阻燃型組合式整體提升腳手架體系的受力性能分析*

周 濤 胡成佑 劉 震

1.上海建工一建集團(tuán)有限公司 上海 200120；2.上海市建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督總站 上海 200032

1 背景與現(xiàn)狀

在國內(nèi)建筑施工領(lǐng)域，整體提升腳手架體系從上世紀(jì)90年代開始隨著建筑高度的不斷攀升而興起。經(jīng)過20 年的發(fā)展，相關(guān)的施工技術(shù)日趨成熟。目前，由于在超高層施工中顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益[1-3]，整體提升腳手架體系在高層建筑施工中的應(yīng)用越來越廣泛[4]。在施工應(yīng)用中，其架體結(jié)構(gòu)主要采用鋼管扣件拼裝形式，腳手板及防護(hù)網(wǎng)一般采用木板、竹笆和綠網(wǎng)等可燃材料[5]。這些可燃材料在施工現(xiàn)場不可避免地會接觸到焊接切割等施工過程產(chǎn)生的火花及高溫熔融物。因此，存在穿透綠網(wǎng)和引燃木質(zhì)腳手板的潛在風(fēng)險(xiǎn)。針對以上問題，出現(xiàn)了阻燃型組合式整體提升腳手架體系，它綜合考慮了防火及防墜等多方面性能，是一系列研究與試驗(yàn)的成果。

這種形式不僅施工方便快捷，而且工廠化程度和重復(fù)利用率同時得以提高。同時，由于全部采用不可燃材料，杜絕了腳手架體系引起火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。阻燃型組合式整體提升腳手架的應(yīng)用，給高層建筑的施工帶來了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2 新式結(jié)構(gòu)簡介

阻燃型組合式整體提升腳手架體系的傳力架體采用定型的水平承重桁架和豎向主框架。下部桁架和主框架由φ48 mm鋼管和5#槽鋼組成。架體豎向搭設(shè)10 步11 排，每步高度1.8 m，每2 步作為一個標(biāo)準(zhǔn)段，各段之間通過螺栓相互連接。架體總高19.8 m。水平方向根據(jù)施工結(jié)構(gòu)的具體情況搭設(shè)。同時，也有單步的標(biāo)準(zhǔn)段，其標(biāo)準(zhǔn)段總高度只有1.8 m。配合高度為2 步的標(biāo)準(zhǔn)段，可以組裝出總高度為1.8 m的倍數(shù)的各種架體。

標(biāo)準(zhǔn)段的兩立桿間水平距離為1.5 m，提升機(jī)位段布置在標(biāo)準(zhǔn)段兩邊。角部等非標(biāo)準(zhǔn)部位立桿水平距離小于1.5 m。架體距外墻0.4 m，架體走道寬度0.8 m。3 組機(jī)位與2 組標(biāo)準(zhǔn)段拼接后如圖1所示。

考慮阻燃防火及防穿透性能，架體側(cè)網(wǎng)采用鋼絲網(wǎng)片，走道板采用鋼板網(wǎng)，最下一層走道板采用厚3 mm的花紋鋼板。

3 工況分析

根據(jù)架體位置狀態(tài)不同，可以分為施工工況與爬升工況。根據(jù)環(huán)境風(fēng)荷載的不同，分為6級風(fēng)工況與8級風(fēng)工況。在風(fēng)速等級大于6級時，不宜進(jìn)行提升施工。大于8級時，對架體采取加固措施以保證施工安全。因此，架體的計(jì)算具體可分為3 種工況，如表1所示。

表1 架體工況

架體自重荷載由計(jì)算模型自動生成，荷載按2 層同時作業(yè)計(jì)算，工作狀況時按每層3 kN/m2計(jì)算，升降及墜落狀況時按每層0.5 kN/m2計(jì)算。架體在6級風(fēng)作用下的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值Wk=0.119 kN/m2。同理，架體在8級風(fēng)作用下的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值Wk=0.268 kN/m2。

4 受力分析

組合式整體提升腳手架是一種工具式施工腳手架，其力學(xué)性能對施工安全和周轉(zhuǎn)利用均有重要意義。構(gòu)成其縱向傳力體系的主要構(gòu)件是立桿和豎向槽鋼。因此，對其進(jìn)行的力學(xué)分析時，側(cè)重于其立桿和豎向槽鋼組成的骨架體系。

4.1 模型建立

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，水平方向取5 組機(jī)位與4 組標(biāo)準(zhǔn)段的拼接體建立傳力系統(tǒng)的計(jì)算模型。模型中忽略側(cè)網(wǎng)和腳手板等構(gòu)件的影響。考慮結(jié)構(gòu)自重、施工荷載、風(fēng)荷載的作用，建立有限元模型如圖2所示。

圖1 架體立面

圖2 架體計(jì)算模型

模型約束情況根據(jù)工況確定，分為工作與提升2 種情況。工作工況：底部由附墻拉桿固定在結(jié)構(gòu)上，中部與墻體設(shè)置1 道硬拉結(jié)，約束架體的水平位移。提升工況：提升動力裝置固定到底部橫梁上，架體導(dǎo)軌與滾輪連接。

4.2 計(jì)算結(jié)果

4.2.1 工況一計(jì)算結(jié)果

工況一時，腳手架在6級風(fēng)作用下工作。架體應(yīng)力如圖3所示，架體與墻體約束點(diǎn)附近應(yīng)力比較大，其余沒有直接約束的地方應(yīng)力分布相對較小。此時，架體最大應(yīng)力為90.5 MPa。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，γ0S= 81.5 MPa，小于規(guī)范要求的215 MPa。因此，腳手架在6級風(fēng)作用下的工作狀態(tài)承載力滿足要求。

架體結(jié)構(gòu)的變形如圖4所示。最大變形為43.5 mm，發(fā)生在腳手架最上端，小于相關(guān)規(guī)范規(guī)定的最大撓度L/300=60 mm。因此，架體變形符合要求。

架體主框架采用5.6級M16普通螺栓連接。經(jīng)驗(yàn)算，螺栓連接及其他各節(jié)點(diǎn)的連接強(qiáng)度均符合要求。

4.2.2 工況二計(jì)算結(jié)果

圖3 工況一應(yīng)力云圖

圖4 工況一變形云圖

工況二時，腳手架在8級風(fēng)作用下工作。計(jì)算得到架體應(yīng)力如圖5所示，從圖中可以看出，水平變形比較明顯，即架體對水平荷載比較敏感。根據(jù)承載力設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范，計(jì)算得到γ0S=186.1 MPa＜215 MPa。因此，8級風(fēng)作用下，架體承載力滿足要求。

工況二的變形如圖6所示，架體的最大變形為57.0 mm。最大變形位于腳手架中部最頂端，小于相關(guān)規(guī)范要求的最大撓度L/300=60 mm。

圖5 工況二應(yīng)力云圖

圖6 工況二變形云圖

4.2.3 工況三計(jì)算結(jié)果

工況三時，架體在6級風(fēng)作用下爬升。架體的應(yīng)力如圖7所示。從圖中可以看出，在6級風(fēng)工況下，架體的最大應(yīng)力為78.6 MPa，γ0S=70.7 MPa，小于215 MPa。因此，腳手架在爬升狀態(tài)、6級風(fēng)作用下的承載力滿足要求。

爬升狀態(tài)同時在6級風(fēng)作用下，架體結(jié)構(gòu)的變形如圖8所示。架體的最大變形為27.7 mm，發(fā)生在腳手架中部最頂端，其數(shù)值滿足相關(guān)規(guī)范要求。在模型建立時，出于安全性考慮，忽略了架體頂部及角部的一些措施的約束作用，把上部架體作為懸臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。因此，在風(fēng)荷載作用下，3 個工況的最大位移都出現(xiàn)在架體頂部，位移的主要方向均為與風(fēng)荷載方向相同的水平方向。這表明，附墻措施對架體的抗風(fēng)性能至關(guān)重要。

圖7 工況三應(yīng)力云圖

圖8 工況三變形云圖

4.2.4 結(jié)果比較

對上述3 個工況的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 3 個工況的結(jié)果對比

腳手架體系的側(cè)向剛度較小，水平風(fēng)荷載對該整體提升腳手架體系的作用十分明顯。在風(fēng)速達(dá)到8級時，其力學(xué)性能盡管仍可滿足正常工作的要求，但相對于6級風(fēng)作用下的應(yīng)力，已經(jīng)增大了一倍以上。從變形的角度看，風(fēng)荷載也是一個重要的影響因素。8級風(fēng)作用下，在無加固措施的情況下，架體的最大變形值有接近相關(guān)規(guī)范中規(guī)定的變形上限的趨勢。

因此，在風(fēng)速大于8級時，需要進(jìn)行加固處理。在豎向增設(shè)附墻，減小立桿豎向跨度，能顯著增大其側(cè)向剛度。大風(fēng)過后，再拆除臨時加固措施，進(jìn)行施工和爬升等。

5 結(jié)語

文中所作的力學(xué)分析，驗(yàn)證了阻燃型組合式整體提升腳手架體系的力學(xué)性能，為這種新型腳手架體系的應(yīng)用提供了必要的支撐，對這種新型腳手架體系的安全起到了一定的參考作用。

同時，計(jì)算結(jié)果表明，風(fēng)荷載是架體力學(xué)性能的重要影響因素[6-9]。尤其是8級以上大風(fēng)，會對其安全施工構(gòu)成一定的威脅。在遇到大風(fēng)的情況下，應(yīng)該增加附墻裝置，增強(qiáng)架體的抗風(fēng)能力。