层悬挑架，往往不能通过验算。

算例在不同风力、安全网条件下连墙件拉力计算值如表7所示。按规范公式，0.45kPa基本风压下连墙件加密1倍仍不能满足双扣件允许抗滑力12kN的要求；如遇台风(12级及以上)工况，则需加密4倍以上，已不具备可实施性。

表7 不同风力、安全网条件下连墙件拉力

显然，如同前述荷载效应组合的优化方式，在沿海地区热带风暴来临前(如深圳平均每年3.5次)，采取部分或全部拆解密目安全网，相对于设置更多的连墙件(而不拆解安全网)，具有更好的技术经济性和工程便利性。

2018年珠海横琴地区受到台风“山竹”的正面侵袭，风力14级、阵风达17级以上，采用以上方法优化设计的顶部高度达208m的某工程悬挑处脚手架在风后检查时发现，架体稳固、扣件无松动迹象，恢复安全网后即行复工。

4 结语

1)对于常规双排钢管外脚手架，由于纵跨跨距大于横跨、纵跨立杆排数多于横跨、工况荷载对于横跨属于均布荷载而对于纵跨一般属于局部荷载，加之扶手杆、纵向剪刀撑的设置，在同等荷载条件下，平行于外墙的纵向平面稳定性远远高于垂直于外墙的横向平面，工程实践中应重点关注横向平面构造强度。

2)纵向平面竖向剪刀撑对于架体稳定性而言属于冗余构造，建议规范重点针对工程实践中难以避免的局部立杆断开情况增加构造补强措施要求。

3)连墙件为架体稳定的关键因素，建议规范修订时，针对如大层高、大跨度中间无法设置连墙件的特殊部位，提供增设横向斜杆或其他方法作为局部连墙件替代措施。

4)建议规范在修订时，在高基本风压地区，通过采用6级风力对应风压进行架体设计计算，对极端气候条件采用拆除安全网的方式进行设计验算，以避免立杆及连墙件间距过密的情况，使架体设计同时具备良好的安全性和技术经济性。