刘树宝 刘刚
山东省建设建工（集团）有限责任公司 山东济南 250014
【摘要】在借鉴悬挑脚手架体系在大量工程应用的基础上，本文以某工程屋顶悬挑幕墙造型施工为研究对象，对工程屋顶悬挑造型施工平台的解决方案进行比选，在安全性、经济性、可行性等方面对比，最终选择下撑式悬挑型钢施工平台技术方案。对下撑式悬挑型钢施工平台进行详细的构造设计和荷载分析，计算各节点的受力大小，验算主体结构的稳定性，使技术方案满足相关规范的要求。通过有限元分析软件对案例中的下撑式悬挑型钢施工平台进行数值分析，为类似下撑式悬挑施工平台的设计提供借鉴价值。
【关键词】 悬挑脚手架；施工平台；理论计算；施工方案
引言
当前中国的建筑业正处于高速发展阶段，伴随社会经济的发展，建筑形态也发生了巨大的改观，超高层建筑、超大体量建筑、非常态形体建筑等层出不穷，高空大悬挑造型就是比较常见的建筑形体之一。鉴于悬挑造型往往处于高空，且悬挑跨度也比较大，给建筑作品增添亮点的同时，随之带来的是施工难度的增加，危险系数的增加，普通脚手架的施工工艺已经无法满足实际工程需求，这就需要针对不同的工程项目对施工工艺、管理方式进行优化。针对悬挑造型施工工艺设计、施工组织管理、质量控制、高空作业的安全管理等施工难点，需要进行科学、合理的设计和组织管理，否则会使悬挑造型施工过程危险源增加[1]，人、材、机等资源造成浪费，施工进度也得不到保证，因此选择安全可靠的施工措施是确保安全生产及顺利完成建设任务的关键所在。
1 工程概况
济南市某工程主楼地上15层，地下1层，建筑高度为77.7m，建筑面积50006.4m2，是一座集办公、会议、接待、餐饮、车库为一体的现代化业务技术用房。
建筑外立面装饰为石材幕墙及玻璃幕墙，屋顶造型均为悬挑弧形铝板幕墙。工程造型独特，设计新颖，根据幕墙图纸提供数据，屋顶铝单板挑檐造型外挑出主体5.00 m，且位于标高69.50 m至77.60 m之间，挑檐采用HW200×200×8×12（mm）钢梁做主骨架，60×120×4（mm）方钢管做铝板幕墙的主龙骨，外围干挂悬挑弧形铝单板，详见剖面图1。
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图1 屋顶造型剖面图
2 施工方案比选
通过社会调研，附近施工的济南市市委党校新校区图书办公楼工程坡屋面造型为悬挑结构，悬挑5.3 m，结构所在高度为36.0 m，该结构施工时采用的是传统落地脚手架，施工周期长。经过方案论证及计算复核，若本工程采取同样的施工方式，脚手架架体搭设高度高达78.6 m，架体宽度为5.0 m，总长度为185.0m，一次性投入钢管及人工量太大，还需将底部悬挑脚手架全部拆除，时间长且工期难以保证。此外，若局部脚手架落于裙楼屋面之上，需对相应屋面结构进行加固处理，而且影响屋面工程施工，拉结点和卸荷点较难设置[2]，安全隐患较大，需重新考虑更优的施工方案。
通过分析悬挑施工平台的演变及应用现状，以下方式可为方案选择提供参考依据：①型钢三角支撑钢平台（下撑式支撑结构）；②钢筋斜拉式钢平台（斜拉式支撑结构）；③悬挑梁式支撑结构。
结合工程实际情况，经过初步设计计算，若采用方案③悬挑梁式支撑结构，悬挑段长度为4.8 m，锚固段长度不小于6.0 m，整段型钢长度大于11.0 m，经过市场调研无此型号钢材，且外挑长度过长，挠度变形太大，稳定性差，因此方案③不符合实际工程施工需求。
通过综合分析方案①型钢三角支撑钢平台（下撑式支撑结构）及方案②钢筋斜拉式钢平台（斜拉式支撑结构）是可以实现工程施工需求的两种可选方案。
针对两种方案的构造、受力分析以及安全性、经济性、适用性等进行综合比较分析，详见表1。
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通过对比分析发现，型钢三角支撑钢平台（下撑式支撑结构）方案可以为屋顶造型的施工提供了一个安全、可靠、实用的施工承载平台，悬挑钢梁采用型钢，底部斜撑采用型钢，悬挑梁上部采用钢丝绳进行斜拉作为安全储备，由以上三种构件组成的悬挑型钢施工平台，将被用来完成屋顶悬挑造型的施工。
3 下撑式悬挑型钢施工平台设计
屋顶造型向外悬挑5.00 m，悬挑跨度较大，标高在77.45 m。根据方案比选，需要在屋面结构层设置悬挑施工平台并按照规范搭设扣件式钢管脚手架进行屋顶弧形铝板外装饰施工，具体构造如下：
（1）在第一道花架梁位置（标高69.50 m）处设置悬挑钢梁，纵向间距为2.6 m，悬挑钢梁生根于边梁侧面；
（2）在屋面层结构（64.70 m处）设置斜撑，斜撑构件上端与外挑钢梁进行连接，下端与屋面结构边梁进行固定。
（3）在第二层花架梁（73.70 m标高）位置设置φ14钢丝绳拉锁，间距2.6m；
（4）外挑钢梁上搭设横梁，间距1.3m，脚手架搭设在横梁之上。构造详见图2所示。
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图2 下撑式悬挑平台设置示意图
通过设计计算及复核，对主梁及斜撑钢梁型号、埋件尺寸、焊缝大小、螺栓直径以及钢丝绳等规格数据进行了验算，并对施工平台上部搁置钢梁、架体搭设的间距、步距、连墙件等进行了验算，最终确定了悬挑施工平台的具体构造参数，为悬挑施工平台的实施提供了理论数据。
4 悬挑型钢施工平台有限元分析
通过ABAQUS 6.14建立了案例中的下撑式悬挑型钢施工平台全尺寸几何模型，并对各单元赋予相应的截面及材料属性，通过建立边界条件和施加设计荷载对施工平台进行了静力分析。
考虑到下撑式悬挑型钢施工平台的尺寸较大，且主要构件工字钢和钢索的截面相对较小，采用实体模型将会带来巨大的计算工作量，因此，采用三维线单元模拟整个下撑式悬挑型钢施工平台。下撑式悬挑型钢施工平台线单元模型如图3所示。
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采用有限元分析软件ABAQUS对下撑式悬挑型钢施工平台进行了有限元数值分析，并将手算结果、有限元分析结果和实际监测结果进行了对比分析，得出以下结论：
（1）采用线性梁单元对下撑式悬挑型钢施工平台进行了建模，既保证了计算的精度要求又解决了实体单元带来的巨大计算量的问题，此模型可为类似下撑式悬挑型钢施工平台的设计提供参考。
（2）分析了下撑式悬挑型钢施工平台的应力应变结果和位移变形结果，下撑式悬挑型钢施工平台的最大应力处位于悬挑钢梁跨中位置，斜撑和钢索的应力分布最小；平台的最大竖向位移处位于搁置横梁跨中位置，可达13.53 mm。
（3）手算和有限元计算均能在一定程度上达到设计所需的精度要求，因此，下撑式悬挑型钢施工平台设计时需要进行严谨的计算分析，必要时需结合手算和有限元分析，相互佐证。
5 结语
本文以下撑式悬挑型钢施工平台作为研究对象，结合工程实际情况，对下撑式悬挑型钢施工平台的细部构造进行了详细设计，对型钢支撑、架体以及焊缝、螺栓等进行分析计算，对各杆件的选择、构造的受力及结构的稳定性进行验算，最终得到设计方案是科学的、可行的，是满足规范要求的。同时通过有限元分析软件对案例中的下撑式悬挑型钢施工平台进行数值分析，模型采用三维线性杆单元建立，杆件间节点均采用刚节点，施工平台与建筑物主体间采用铰结点连接。结合手算结果、有限元分析结果和施工过程实时监测数据，为类似悬挑施工平台的设计提供借鉴价值。
通过采用下撑式悬挑型钢施工平台的施工方案，施工任务顺利完成，保证了整体施工工期，且创造了良好的经济效益，通过实践证明下撑式悬挑型钢施工平台的施工方案对本工程是经济适用的、安全可靠的。
参考文献
[1]温鹤华, 施树林. 悬挑式操作平台作业的危险源辨识评价与控制 [J]. 建筑安全, 2017(10): 12-15..
[2]曾倬信. 悬挑式扣件钢管脚手架搭设的新方法 [J]. 广西大学学报(自然科学版). 2008, 33(增刊): 38-42.