陳灝謙

摘要：當(dāng)前，國(guó)內(nèi)高層建筑的數(shù)量持續(xù)攀升，使得扣件式鋼管腳手架的應(yīng)用也更為廣泛，由于其具備搭設(shè)便捷而且快速、穩(wěn)定性好并且能夠多次周轉(zhuǎn)利用。本文從腳手架搭設(shè)過程中受力分析角度出發(fā)，根據(jù)在不同連墻件布置方案情況下架體桿件的內(nèi)力分布以及節(jié)點(diǎn)位移云圖進(jìn)行對(duì)比分析，建立腳手架模型，進(jìn)而對(duì)建筑施工的布置策略進(jìn)行研究。

Abstract： At present， the number of high-rise buildings in China continues to rise， making the application of fastener-type steel pipe scaffolds more extensive， because it is easy to set up， fast， stable and can be used repeatedly. In this paper， from the perspective of force analysis in the process of erection of scaffolding， comparative analysis of internal force distribution and node displacement cloud diagram of frame members under different wall-to-wall layout schemes is carried out， the scaffolding model is established and the layout strategy of the building construction is studied.

關(guān)鍵詞：超高層建筑施工;扣件式鋼管腳手架;連墻件

Key words： super high-rise building construction;fastener-type steel pipe scaffolding;wall fastener

1? 架體模型和載荷

1.1 架體模型

在進(jìn)行腳手架的搭設(shè)之前，首先應(yīng)該依照建筑物的整體高度以及建筑物自身的結(jié)構(gòu)，外圍面面積進(jìn)行模型處理，以求能夠達(dá)到最優(yōu)化的設(shè)計(jì)。本文采用模型化的架體模型，另一個(gè)目的在于對(duì)連墻件的菱形布置和矩形布置進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)我國(guó)有關(guān)腳手架的安全技術(shù)規(guī)范要求，對(duì) 100m高度建筑物以下連墻件的布置做以下規(guī)定，連墻件布置的數(shù)量如表1所示。

超高建筑存在的主要問題就在于風(fēng)荷載的橫向剪力作用，本文對(duì)超高建筑施工腳手架采用2步2跨的布置形式，具體模型見表2。為更好的體現(xiàn)兩種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，本文在采用連墻件間距均為2步2跨的形式基礎(chǔ)上，將矩形布置設(shè)為方案一、菱形布置設(shè)為方案二。

本文所研究的與腳手架相關(guān)的部件有小橫桿、大橫桿、立桿、連墻件、剪刀撐等，它們通過扣件的方式連接成整體，其中連墻件的間距采用兩步兩跨式，在縱向立桿的搭設(shè)上，懸挑式鋼管腳手架實(shí)際模型如圖1所示。

如圖1，連墻件的作用是使腳手架與建筑結(jié)構(gòu)主體之間形成作用力聯(lián)系，進(jìn)而確保工人在主體結(jié)構(gòu)外圍進(jìn)行裝修等施工的安全性。在模型中連墻件的覆蓋面積達(dá)到7.5m2，在一定程度上，能滿足受力要求，為腳手架的整體穩(wěn)定性提供基本保障。兩種布置方式的對(duì)比計(jì)算也論證了這一基本條件。

1.2 載荷

1.2.1 高層建筑施工腳手架連墻件水平風(fēng)載

高層建筑的外墻施工裝修都必須要以腳手架作為輔助施工措施，高層和超高層腳手架的搭設(shè)面對(duì)最大的安全問題在于風(fēng)荷載的影響。隨著高度的不斷遞增，風(fēng)力作用產(chǎn)生的風(fēng)振系數(shù)會(huì)明顯提高，因此，除了要考慮腳手架排布形式的穩(wěn)固性外，好要考慮風(fēng)荷載所帶來的間接影響。腳手架在高層建筑中的整體性，通過構(gòu)件與構(gòu)件之間的鉸接聯(lián)系起來，需要考慮到形狀的穩(wěn)定性。這也是為什么腳手架在橫桿外圍會(huì)存在剪刀撐的原因。相對(duì)于現(xiàn)存的多變形結(jié)構(gòu)而言，三角形的結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。剪刀撐的存在，保證了腳手架的形狀不變形，為工程施工的安全性帶來了保障。風(fēng)荷載的作用雖然很強(qiáng)，但對(duì)于整體性較好的腳手架而言，這些作用力均在可抗范圍內(nèi)。

1.2.2 腳手架載豎向載荷

腳手架的豎向荷載分為兩個(gè)方面，一是腳手架橫撐與豎撐的自重，二是工人施工時(shí)所產(chǎn)生的活荷載。豎向荷載的傳遞主要依靠腳手架與底部鋼板的連接來傳遞，在我國(guó)相關(guān)的規(guī)范中也明確給出豎向荷載的標(biāo)準(zhǔn)值。

2? 連墻件不同布置方案下的架體有限元分析

2.1 基本假設(shè)

研究高層腳手架的布置策略，首先必須對(duì)腳手架的單元作用力有明確的了解。一般而言，腳手架的連接不會(huì)完全進(jìn)行剛性連接，而是介于鉸接與剛接的半鋼性連接，這一連接方式適用于彈簧作用力下產(chǎn)生的自由度現(xiàn)象。通過對(duì)耦合重合節(jié)點(diǎn)x，y，z三個(gè)方向進(jìn)行位移大小研究，進(jìn)而找出桿件與桿件之間轉(zhuǎn)動(dòng)剛度產(chǎn)生的荷載變化作用。在我國(guó)相關(guān)的技術(shù)規(guī)范中也對(duì)具體的數(shù)值給了明確的規(guī)定，一般按照35（kN·m）/rad來計(jì)算。在本實(shí)驗(yàn)中，如果想要得出科學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，需要在實(shí)驗(yàn)結(jié)論前假設(shè)一定的條件。根據(jù)結(jié)構(gòu)受載情況，施加相應(yīng)約束和載荷最后再解得該結(jié)構(gòu)的位移與內(nèi)力，并對(duì)比分析其計(jì)算所得結(jié)果。根據(jù)本文1.2中所提及的荷載情況進(jìn)行計(jì)算，所得結(jié)果按照集中N=5kN，迎風(fēng)面均布載荷q=2×103MPa施加在結(jié)構(gòu)上，菱形布置和矩形布置的加載方式和大小完全相同。

2.2 有限元計(jì)算結(jié)果分析

從整體受力角度來看，連墻件的菱形布置和矩形布置并無多大差距。將受力從X，Y，Z三個(gè)方向進(jìn)行分解，確保各方向受力均衡是確保腳手架穩(wěn)定的基礎(chǔ)，之所以以菱形和矩形進(jìn)行對(duì)比，主要是考慮到在有限計(jì)算單元內(nèi)，風(fēng)荷載對(duì)連墻件的受力影響變化，一般情況下，小橫桿之間發(fā)生的最大位移出現(xiàn)在非固定端距離連墻件的最遠(yuǎn)處，最大的值分別為11.254mm，17.512mm，位移較小故剛度滿足要求。

2.2.1 兩種布置的內(nèi)力分布

通過對(duì)比兩種連墻件的內(nèi)力分布圖，很明顯可以看到菱形布置更加均衡。腳手架的內(nèi)力傳導(dǎo)主要依靠連墻件與底部的固定作用。在實(shí)驗(yàn)中，以架體模型位置桿件內(nèi)力的數(shù)據(jù)分析，計(jì)算出了兩者布置方式內(nèi)力的具體數(shù)據(jù)大小，雖然在環(huán)境上忽略了一定的實(shí)際因素，但是兩者布置環(huán)境的相似性，消除了外界因素的影響。比如說，中間架體模型5步8跨到8步12跨之間）的桿件內(nèi)力以及節(jié)點(diǎn)位移進(jìn)行數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)，菱形和矩形的對(duì)比一目了然。菱形布置的連墻件的小橫桿受力均勻，相比于無連墻件而言，有連墻件的小橫桿受力有明顯的變化。這種控制變量的實(shí)驗(yàn)對(duì)比方式，只適用于研究單獨(dú)的連墻件布置優(yōu)劣性，在具體的受力合理性上，需要綜合衡量各種因素進(jìn)行系統(tǒng)的布置方案設(shè)計(jì)。

2.2.2 兩種布置的節(jié)點(diǎn)位移

通過實(shí)驗(yàn)論證的數(shù)據(jù)顯示，以整個(gè)腳手架模型中間部分進(jìn)行節(jié)點(diǎn)位移分析，我們不難發(fā)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)的布置是按照自左向右自上向下的順序進(jìn)行的，除了連墻件的布置要按菱形規(guī)則布置外。為保證腳手架縱向的穩(wěn)定性，底部往往會(huì)和鋼板、鋼梁等預(yù)埋件連接，以保證整體的穩(wěn)定性。菱形布置的連墻件能將受力分解到x，y兩個(gè)不同方向，整體布置成錯(cuò)開咬合的形式，加強(qiáng)了受力的穩(wěn)定性和一體性，在整體上較之于矩形更加均勻。

3? 在超高層建筑中以圖論為基礎(chǔ)對(duì)腳手架連墻件進(jìn)行優(yōu)化布置

本文以雙排架腳手架連墻件布置為研究對(duì)象，腳手架軸向力按照規(guī)定應(yīng)為3kN。本文把連墻件在風(fēng)荷載作用下的優(yōu)化布置作為重點(diǎn)研究對(duì)象。

在200m以上的超高層建筑中，腳手架受風(fēng)荷載的影響特別明顯，對(duì)腳手架穩(wěn)定性與安全性的破壞作用非常顯著，連墻件若是布置的合理就能夠?qū)⑺椒较虻娘L(fēng)荷載盡可能的傳遞給建筑物，可以使整個(gè)架體更加穩(wěn)定。連墻件的規(guī)范性布置方法是將其布置成菱形或矩形，其中的菱形還是優(yōu)先推薦的布置方法。但是在工況比較復(fù)雜的情況下，譬如在那些基本風(fēng)壓就很大的地區(qū)，如果開展超高層建筑施工時(shí)，其腳手架若是光用兩種方法進(jìn)行布置，就不能夠保證其安全性。秦桂娟等人對(duì)連墻件的矩形布置方法與菱形布置方法進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)那些采用矩形布置法的腳手架各桿件之間的內(nèi)力變化往往會(huì)比較大，而且其節(jié)點(diǎn)位移也經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)突變;采用菱形布置法的腳手架雖然比矩形布置法能夠好上那么一點(diǎn)，在一些比較重要的位置上還是會(huì)由于連墻件未能布置的更加合理而出現(xiàn)較大的位移，從而使工程留下隱患。故而本文以菱形布置作為基礎(chǔ)，按照運(yùn)籌圖論中求P-重心下屆的方法，對(duì)于比較重要的部位進(jìn)行優(yōu)化布置，把腳手架架體側(cè)立面的變形位移降到最小。在工況比較復(fù)雜的時(shí)候，連墻件布置的是否合理就格外的重要，這些復(fù)雜工況往往存在于高層建筑工程的上部，其連墻件大多是按2步2跨的形式進(jìn)行布置，故而在這種情況下，本文先通過有限元軟件求取該手腳架立面上某處的變形信息，從腳手架中提取若干變形最大節(jié)點(diǎn)中的信息，再通過節(jié)點(diǎn)的組合構(gòu)建出圖論結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)圖，把圖中所示的頂點(diǎn)權(quán)重大小、邊值還有權(quán)距離及其矩陣全部計(jì)算出來，最后算得各重心，并結(jié)合重心所在確定增加連墻件的具體位置。

3.1 圖論中的設(shè)點(diǎn)問題

3.1.1 普通設(shè)點(diǎn)問題

在圖論中為了使某項(xiàng)指標(biāo)值能夠達(dá)到最優(yōu)，往往需要在一定范圍內(nèi)為一個(gè)或多個(gè)服務(wù)設(shè)施選定一個(gè)最佳選址問題。借助網(wǎng)絡(luò)很方便把腳手架中的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)相互聯(lián)系以節(jié)點(diǎn)關(guān)系的形式反映出來。由于在各目標(biāo)節(jié)點(diǎn)處于分散狀態(tài)，所以需要用到的頂點(diǎn)往往比較離散，那么在相對(duì)集中的一個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)，則就可以適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化問題。下面的圖2就是某腳手架結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換后的網(wǎng)絡(luò)實(shí)例。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)圖中，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)一共有9個(gè)，以各頂點(diǎn)的位移值作為其權(quán)重值，為了讓圖看起來能夠更簡(jiǎn)便，沒有在圖上一一標(biāo)識(shí)出來，各邊線上標(biāo)示的數(shù)字是各邊對(duì)應(yīng)的權(quán)值，反映的是兩節(jié)點(diǎn)之間的直線距離。

如此一來就可以把整個(gè)腳手架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為這幾個(gè)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)模型，然后只需要求出有數(shù)的幾個(gè)重心，就是在部分作為重心的節(jié)點(diǎn)位置上布置連墻件，以改變腳手架整體在使用中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

3.1.2 在腳手架上設(shè)點(diǎn)有限節(jié)點(diǎn)

對(duì)連墻件的布置進(jìn)行優(yōu)化基本上類似于設(shè)點(diǎn)問題。本文就直接將超高層建筑項(xiàng)目施工過程中的連墻件布置優(yōu)化問題當(dāng)做是布置服務(wù)設(shè)施問題，然后運(yùn)用圖論方法計(jì)算扣件式腳手架鋼管體系在發(fā)生動(dòng)態(tài)響應(yīng)狀況下對(duì)連墻件的布置進(jìn)行優(yōu)化，使腳手架達(dá)到最穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 創(chuàng)建模型

本文考慮的主要是在200m及以上超高層建筑中對(duì)其腳手架連墻件的布置如何進(jìn)行的優(yōu)化問題，首先是為扣件式腳手架的鋼管結(jié)構(gòu)創(chuàng)建模型，所有的鋼管按表3布設(shè)。要求連接扣件的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可實(shí)現(xiàn)半剛性節(jié)點(diǎn)所具有的效果。

故而根據(jù)表5中的參數(shù)可以算出風(fēng)荷載在201m處的大小為3.09kN/m2，而在221m處則為3.19kN/m2，荷載大小在豎直方向上呈梯形分布。連墻件采用的是2步2跨式的，其布置狀況見圖3。

3.3 通過建好的模型得到網(wǎng)絡(luò)圖

在以上計(jì)算可以知道，最上兩步節(jié)點(diǎn)位移最大，最大位移可達(dá)18.15mm，有連墻件附近的節(jié)點(diǎn)沒有出現(xiàn)大的位移值，而其上下均未布置連墻件的那些節(jié)點(diǎn)，其位移值往往特別大，見圖4。

本文將所有節(jié)點(diǎn)中移值最大的幾個(gè)，單獨(dú)提取出來作為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，以這些目標(biāo)節(jié)點(diǎn)為頂點(diǎn)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)圖，把這幾個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)上發(fā)生的位移作為網(wǎng)絡(luò)頂點(diǎn)的權(quán)重值，將各目標(biāo)節(jié)點(diǎn)相互之間的空間距離當(dāng)做各頂點(diǎn)間的權(quán)重距離。因腳手架本身左右對(duì)稱，僅取其一半來研究即可。將所得目標(biāo)節(jié)點(diǎn)以由上往而、由左至右的順序一一編號(hào)，所得的網(wǎng)絡(luò)圖見圖5。

通過在Midas中進(jìn)行計(jì)算，可以得到連墻件經(jīng)過優(yōu)化布置后的節(jié)點(diǎn)位移信息，其原本18.15mm的偏移量?jī)?yōu)化后變成2.79mm，使腳手架更加穩(wěn)定。腳手架連墻件經(jīng)過優(yōu)化布置后，其位移效果見圖6。

通過分析可以得到的幾點(diǎn)結(jié)論具體如下：①設(shè)點(diǎn)問題在一定的程度上類似于腳手架當(dāng)中目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的布置，在超高層建筑工程的施工當(dāng)中，對(duì)連墻件的具體布置情況進(jìn)行優(yōu)化將其等效為服務(wù)設(shè)施的優(yōu)化布置，然后就可以運(yùn)用圖論方法在扣件式腳手架整體處于動(dòng)態(tài)響應(yīng)的狀況下，求取連墻件布置的最優(yōu)效果。②第一步是通過圖論的語言把一個(gè)實(shí)際問題給表示出來，求出各不同節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的權(quán)距離，并列出矩陣。③按照求取普通設(shè)點(diǎn)下界的算法，求取目標(biāo)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)圖中的重心P下界，等到重心被求出后，再結(jié)合重點(diǎn)下屆選擇相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)位置對(duì)連墻件進(jìn)行布置。

4? 結(jié)束語

①在常見的腳手架搭設(shè)過程中，連墻件的布置一直以矩形和菱形居多，主要是在受力和布置形式上，它們不僅具有美觀高強(qiáng)的作用，而且通過對(duì)比分析，控制變量，能清晰的看出各自的優(yōu)勢(shì)與不足。本工程中結(jié)論證實(shí)菱形布置中桿件的內(nèi)力相差不大，而矩形布置的大橫桿內(nèi)力最大相差到2370N，明顯大于菱形布置，同時(shí)菱形布置的節(jié)點(diǎn)位移的分布也比矩形布置更加均勻。②隨著腳手架使用期限的延長(zhǎng)，各連墻件與墻體之間，以及桿件與桿件之間的連接會(huì)有松懈，必須要在菱形布置連墻件的基礎(chǔ)上擴(kuò)大數(shù)量以最大化的降低位移產(chǎn)生的影響，消除施工作用安全，提高施工作業(yè)精度。③在高層建筑施工中，風(fēng)荷載的影響無法避免，必須在腳手架的連墻件布置上確保腳手架的橫縱向穩(wěn)定性，確保施工過程的整體安全性。

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