1、高层建筑外劲性框架施工采用的工具式外挂操作平台 (脚手架) 的设计与应用 杨凌志 上海建工一建集团有限公司 摘 要： 以上海市南京西路 688 号地块工程为例, 介绍在超高层建筑外劲性框架施工中采用的一种工具式操作平台 (脚手架) 。该平台在地面拼装完后吊装至施工层 (段) , 通过平台挂臂梁抱箍固定于建筑钢结构外框架上, 供钢结构焊接、钢筋绑扎和柱模拼装的操作层及防护使用, 每层 (段) 施工完成后再通过塔吊将整个平台提升至上一层 (段) , 是一种操作简单、节约成本、整体性强、安全可靠的施工脚手架设备。关键词： 外挂操作平台; 工具脚手架; 劲性结构; 有限元模型; 绿色施工; 作者简介：
2、杨凌志 (1988) , 男, 本科, 工程师。通信地址:上海市福山路33 号 (200120) 。收稿日期：2017-08-24Design and Application of Tool Type Externally Suspended Operation Platform (Scaffold) to External Rigid Framework in High-Rise Building ConstructionYANG Lingzhi Shanghai Construction No.1 (Group) Co., Ltd.; Received： 2017-08-241 工程概况南
3、京西路 688 号地块项目位于上海市静安区, 总建筑面积为 84 812 m, 地上 24层, 建筑高度 99.425 m, 劲性框架-核心筒结构。在劲性框架结构施工中, 竖向结构通常采用悬挑脚手架、液压爬模、整体提升脚手架等施工工艺, 而在本工程中, 考虑劲性框架结构的钢结构工程领先于混凝土工程的特点, 利用该特点设计一套高挂低用、整体性好、安全可靠的工具式外挂操作平台 (图 1) 进行施工。图 1 工具式外挂操作平台 下载原图2 工具式外挂操作平台设计工具式外挂操作平台长 3.6 m, 高 11.5 m, 宽 1 m, 共 6 个操作层, 层距 1.9 m, 可服务于 3 层结构施工, 具
4、体为平台 13 层服务第 N 层竖向结构模板施工, 平台 45 层服务第 N+1 层竖向结构钢筋施工, 平台第 6 层服务第 N+2 层钢结构施工。2.1 平台构成1) 操作平台由受力构件和防护构件组成。2) 受力构件由主架体、挂臂梁和底座组成。3) 防护构件体系由定型钢板网围挡、安全绳挂点、安全白网等组成。2.2 受力构件体系2.2.1 主架体主架体为外挂操作平台 (图 2) 主体部分, 共 5 层, 由 4 榀竖向承拉构件和 6层操作层走道板构成, 总长 3.6 m, 总宽 1 m, 总高 9.7 m, 步距 1.9 m1-2。图 2 外挂操作平台立面示意 下载原图竖向承拉构件共 4 榀,
5、 每榀高 9.7 m, 宽 1 m。外侧 2 榀主框采用 6.3 槽钢, 内侧 2 榀主框采用 48 mm3.5 mm 钢管, 次框均采用 40 mm5 mm 角钢。由于本工程主体结构外立面倾斜, 故竖向承拉构件还可设计成倾斜式 (平行四边形) 。操作层走道板长 3.6 m、宽 1 m, 主框采用 6.3 槽钢, 次框采用 40 mm5 mm 角钢, 走道板采用钢板网 4 mm22 mm60 mm, 并设置一个 600 mm800 mm 楼梯洞口翻板。最上层的走道板 (图 3) 呈“凹”字形分布, 利用挂臂梁的工字钢作主框, 走道板采用厚 3 mm 轧花钢板。底座走道板也采用厚 3 mm 轧花
6、钢板。图 3 最上层的走道板示意 下载原图2.2.2 挂臂梁挂臂梁为外挂操作平台的抓握构件, 它传递整个脚手架系统对结构产生的拉力、弯矩、剪力和扭力。挂臂梁材料尺寸取决于每根框架柱的钢梁位置到主架体的距离, 根据工程实际距离情况选取 16 工字钢和 20 工字钢。抱箍、吊耳根据计算分析设置于悬臂梁合适的位置上。2.2.3 支撑底座支撑底座为外挂式操作平台下支撑点的操作平台硬隔离兼底托。主框采用 10 工字钢, 次框采用 40 mm5 mm 角钢。2.3 防护构件体系操作平台所有操作层采用定型围挡板封闭, 主框采用 6 槽钢, 次框采用 40 mm5 mm 角钢及 2 mm22 mm60 mm
7、钢板网, 底部设高 200 mm 挡脚板。其中最上层操作平台呈“凹”字形封闭。在操作面临边顶部设置若干安全绳挂点, 以便工人安全带挂钩。支撑底座采用密目安全网与安全白网兜底。3 工具式外挂操作平台计算分析3.1 工况分析工具式外挂操作平台受力计算按 2 个工况考虑, 正常使用施工工况与吊装提升状态工况3。1) 工况 1:正常使用施工工况时, 即平台通过悬臂梁挂于钢结构, 平台上有施工人员, 该工况包含平台自重、施工活荷载和风荷载。2) 工况 2:平台提升状态工况, 采用塔吊进行两点提升, 一次将一个单元架体提升一个层高, 此时平台只包含自重。3.2 荷载取值1) 自重:主要为平台结构及围护结构
8、的质量。2) 荷载:主要为施工荷载和少量材料堆载, 按实际取值后, 确定施工活荷载为1.5 k N/m。3) 风荷载:考虑十年一遇百米处上海地区基本风压及平台透风系数影响, 确定风荷载为 0.35 k N/m。4) 荷载分项系数:恒载 1.2, 活载 1.4。3.3 有限元模型根据操作平台挂臂梁伸长程度以及主架体的形式, 即操作平台实际使用情况, 采用 MIDAS-gen 建立 3 套有限元模型 (图 4) :第 1 套为标准平台, 第 2 套为加长挂臂梁的标准平台, 第 3 套为倾斜式平台。图 4 外挂操作平台有限元模型 下载原图3.4 计算结果3.4.1 使用工况3 套模型中, 受力情况最
9、大的是第 2 套加长挂臂梁的标准平台, 其计算结果如下:1) 挂臂梁最大应力 179.2 MPa, 挂臂梁对钢结构的总竖向压力为 133.5 k N, 总水平推力为 10.2 k N。抱箍与挂臂梁焊接采用双面角焊缝满焊, 其抗剪强度满足要求。2) 主架体主框架构件应力 110.2 MPa, 次框架构件应力 132.8 MPa, 主要构件应力满足施工安全性要求。连接构件为 4M16 螺栓, 材料为 45 钢, Rc25-30调质处理, 其强度可以满足上述承载要求。3) 支撑底座对混凝土水平推力为 10.2 k N。3.4.2 提升工况提升过程采用 2 点起吊, 各主架体应力情况均小于使用工况,
10、因此满足施工安全使用要求。最大架体质量为 4.58 t, 远小于单节钢柱质量, 满足塔吊提升能力要求。3.4.3 结构承载复核在使用工况下, 挂臂梁对钢结构的总竖向压力为 103.4 k N, 总水平推力为 6.0 k N, 最大弯矩 12 k Nm, 支撑底座对混凝土水平推力为 6.0 k N, 对悬挂点钢梁及受力钢柱进行复核。框架钢梁在强度校核下最大应力 27.2 MPa, 稳定校核下最大应力 35.6 MPa, 钢柱强度校核下最大应力 63.9 MPa, 能够满足平台施工工况。4 工具式外挂操作平台施工4.1 操作平台施工部署本工程 5 层钢梁安装完毕后, 开始使用外挂式操作平台, 最高
11、峰时使用 18 只。东、南、北侧采用标准平台 (1.3 m 有效臂长和 2.8 m 臂长) , 西侧采用倾斜式平台 (图 5) 。图 5 外挂操作平台布置 下载原图4.2 操作平台施工规定4.2.1 组装规定组装过程中应严格控制悬臂梁和竖向主框架的安装偏差, 走道板两端的高差应小于 30 mm, 竖向主框架的垂直偏差应小于 0.3%。操作平台搭设的整体垂直度偏差应小于 0.4%, 底部任意两点间的水平高差应小于 30 mm。4.2.2 提升规定提升前, 应确保外挂式操作平台上的施工荷载和影响升降的障碍物已全部清除, 并在断口临边处加设防护设施。由于外挂式操作平台自身无自主动力, 需要使用现场已
12、有 STL420-24T 动臂式塔吊进行提升至指定楼层, 故须在地面安装区域范围和相对应的建筑物楼层处, 划出警戒范围, 设置警戒线, 并安排专职人员看护, 警戒范围内严禁人员进入。在提升过程中, 各外挂式操作平台监护人员应全部到岗就位, 由专职指挥人员统一发布升降信号, 在升降过程中, 必须对各外挂式操作平台进行认真监护, 发现问题应及时通知总指挥 (用对讲机或哨子) , 停止升降, 待故障排除后, 方可重新升降。4.2.3 安装规定根据不同结构特点, 外挂式操作平台内立柱离楼板边距离应控制在 0.4 m 之内, 超过时对附着支承结构应进行重新计算或予以加强。在楼层设置必要的消防设施, 在外
13、挂式操作平台施工区域应有防雷措施与钢结构连接。操作平台底部应及时安装 2.5 cm 网眼的安全平网兜底。4.2.4 使用规定外挂操作平台的操作面限荷 1.5 k N/m, 严禁超载, 严禁集中堆载, 建筑垃圾应及时清除。支模时, 钢管、模板不得超出楼板面 200 mm, 避免与外挂式操作平台相碰, 以免影响升降。严禁在使用过程中拆除或松动脚手设施及螺栓螺帽、扣件、硬拉结等物件, 若要变动脚手设施, 则应通知外挂式操作平台现场施工负责人, 在采取相应措施后由专职专业人员操作。4.2.5 养护规定以 1 个月为周期对外挂式操作平台、抱箍、螺纹连接件等进行全面检查和维护保养, 不合格部件应立即整改或
14、调换。操作平台在空中停用时间超过 1 个月后或遇 6 级及以上大风后复工时, 均应进行检查, 检查合格后方能投入使用。4.3 操作平台标准层施工流程外挂操作平台每只应独立爬升, 每只施工完一层后, 用塔吊提升到上一层并固定, 标准化施工流程如下4:1) 平台挂于 N+2 层, 进行 N 层柱钢筋绑扎及柱模板封模, N+1 层楼板钢筋绑扎。2) 平台挂于 N+2 层, 进行 N+1 层混凝土浇筑及养护。3) 平台挂于 N+2 层, N 层柱模拆除, 向 N+1 层翻运模板。4) 平台向上提升, 挂于 N+3 层, 进行 N+2 层压型钢板补缺。5) 平台挂于 N+3 层, 进行 N+2 层柱钢筋
15、绑扎及柱模板封模, N+3 层楼板钢筋绑扎, 如此循环进入下一流程。5 结语工具式外挂操作平台提供了一个在劲性框架结构施工中新的脚手架体系。在本工程实际施工生产过程中, 一方面体现了其操作简单提升快、占用时间资源少、机动灵活、整体性强、安全可靠及文明施工标准高的特点;另一方面体现了其采用标准定型构件进行设计施工, 可二次利用, 绿色施工价值高、经济价值高的特点。参考文献1杨德生, 夏卫庆, 陆云.单元式定型化挂脚手设计与施工J.建筑施工, 2014, 36 (9) :1084-1086. 2孟春柳, 宁友卫, 罗兆奎, 等.工具式外脚手架连墙件的开发应用J.施工技术, 2016, 45 (S2) :637-639. 3吉北.高层建筑工具式外脚手架施工技术及发展趋势J.建筑安全, 2000, 15 (8) :36-41. 4何晖, 曾凡奎, 李宝平, 等.高层建筑施工悬挑脚手架研究进展J.西安工业大学学报, 2015, 35 (1) :1-7.
