摘要：近年来，在城市建设中，高层建筑越来越多，脚手架型式主要表现为型钢底座悬挑式脚手架和自升式爬架两种，其中悬挑架受建筑结构形式影响小、成本相对较低、且安全可靠，所以有很多高层建筑的外脚手架采用的是型钢底座悬挑脚手架。本文主要介绍了非标工字钢悬挑架的搭设基本构造，并且重点分析了荷载的取值与组合。
关键词:悬挑式；非国标；工字钢底座
在我单位已安全顺利完工的泾渭上城一期高层16#楼主体维护架工程中，曾经也采用了悬挑脚手架。
工程概况为：泾渭上城一期16#楼为12层复式建筑，建筑面积约12560㎡，每一大层层高为4.85m，建筑总高度为58.1m。
从3大层顶以上开始，每3大层计14.55m，均符合小于15m的高度限制；分段搭设悬挑脚手架，分段情况为：4~6层、7~9层、10~12层，共搭设了三步悬挑脚手架。
我在此主要谈谈第三步10~12层悬挑脚手架的搭设。
由于在第一步4~6层、第二步7~9层的悬挑架使用后，部分型钢已有变形的情况，为了保证安全，所以不能再继续使用，故我项目部外购了部分工字钢，拟用于搭设第三步10~12层悬挑脚手架。
由于工期紧及资金周转较困难等因素，此次购回的16#工字钢的材质符合国家标准，只是尺寸规格与国标有一点差别，为了验证使用其在过程中的安全性能，故在使用之前，对该非标准的工字钢单独进行了设计受力验算。
验算步骤如下：
一、非标工字钢悬挑架的搭设基本构造：
Φ48×3.5钢管双排脚手架, 立杆纵距为1.5m,步距为1.8m；非标工字钢外挑L1 =1.0m，外立杆离墙L=0.95m,内外立杆横距0.65m,内立杆距墙a=0.3m； 非标工字钢内侧远端固定点预埋环离外墙边1.65m，架体高度15米。
满铺设4层竹架板，底层及各操作层均设置。
施工作业层按2层计，每层活荷载为 3KN/m2，作业层设栏杆和挡脚板。
脚手架外立杆里侧挂密目安全网封闭施工。
非标工字钢底座及预埋件示意图见下 图1 ：
图1：工字钢底座及预埋件示意图
二、荷载取值与组合
1. 脚手架立杆结构自重 ( 包括、纵、横水平杆、剪刀撑、横向斜撑和扣件 ):
查 (JGJ130-2011) 规范 ( 以下简称规范 ) 表 A-1得：
N1=15×0.1248=1.872 KN
2、构、配件自重
2.1 外立杆
a、 竹架板 , 按两步架铺设一层计,共4层,单位荷重按0.35KN/㎡，查表4.2.1-1，
N2.1.a=(4×0.65×1.50×0.35)/2=0.683 kN
b、 护身栏杆、挡脚板( 挡脚板按4层计 )，及相应钢管、扣件自重， 查表4.2.1-2、附录B、表A-2。
N2.1.b =4×0.65×1.50×0.14+4×l.5×0.0384+4×0.0132=0.829 KN
c、 安全立网，荷载约为0.01KN/㎡
N2.1.c=15×1.5×0.01=0.225 KN
合计 ：N2.1 = N2.1.a + N2.1.b + N2.1.c =0.683+0.829+0.225=1.737 KN
2.2 内立杆
a 、竹架板，按两步架铺设一层计,共4层,单位荷重按0.35KN/㎡计，查表4.2.1-1；
N2.2.a =(4×0.65×1.5×0.35)/2 =0.683 KN
b 、架体与墙体之间的30公分空隙铺设安全平网，荷载约为0.01KN/㎡
N2.2.b=4×1.5×0.3×0.01=0.018 KN
合计：N 2.2= N2.2.a + N2.2.b =0.683 + 0.018=0.701 kN
2.3 施工荷载, 按2层计，每层活荷载为 3KN/m2。
外立杆 N2.3.1= 2×1.5×0.65×3/2=2.925 KN
内立杆 N2.3.2= 2×1.5×0.65×3/2=2.925 KN
2.4 垂直荷载组合
a 、外立杆
N4a = 1.2×(N1+ N2.1)+1.4×N2.3.1
= 1.2×(1.872+1.737)+1.4×2.925
= 8.426 KN
b、 内立杆
N4b =1.2×(N1+ N2.2)+1.4×N2.3.2
=1.2×（1.872+0.701）+1.4×2.925
=7.183 KN
3、水平悬挑梁设计
选用16#非标工字钢，其规格尺寸如下示意图 图2：
图2 非标工字钢截面示意图
高h=160mm 腿宽度b=89mm 平均腿厚t=6mm 腰厚d=5mm
由于工字钢规格尺寸不标准，故其惯性矩Ix 、截面模量Wx及自重q均无法从五金手册等相关资料上查询，如把它视同为H型钢，可采用材料力学里面的组合截面惯性矩的相关公式，对其自重q、惯性矩Ix 、截面模量Wx进行计算。
3.1、自重q计算
q =（0.089×0.006×2 + 0.148×0.005）× 7850 = 14.2Kg/m = 0.14KN/m
3.2、惯性矩Ix计算
该非标工字钢可分解为上、中、下三个组合截面，具体如下图3：
图3：惯性矩组合截面示意图
A 上 ：宽b=89mm、高h=6mm 、该截面形心0上至工字钢形心0中距离为77mm。
A 中 ：宽b=5mm、 高h=148mm 、该截面形心0中与工字钢形心0中重合，距离为0mm。
A 下 ：宽b=89mm、高h=6mm 、该截面形心0下至工字钢形心0中距离为77mm。
水平形心主轴 X0 通过工字钢中心。
根据惯性矩的平行移轴原理，截面对水平形心主轴 X0的惯性矩为：截面自身的惯性矩+该截面面积×该截面中心至水平形心主轴 X0距离的平方。
计算示意图如下：
A 上截面对水平形心主轴 X0的惯性矩为：
I上 = 89×63/12 + 89×6×772 =316.77cm4
A 下截面对水平形心主轴 X0的惯性矩为：
I下= 89×63/12 + 89×6×772 =316.77 cm4
A 中截面对水平形心主轴 X0的惯性矩为：
I中= 5×1483/12 + 5×148×02 =135.07 cm4
根据组合截面对主轴的惯性矩等于各截面对主轴惯性矩之和
故 Ix = I上 + I下 + I中 = 316.77×2 + 135.07 =768.61 cm4
3.3、截面模量Wx的计算
根据材料力学计算公式
Wx =Ix/(h/2) =Ix×2/h =768.61 cm4×2 /16 cm= 96.0 cm3
3.4、故16#非标工字钢的截面特性如下：
自重q=0.14KN/m ,惯性矩Ix=768cm4，截面模量Wx=96cm3，
3.5、最大弯矩验算
根据结构力学悬臂梁的相应的弯矩计算公式，得
M= N4a×L + N4b×a + 1.2×q×L1 ×L1/2
=8.426×0.95 + 7.183×0.3 + 1.2×0.14×1.0×1.0/2
=10.24 KN.m
根据力学相关公式，悬挑梁弯曲应力为：
= M/Wx = 10.24×106 N.mm /9.6×104 mm3
=106.7N/mm2 ＜ f=205N/mm2，
故，安全。
Q235钢抗拉、抗压和抗弯强度设计值f=205N/mm2 ,钢材的弹性模量E=2.06×105 见(JGJ130-2001) 规范 ( 以下简称规范 ) 表 5.1.6。
3.6、挠度验算
根据结构力学悬臂梁的挠度计算公式，工字钢上主要受到两个集中力N4a 、N4b ，故总挠度为两个力分别产生的挠度之和，具体如下：
υ=N4a×L3/3EI+ N4b×a2（3L-a）/6EI
=（8426×9503）/（3×2.06×105×768×104）+（7183×3002）（3×950-300）/（6×2.06×105×768×104）
=1.52+0.17=1.69 ＜ 2×1000/250=8mm，
故，安全。
4、16#工字钢后部锚固钢筋设计
为简便计算及安全考虑，只认为最后一根Ф18圆钢U型卡环受力。
卡环受力为N，以外墙边界为支点，其力臂为1.65米；
工字钢上的外立杆集中力N4a ，其力臂为0.95米；内立杆集中力N4b ，其力臂为0.3米；
根据力矩平衡原理，得如下公式：N×1.65= N4a×0.95 + N4b×0.3
故 N=（8.426×0.95+7.183×0.3）/1.65=6.16KN
锚筋选用Ф18圆钢，吊环拉应力为：
=N/A=6.16×103 /（3.14×92）=24.2 N/mm2＜205 N/mm2。
故，安全。
三、社会效益
经实际检验，满足使用和安全功能，架体安全和稳定，符合要求。在当时公司资金困难的情况下，也为公司合理节约资金和成本。
以上是我在16#楼担任技术负责期间编制外架专项施工方案中的一点心得和体会，难免有欠妥之处，敬请大家批评指正。
四、结论
经过以上对非标工字钢的弯矩、挠度、预埋卡环钢筋的三方面受力验算，均符合规范要求，满足安全使用性能，故该非标工字钢可以使用。为了安全起见，我们在每根工字钢的前端均采用了钢丝绳与主体拉结，从而更加保证了架体的安全和稳定。
参考文献：
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[2]乔振斌. 悬挑脚手架工字钢抗弯强度、挠度、稳定性及锚固拉环计算一例[J]. 科技风, 2017(15):150-150.
[3]王璜.工字钢悬挑钢管外脚手架受力机理和安全性分析研究[D].安徽建筑大学, 2016.
论文作者:黄琦
论文发表刊物:《防护工程》2018年第6期
论文发表时间:2018/7/17
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