悬挑脚手架悬挑型钢后端锚环循环利用的探索与分析
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【摘要】：本文简单叙述了目前悬挑脚手架悬挑型钢后端在楼面结构上的常规锚固体系做法，分析了其中的一些缺点和不足，通过对悬挑脚手架悬挑型钢后端锚固体系的创新，在保证安全性和使用功能的前提下，节约了材料（损耗率低，可反复周转应用），提高了预埋精度，达到了节能环保、绿色施工的效果且施工更加方便快捷。
【关键词】：悬挑脚手架 悬挑型钢 锚固体系绿色施工 单件式
中图分类号：TU731.2 文献标识码：A
引 言
悬挑式脚手架因其具备就地取材、搭设方便、安全可靠、成本节约等诸多优点，目前在高层建筑施工过程中广泛使用。良好的外架形象是建筑工地安全文明施工的第一视觉效果，是施工企业对外展示的第一名片，同时对规范一个地区的施工形象、市容市貌建设起到锦上添花的作用。悬挑脚手架是目前应用非常广泛的一种脚手架，虽然悬挑的型钢可以回收反复周转使用，但是需要预埋的锚固螺栓数量较大，其所发生的成本值得重视，也需要一种更好的施工方法来达到节材和降低成本的目的，实现绿色施工的建造理念。
悬挑脚手架悬挑型钢后端锚固体系的现状及缺点
1.1 悬挑脚手架悬挑型钢锚固体系的现状
1.1.1 目前悬挑脚手架悬挑型钢锚固体系的设置是根据建设部 2011 年的 JGJ130-2011
《建筑施工扣件式钢管脚手架体系安全技术规范》中第 6 章中的构造规定设置的。
1.1.2 实际施工中除了特殊部位、使用需要，几乎所有项目在实施中都会将悬挑脚手架架体的高度限制在 20m 以内，其优点主要有以下几点:
虽悬挑脚手架为危险性较大的分部分项工程，但未超过20米不许专家论证。
b. 悬挑工字钢的规格适中（一般采用 16#～20#工字钢），能够有效控制采购成本，可作为项目固定资产，多次周转利用。
c. 脚手架搭设质量容易控制，其应用经过长期实践，安全性有充足保证。
1.1.3 根据规范悬挑脚手架悬挑型钢后端的锚固体系有 2 种方式，如图 1.1.4-1 悬挑钢梁穿墙构造、图 1.1.4-2 悬挑钢梁楼面构造。
图 1.1.4-1 悬挑钢梁穿墙构造 1——木楔楔紧
图 1.1.4-2 悬挑钢梁楼面构造
1.1.4 根据新规范悬挑型钢在靠楼面后端的锚固体系采用 2 根“U”形锚固螺栓（直径不小于 16mm 的 HPB235 级钢筋）与建筑结构梁板可靠固定，并在预埋螺栓弯折部位上部设置 2 根18 加强筋，如图 1.1.4 所示。
图1.1.4 悬挑钢梁 U 型螺栓固定构造
1——木楔侧向楔紧；2——2 根 1.5m 长直径 18mmHRB335 钢筋
1.1.5 本文所有论述均是针对数量最多的架体高度在 20m 以内的悬挑脚手架，简称普通悬挑脚手架，所有架体超过 20m 的悬挑脚手架均应另行设计，本文仅供参考，不能套用。
2.2 普通悬挑脚手架悬挑型钢锚固体系的缺点
2.2.1 通过 1.1 节我们可以知道，普通悬挑脚手架最直接的缺点就是悬挑型钢的锚固体系是预埋的，使用后无法回收利用，预埋圆钢用量较大，使用完成只能用氧气乙炔割除，浪费严重，不利于节材和降低措施成本。
2.2.2 预埋、固定工作量大，容易漏埋，检查时不易察觉，施工效率不高。
2.2.3 U 型螺栓要在钢筋绑扎完成后安装，螺栓固定困难，费工费时，固定欠佳的螺栓在混凝土浇筑时容易走位或破坏。
2.2.4 预埋位置不易控制，成品精度较差，安装完成后不美观、不整齐。
悬挑型钢锚固端锚固体系创新考虑的因素
2.1悬挑型钢后端锚固体系应考虑较好的通用性和安全储备，较好的通用性主要指对架体高度 20m 以下悬挑脚手架不同钢管壁厚、立杆纵距、立杆横距、荷载定义、防护设施等条件下，悬挑型钢后端锚固体系均能较好的适用。安全储备主要指在上述因素影响下荷载组合产生的最大值在悬挑型钢后端产生的上拉力不超过悬挑型钢锚固体系的容许荷载，有一定的安全余量。
2.2 锚固体系应安装简便、规格统一，最重要的是能够回收和反复周转使用，不产生废料。
2.3 锚固体系的安装不应影响当层楼面模板安装及后期拆除，也不应影响钢筋的绑扎。
2.4 悬挑钢梁的安装及锚固体系的装配紧固在当层楼面混凝土浇注完成，混凝土终凝后即能实施（悬挑脚手架的搭设仍必须考虑楼面混凝土强度的增长，对悬挑钢梁外端应予以适当支撑加固）。
2.5 锚固体系在使用完成后应拆除方便，锚固体系对楼面结构造成的影响应尽可能降低，并便于恢复。
悬挑脚手架悬挑型钢后端可拆卸锚固体系
综合考虑脚手架施工规范、施工现场实际情况以及第 2 章中叙述的因素，设计一种方便拆卸的埋件是一种较为理想的选择，结合施工中的一些应用信息，可以考虑 1 种埋件方式的锚固体系。
3.1 单件式悬挑型钢锚固体系
3.1.1 将每套锚固体系设计成为统一规格配件的锚固件组合，方便加工、安装和周转使用，其形式如图 3.1.1 单件式型钢锚固体系构造示意图。
图 3.1.1 单件式型钢锚固体系构造示意图
3.1.2 该体系可通用于型钢在边梁内侧、型钢后端的固定，模板安装完成后即可进行埋件的安装，埋件用洋钉固定于模板面即可，安装十分方便。
3.1.3 锚固体系预埋的钢板采用 Q235 钢，其质量应符合 GB/T700《碳素结构钢》的规定。螺杆采用直径 16mm 的 HPB235 热轧光圆钢筋加工，其质量应符合 GB1499.1-2008《钢筋混凝土用热轧光圆钢筋》的规定。
3.1.4 紧固型钢采用的 63×6 热轧等边槽钢质量应符合 GB/T9787-1988 的规定。螺栓采用4.8 级普通螺栓。由于脚手架荷载具有一定的动荷载特征，因此紧固槽钢的螺帽应采用双螺帽进行加固。
3.1.4 螺杆与钢板采用穿孔塞焊满焊，焊缝应饱满，并按三级焊缝验收标准进行检查验收。
3.1.5 埋件安装完成后即可进行板筋的绑扎，板筋（上下层钢筋）均位于预埋件钢板面上方。
3.1.6 在混凝土浇筑前，用直径 25～32 的 PVC 套管（长度大于板厚并低于螺杆丝牙位置）套在埋件螺杆上，上口及丝扣胶带封闭缠绕保护。
3.1.7 楼面混凝土浇筑完成后并达到一定强度后，拆除保护胶带，即可安放型钢并进行固定。
3.2 普通悬挑脚手架悬挑型钢后端可拆卸锚固体系整体安装效果图
楼面混凝土浇筑完成，混凝土终凝并有一定强度后即可安装悬挑脚手架悬挑型钢及其加固件，并根据楼面混凝土强度增长情况控制脚手架搭设高度，普通悬挑脚手架悬挑型钢后端锚固体系整体安装完成后的效果如图3.2普通悬挑脚手架悬挑型钢后端锚固体系安装整体效果示意图。
图 3.2普通悬挑脚手架悬挑型钢后端锚固体系安装整体效果示意图
3.3 普通悬挑脚手架悬挑型钢后端锚固体系施工要点
3.3.1 普通悬挑脚手架悬挑型钢后端可拆卸锚固体系施工总体流程为：楼面排架搭设楼面模板安装楼面梁钢筋绑扎锚固体系埋件安装（PVC 套管及胶带保护同时完成）楼面板钢筋绑扎（水电预埋）楼面混凝土浇筑悬挑型钢安装锚固体系紧固件安装悬挑脚手架搭设脚手架使用脚手架拆除悬挑型钢拆除紧固件及预埋件拆除楼面孔洞及板底修复。
3.3.2 如果预埋件下端板周边的倒角加工困难，可以加工成直边，并可以考虑在埋件固定后，用 2mm 的双面胶带贴在端板周边，双面胶外露面比较光滑，也较为容易拆除埋件。埋件在浇筑混凝土前宜涂刷脱模剂。
3.3.3 在设计脚手架搭设方案时，应注意立杆的布置位置，适当调整立杆纵距，避免预埋件与梁发生冲突。
3.3.4要特别注意建筑物阴阳角、立面凹凸变化部位、有高差部位等这些特殊情况，根据工程实际情况进行布置，并进行适当的验算以保证安全。
3.3.5 由于新浇筑的楼面混凝土强度增长需要一定时间，因此悬挑型钢安装加固完成后，应利用下层的脚手架对悬挑型钢外端进行临时支撑加固后方可开始搭设上层脚手架（可在脚手架设计时考虑适当荷载），上层脚手架的搭设高度应根据楼面混凝土强度增长情况以及规范规定逐步增加，待楼面混凝土强度不低于 C20 后，拆除临时支撑。
3.3.6 悬挑钢梁在边梁位置的加固主要是为了固定钢梁的位置，可以不采用前文的锚固体系，进行适当简化，比如预埋 2 根钢筋废料，进行适当固定。另外型钢在该处应按规范设置垫板以满足局部承压并进行验算。
3.3.7 悬挑钢梁后端锚固体系拆除时，先松开螺帽（不要拿掉），移除型钢，用方木或橡皮榔头等软性工具垂直敲击螺杆顶部，使埋件下端板脱离楼面板底，在下层楼面搭设移动平台，上下层作业人员互相配合拆除埋件。不能直接拆除螺栓及加固件，敲击螺杆使埋件直接掉落到下层楼面。
3.3.8 埋件、紧固用的槽钢及螺栓拆除后进行清理、上油，集中储放，以备下次使用。
3.3.9 加固体系拆除干净后，凿除 PVC 套管，采用水泥砂浆将板底修补平整，然后用水泥浆将空洞灌平楼面。
悬挑型钢后端可拆卸锚固体系使用的条件
本文中设计的悬挑型钢后端可拆卸锚固体系有一些限制条件，在施工应用中必须进行严格核对并计算脚手架荷载以及悬挑型钢后端反力，悬挑型钢后端反力不得超过抗拔容许荷载，以确保悬挑脚手架安全。
4.1 保证条件
4.1.1 采用本文标准后端可拆卸锚固体系是，在脚手架立杆最大荷载作用下计算的悬挑型钢后端锚固点的上拔反力不得超过 25kN（详见后文计算）。
4.1.2 锚固体系使用的材料必须符合 3.1.3 条及 3.1.4 条的规定。
4.1.3 脚手架架体小横杆、大横杆、立杆、悬挑型钢、楼面边局部承压经及楼板结构反弯承载力经过计算均满足规范要求。
4.2 一般条件
4.2.1 脚手架为应用最广泛的装修脚手架。
4.2.2 脚手架使用荷载考虑 2 层装修荷载，每层荷载为 2.0kN/m2。
4.2.3 悬挑型钢后端第一锚固点（靠脚手架侧）距楼板边的距离至少为悬挑钢梁悬挑段长度的 1.25 倍。
4.2.4 脚手架立杆横距为 0.9m 或 1.2m。脚手架立杆纵向间距不得大于 1.8m。
4.2.5 脚手架立杆的横距及纵距应通过使用材料规格（如壁厚）及荷载进行计算（要保证小横杆、大横杆的强度和挠度符合容许值，还要保证立杆的强度和稳定性满足要求。），并结合柱网跨度、楼面梁分布等实际情况综合确定。
4.2.6 对于一些特殊部位例如悬挑长度较大的部位、建筑物阴阳角还应该进行专门的细化设计，本文仅供参考。
4.2.7 脚手架步距按照 1.8m 搭设。
4.2.8 竹排片按照每层铺设考虑，外立面防护按照每步 2 道栏杆、安全网全封闭设置。
4.2.9 脚手架内挡空隙按照 200mm 设计，内挡防护按照规范设置。
4.2.10 楼板厚度 120mm～180mm，如果楼板厚度小于 120mm 应采取加固措施。
4.2.11 钢管为直径 48mm，壁厚 2.75～3.5mm 的普通碳素钢管。
4.2.12 如有必要，楼面边梁及楼板应进行验算。
4.3 普通悬挑脚手架常规设计参考（参数）值
4.3.1 普通悬挑脚手架断面简图悬挑脚手架按照带悬臂的单跨梁计算，悬出端 C 受脚手架荷载 N 的作用，里端 B 为与楼板的锚固点，A 为墙支点，L 为 m 的 1.25 倍。普通悬挑脚手架悬挑型钢计算简图如图 4.3.1 型钢悬臂单跨梁计算简图，
图 4.3.1 型钢悬臂单跨梁计算简图
4.3.2 装修脚手架，钢管采用φ48×2.75，脚手架横距 1000mm，纵距 1800mm，型钢采用 18#工字钢，架体高度 19.8m。脚手架立杆轴力取不组合风荷载的作用 10.84kN（大于组合风载值），经计算，小横杆的强度σ=156.3N/mm2（满足要求），18#工字钢的强度σ=95.04N/mm2，整体稳定强度σ=108.73N/mm2，最大挠度 Vmax=9.93mm＜[v]= 11.2mm（满足要求），按照1.25 倍悬挑长度，支座反力 RA=32.28kN； RB=-9.84kN，其余均满足要求。
4.3.3 装修脚手架，钢管采用φ48×3.5，脚手架横距 1200mm，纵距 1800mm，型钢采用20#工字钢，架体高度 19.8m，脚手架立杆轴力取不组合风荷载的作用 12.65kN，经计算，小横杆的强度σ=186.0N/mm2（满足要求），20#工字钢的强度σ=97.57N/mm2，整体稳定强度σ=111.617N/mm2，最大挠度 Vmax=8.2886mm＜[v]= 12.8mm（满足要求），按照 1.25 倍悬挑长度，支座反力 RA=37.58kN； RB=-11.28kN，其余均满足要求。
悬挑型钢后端锚固体系验算
5.1普通螺栓验算（单根16mm）
螺杆轴线方向受拉承载力按下式计算：
式中：—螺栓在螺纹处的有效直径，可近似取14mm；
—普通螺栓抗拉强度设计值，取170N/mm2；
经计算
2根M16螺栓可共同承受约52.4kN的拉应力。
5.2 M16螺栓与钢板穿孔塞焊焊缝强度验算（单根）
按照正面角焊缝（作用力垂直于焊缝长度方向）进行计算：
式中：—角焊缝计算厚度，可取0.7，为焊脚尺寸，取8mm；
—根据规范，按直接承受动力荷载的结构，；
—角焊缝的强度设计值，取160N/mm2；
—角焊缝计算长度，取34.3mm（实际焊缝长度减去2）；
N—通过焊缝形心的拉应力；
经计算N≤1.0×160×8×34.3=30.7kN
2根M16螺栓的焊缝可共同承受约61.4kN。
5.3 螺杆强度验算（单根）
去除螺纹加工影响，螺杆净截面积按照直径14mm考虑，则：
N≤153.9×210=32.3kN
2根螺杆可共同承受64.6kN的拉应力。
5.4 槽钢承载力验算
紧固槽钢受力简图
5.4.1、槽钢抗弯承载力验算
槽钢承受最大弯矩；
则槽钢承受最大拉应力;
式中：f—Q235钢材抗拉强度设计值，取215N/mm2；
--63×6等边槽钢抗弯截面模量，取6.0cm3；
l—槽钢跨度，为150mm。
经计算N≤34.4kN
5.4.2、槽钢挠度计算
荷载取，挠度按下式计算：
式中：E—钢材的弹性模量，E=206000N/mm2；
I—槽钢截面惯性矩，取27.12cm4；
经计算，可见槽钢挠度很小，可不考虑槽钢挠度影响。
5.4.3、槽钢弯压应力验算
查表得重心距z0=17.8mm
则
槽钢承受最大压应力
5.4.4、槽钢抗剪验算
由于槽钢截面不是对称截面，其截面的剪应力分布比较复杂，从安全角度近似考虑横截面的平均剪应力是最大剪应力的0.5倍，即，则抗剪验算按下式计算：
式中：—Q235钢材抗剪强度设计值，取125N/mm2；
A--63×6热轧等边槽钢横截面积，为728.8mm2。按螺栓孔内侧横截面面积约为620.8mm2；
经计算
螺杆孔帽位置剪切横截面积约为339.3mm2（取安全值孔内表面积）
经计算单根螺杆处可承受剪切应力
槽钢抗剪完全满足要求。
5.5 楼板抗冲切验算
楼板受冲切承载力计算示意图
楼板受冲切承载力按照下式进行计算：
式中的系数，按照些列两个公式计算，取其中较小值：
式中：—局部荷载设计值（埋件钢板反力设计值）；
—截面高度影响系数，h≤800mm，取1.0；
—混凝土轴心抗拉强度设计值，取1.43N/mm2；
—临界截面周长两个方向混凝土有效预压应力按长度的加权平均值，其值宜控制在1.0～3.5N/mm2范围内，可较小值取用；
—临界截面周长；
—截面有效高度，取两个配筋方向的截面有效高度的平均值；
—局部荷载作用面积形状的影响系数；
—临界截面周长与板截面有效高度之比的影响；
—局部荷载作用面长边与短边尺寸的比值；不宜大于4，比值小于2时取2；
—板柱结构中柱类型的影响系数，按照中柱取值，；
经计算：，，则；板厚取100mm，，，，允许最大冲切力,而按照原计算最大冲切力为10.96kN，满足要求。
经济性分析
由我公司承接的住宅项目选用悬挑式脚手架作为外立面防护架，按照常规一般在地上一至二层左右悬挑，这样缙云新居项目每挑不超过20米来计每栋塔楼共计悬挑5-6次，每次预埋的锚环大概在300套左右项目共计需用1.8-2.16万套，而选用可回收单件式锚环只需7200套。按照实际投入周转使用后，保证了悬挑脚手架各项使用功能，悬挑锚环回收率达到了95%，节约项目成本约为30万左右。
综上所述，普通悬挑脚手架悬挑型钢后端可拆卸锚固体系是一种可代替楼面结构中预埋螺栓的型钢加固系统，能够满足脚手架安全及使用功能需要，并且可反复周转使用，如果管理细致，可以做到无任何损耗，从长期使用及周转来看，具有较好的经济性，预埋、安装和拆卸方便，外观整齐美观，从绿色施工节材及降低措施成本来看，是值得推广的一种新型普通悬挑脚手架悬挑型钢后端锚固体系。
参考文献
【1】JGJ130-2011《建筑施工扣件式钢管脚手架体系安全技术规范》
【2】GB50009-2001《建筑结构荷载规范》
【3】GB50017-2003《钢结构设计规范》