腳手架事故分析

摘要：腳手架作為建筑施工中提供工人工作臺以及擺放建材和設(shè)備的平臺，對施工安全有著特別重要的意義。本文通過三例腳手架事故的調(diào)查報告以及國內(nèi)外的現(xiàn)場調(diào)查資料，總結(jié)了腳手架事故發(fā)生的原因。本文中列出這些導致事故的因素，提出了相應(yīng)的措施。并且對國外的規(guī)范和最新的研究成果做了回顧，結(jié)合國內(nèi)的情況，提出了一些建設(shè)性的建議。

關(guān)鍵詞：腳手架，施工安全，施工事故，結(jié)構(gòu)分析

一 引言

腳手架作為臨時建筑廣泛的應(yīng)用在各個施工現(xiàn)場，來提供工人的工作通道和平臺，同時堆放建筑材料和設(shè)備。很多具有不同的結(jié)構(gòu)形式，不同的構(gòu)件材料，以及不同規(guī)模的腳手架被廣泛運用在各個施工現(xiàn)場上，如圖1所示。

由于腳手架作為臨時建筑來使用，保證它的安全性非常重要，同時也比較困難。每年非常多的腳手架事故發(fā)生，其中的一些導致了嚴重的損失。例如1998年在美國紐約的時代廣場發(fā)生的腳手架倒塌事故，還有1978年在美國的西弗吉尼亞一個冷卻塔的工地上發(fā)生的腳手架倒塌事故，在后面的事故中，51人死亡 [5][6]。國內(nèi)也時有很多的腳手架的倒塌事故的報道[10]。

為了防止這樣的事故發(fā)生，首先要從這些事故中提取事故的原因，提出相應(yīng)的措施，并且在以后的施工中汲取這些方面的教訓。

a）珠海的一個腳手架工程

b） 中國香港的一個腳手架工程

圖1： 典型腳手架工程實例

本文首先研究了幾起嚴重腳手架倒塌事故調(diào)查報告，收集了很多國內(nèi)外的現(xiàn)場調(diào)查資料，從這些材料中總結(jié)了腳手架倒塌事故的原因，然后提出了應(yīng)對的措施，并且結(jié)合國外的規(guī)范和研究成果以及國內(nèi)的情況，對提高國內(nèi)腳手架施工安全提出了一些指導性的意見。

二 案例分析及現(xiàn)場調(diào)查

這里首先分析了幾個嚴重的腳手架倒塌案例，一些現(xiàn)場調(diào)查材料也在這里列出來。

1. 案例1

Glenn P. Rentschler 等人 （2000） 調(diào)查了美國紐約市1998年發(fā)生的一起腳手架倒塌事故，如圖2所示。

圖2，坍塌現(xiàn)場照片

通過現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)在21層和22層有一些側(cè)向支撐構(gòu)件遺失。這些構(gòu)件施工初期本來是有安裝的，可是由于工人認識不足，施工中錯誤操作將其拆除，導致了結(jié)構(gòu)側(cè)向支撐不足，屈曲承載能力下降，最后導致提前失穩(wěn)坍塌。另一方面，從有限元分析來看，框架連接的剛度也非常大的影響了結(jié)構(gòu)的屈曲承載能力。結(jié)構(gòu)的屈曲承載能力系數(shù)從2.07 （剛接節(jié)點假設(shè)）減少到1.22（半剛性節(jié)點假設(shè)）。可以看出，如果不是側(cè)向約束不足，即使剛性假設(shè)不符實際，結(jié)構(gòu)已有足夠的安全空間。所以從整個的調(diào)查來看，導致腳手架倒塌的原因是由于21層22層側(cè)向X型支撐的不足[6]。

2. 案例2

Emmaunel E. Velivasakis 等人（1997）調(diào)查了美國西弗吉尼亞的一個冷卻塔的腳手架倒塌事故，如圖3所示。這個倒塌事故導致了嚴重的損失， 51人在本次事故中死亡。

圖3，西弗吉尼亞的腳手架倒塌事故現(xiàn)場的瓦礫

這個調(diào)查報告的結(jié)論是由于工人施工的時候不正確的施工順序，在沒有拆卸承重構(gòu)件之前，錯誤的提前拆卸了錨固的受力構(gòu)件，從而導致了結(jié)構(gòu)的坍塌。

在這個報告提交之前，曾經(jīng)有幾份報告的結(jié)論說這個腳手架新穎的結(jié)構(gòu)方案不合理，而且結(jié)構(gòu)方案的缺陷是導致腳手架坍塌的關(guān)鍵原因。這篇報告批駁了這個看法，強調(diào)事故的原因在于工人缺乏專業(yè)意識的操作和現(xiàn)場監(jiān)督，而不是這個結(jié)構(gòu)體系的缺陷[5]。

3. 案例3

熊輝（1999）調(diào)查了1998年8月中國的一個火電廠鍋爐配套工程安裝中發(fā)生的腳手架事故。在這起事故中，腳手架坍塌，一個工人從37米的高處掉下來，當場身亡[10]。

報告分析事故的原因有三個。首先是扣件質(zhì)量問題，從現(xiàn)場取樣的扣件發(fā)現(xiàn)一些扣件存在長短不一的裂紋，而且更讓人擔心的是這些扣件都被重新上了油漆，掩飾了扣件的質(zhì)量問題。如果不是用專業(yè)設(shè)備，根本無法用肉眼發(fā)現(xiàn)裂紋，為工程質(zhì)量帶來了隱患。

其次是不合理，不完整的結(jié)構(gòu)。本來每個構(gòu)件應(yīng)該是兩頭都有搭接，這樣的構(gòu)件形成簡支梁，和構(gòu)件本身的設(shè)計用途一致，可是在本工程中，很多構(gòu)件只在一頭搭接，這樣就成為了懸臂梁。構(gòu)件承受過大的彎矩，也導致扣件承受非常大的彎矩，而搭接的扣件本來是不作承受彎矩用途的，所以這也成為導致腳手架的坍塌因素之一。

還有就是工人不合理的個人保護，應(yīng)該是要系安全帶上現(xiàn)場的，可是當時沒有系，導致發(fā)生事故的時候沒有受到保護，從高空墜下。

3. 現(xiàn)場調(diào)查資料

除了坍塌案例之外，很多的腳手架施工現(xiàn)場調(diào)查的信息在這里整理列出來，從這些信息看出來，很多的潛在因素都可以導致腳手架的坍塌。

a） 結(jié)構(gòu)單元損壞，銹蝕嚴重

b） 基礎(chǔ)不足

c） 缺乏基礎(chǔ)支撐

d） 危險的基礎(chǔ)支撐

e） 結(jié)構(gòu)不完整

f） 不恰當?shù)暮奢d堆放

g）節(jié)點連接不足

h） 已經(jīng)斷了一條腳的腳手架構(gòu)件

圖4，潛在的坍塌因素

基于這些案例分析和現(xiàn)場調(diào)查情況，可以得到以下可以導致腳手架坍塌的原因：

1， 對腳手架沒有專業(yè)意識的錯誤施工和操作，例如錯誤的施工順序，不恰當?shù)男冻恍╆P(guān)鍵的支撐構(gòu)件，不完整的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，不穩(wěn)定的基礎(chǔ)，不恰當?shù)暮奢d堆積，以及采用有嚴重缺陷的構(gòu)件等等。

2， 缺乏現(xiàn)場的監(jiān)督和質(zhì)量檢測，特別是在某些重要的施工階段。

3， 對結(jié)構(gòu)的模擬的不當而導致的結(jié)構(gòu)設(shè)計能力不足，例如節(jié)點的剛度的模擬，從案例1的調(diào)查報告可以看出來節(jié)點剛度對結(jié)構(gòu)極限承載能力有非常大影響。

從以上提到的原因來看，可以采用下面的相應(yīng)的措施來防止這些潛在的事故原因的出現(xiàn)：

1， 編撰施工技術(shù)規(guī)程來詳細規(guī)定正確的腳手架施工操作，強制訓練現(xiàn)場工人以及要求經(jīng)常性的現(xiàn)場檢查；

2， 發(fā)展更加精確和符合實際的分析方法和軟件來精確的模擬腳手架的屈曲能力和屈曲模態(tài)。

關(guān)于規(guī)程，國內(nèi)關(guān)于腳手架的規(guī)范就只有《建筑施工門式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范JGJ128-2000》，我國還未構(gòu)件完整的關(guān)于腳手架的規(guī)范體系來函蓋腳手架的各個方面，例如培訓，設(shè)計，施工，檢查，監(jiān)督等方面。關(guān)于腳手架的分析方面的研究現(xiàn)在也沒有一套成熟而且精確的技術(shù)。針對以上的問題，現(xiàn)在國際上已經(jīng)有了一些成熟的腳手架規(guī)程以及關(guān)于結(jié)構(gòu)分析的研究成果，其中一些方法和思路可以用來提高我國的行業(yè)技術(shù)水平。

三 國外規(guī)范和相關(guān)技術(shù)

1.BS Code 的回顧

當前，英聯(lián)邦規(guī)范BS Code在國際上享有很高的地位，并且被很多國家所采用。其中，BS 1139—Metal scaffolding， BS 5973—Code of practice for access and working scaffolds in steel， 和BS2482—Timber scaffolds boards和腳手架的設(shè)計和施工相關(guān)，這三個規(guī)范一起構(gòu)成了關(guān)于腳手架設(shè)計，施工，檢測的英聯(lián)邦規(guī)范體系。在設(shè)計中，BS 449也被這三個規(guī)范引用到。這些規(guī)范可以用來參考構(gòu)建我國自己的腳手架規(guī)范體系。

同時，也可以看出來，BS Code沒有考慮竹腳手架的設(shè)計，施工，檢測的問題。這是因為英國本土不產(chǎn)竹子，所以竹腳手架很少采用，而像在中國的南方和中國香港，則是有幾千年的使用竹腳手架的歷史，有大批的竹腳手架的熟練工人，直至今日，仍大量的采用竹腳手架。所以在我國的規(guī)范中，應(yīng)該考慮到這一現(xiàn)實因素，函蓋竹腳手架。

2.最新的腳手架分析研究成果

由于香港的大量使用竹腳手架的需要，一些關(guān)于竹腳手架的研究已經(jīng)開展并且取得了一些成果。香港學者S. L. Chan 等人（1998）已經(jīng)進行了很多的試驗，并且提出了一系列的經(jīng)驗公式，編制了軟件來進行竹腳手架的設(shè)計分析工作。這些工作的成果可以用到國內(nèi)的規(guī)范規(guī)程的制定中[9]。

其次，關(guān)于設(shè)計的方法方面，傳統(tǒng)的設(shè)計都是假設(shè)所有的單元只承受軸力，采用線性分析獲得內(nèi)力，然后根據(jù)經(jīng)驗公式，一根桿件一根桿件的檢驗。其他因素，例如次要支撐的作用，單元的初彎曲，構(gòu)件的連續(xù)性，節(jié)點剛度等等通過調(diào)整有效長度的方法來考慮（Matthew Marjerrison 1968）。這樣的設(shè)計方法沒有考慮到結(jié)構(gòu)的非線性效應(yīng)，對節(jié)點剛度，初彎曲，構(gòu)件相互作用等因素的考慮都比較模糊，從而為設(shè)計的安全帶來隱患。從第一個案例分析可以看出來，結(jié)點剛度對屈曲極限的影響可以達到將近50%。另外結(jié)構(gòu)的非線性效應(yīng)，例如圖-5所示的P-? 和 P-δ 效應(yīng)對于一些高聳的腳手架工程的影響非常的答，所以考慮這些因素的高級非線性分析驗證是非常必要的。

圖5， P-? 和 P-δ 效應(yīng)的描述

隨著計算機和有限元方法（FEA）的發(fā)展，現(xiàn)在更精確的分析方法可以考慮以上的因素，從而可以更好的預測腳手架結(jié)構(gòu)體系的行為了。

Goman Wai-Ming Ho等人（1993）提出了一個方法精確的模擬框架結(jié)構(gòu)。在考慮了P-? 和 P-δ 效應(yīng)的同時，半剛性節(jié)點也可以在分析中考慮進去。因此，用這樣的方法，可以更好的預計結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)荷載和失穩(wěn)模態(tài)，從而避免由于不恰當?shù)脑O(shè)計而導致的事故。

Albermani和Kitipornchai （2003） 已經(jīng)提出了一個程序AK-Tower，可以進行輸電塔結(jié)構(gòu)的整體分析，在這個程序中，可以考慮幾何非線性和材料非線性，同時考慮截面的不對稱性，螺栓的滑移等因素。這個程序已經(jīng)廣泛的運用在輸電塔設(shè)計中，和已經(jīng)進行了的足尺模型進行對比，其計算結(jié)果和試驗結(jié)果吻合的非常好。盡管輸電塔和腳手架結(jié)構(gòu)是不同的結(jié)構(gòu)，但是都屬于鋼框架結(jié)構(gòu)體系的范疇，可以將這個分析方法移植到腳手架體系的分析設(shè)計中，開發(fā)出適用于腳手架結(jié)構(gòu)的精確模擬程序。

以上的成果都可以借鑒用來提高我國的腳手架行業(yè)水平。

四 討論和結(jié)論

從案例分析和現(xiàn)場調(diào)查得出了腳手架結(jié)構(gòu)坍塌的潛在原因，為了防止這樣的事故的發(fā)生，提出了相應(yīng)的方法來為腳手架的施工，檢查，培訓提供一個嚴格的標準和指導。

為了提高國內(nèi)的行業(yè)水平，回顧了國外的規(guī)范并介紹了一些研究成果，其中一些先進的東西可以被我們所借鑒，來建構(gòu)我國自己的腳手架規(guī)范體系，提高我國的腳手架的施工和設(shè)計水平，減少事故。

致謝

真誠感謝香港城市大學建筑系康文江博士提供的意見，資料，討論，以及在本文的研究中提供的其他無私幫助。

參考文獻

1， Albermani， F. Kitipornchai， S. （2003）， Numerical Simulation of Structural Behaviour of Transmission Towers， Thin-Walled Structures， 41（2-3）， p.167-177.

2， British Standards Institution. （1990） BS 1139： Metal scaffolding， Parts 1 to 5

3， British Standards Institution. （1969） BS 449： Structural steel

4， British Standards Institution. （1993） BS 5973： Code of practice for access and working scaffolds in steel

5， Emmanuel E. Velivasakis， P.E.， F.ASCE. （1997） “The willow island cooling tower scaffold collapse--America’s worst construction accident”. Forensic engineering： proceedings of the First Congress ： October 5-8， 1997， Minneapolis， Minnesota， USA. pp. 94-105.

6， Glenn P. Rentschler， Stephanie Walkup. （2000） “Times Square scaffold collapse”. Forensic engineering： proceedings of the second congress， May 21-23， 2000， San Juan， Puerto Rico. pp. 75-84.

7， Goman Wai-Ming Ho， Siu-Lai Chan. （1993） “An accurate and efficient method for large deflection inelastic analysis of frames with semi-rigid connections”. Journal of Constructional Steel Research， Volume 26， Issues 2-3. pp. 171-191.

8， Matthew Marjerrison. （1968） “Electric transmission tower design”. Journal of the power division， ASCE， 94（PO1）， pp. 1-23

9， S. L. Chan， Francis K. W. Wong， Francis Y. S. So and S. W. Poon. （1998） “Empirical design and structural performance of bamboo scaffolding”. Symposium on bamboo and metal scaffolding--the Proceedings organized by HKIE in 1998， Hong Kong. pp. 5-21.

10， 熊輝（1999），一起臨時行腳手架倒塌事故分析，安全和健康，第九期，pp. 25-26.

薛春學：深圳巴士集團股份有限公司，工程師。