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.上海建工一建集團有限公司 上海 200120；2.上海市建設工程安全質量監督總站 上海 200032

1 背景與現狀

在國內建筑施工領域，整體提升腳手架體系從上世紀90年代開始隨著建筑高度的不斷攀升而興起。經過20 年的發展，相關的施工技術日趨成熟。目前，由于在超高層施工中顯著的社會效益和經濟效益[1-3]，整體提升腳手架體系在高層建筑施工中的應用越來越廣泛[4]。在施工應用中，其架體結構主要采用鋼管扣件拼裝形式，腳手板及防護網一般采用木板、竹笆和綠網等可燃材料[5]。這些可燃材料在施工現場不可避免地會接觸到焊接切割等施工過程產生的火花及高溫熔融物。因此，存在穿透綠網和引燃木質腳手板的潛在風險。針對以上問題，出現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的風險。阻燃型組合式整體提升腳手架的應用，給高層建筑的施工帶來了良好的社會效益和經濟效益。

2 新式結構簡介

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10 步11 排，每步高度1.8 m，每2 步作為一個標準段，各段之間通過螺栓相互連接。架體總高19.8 m。水平方向根據施工結構的具體情況搭設。同時，也有單步的標準段，其標準段總高度只有1.8 m。配合高度為2 步的標準段，可以組裝出總高度為1.8 m的倍數的各種架體。

標準段的兩立桿間水平距離為1.5 m，提升機位段布置在標準段兩邊。角部等非標準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 組機位與2 組標準段拼接后如圖1所示。

考慮阻燃防火及防穿透性能，架體側網采用鋼絲網片，走道板采用鋼板網，最下一層走道板采用厚3 mm的花紋鋼板。

3 工況分析

根據架體位置狀態不同，可以分為施工工況與爬升工況。根據環境風荷載的不同，分為6級風工況與8級風工況。在風速等級大于6級時，不宜進行提升施工。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

架體自重荷載由計算模型自動生成，荷載按2 層同時作業計算，工作狀況時按每層3 kN/m2計算，升降及墜落狀況時按每層0.5 kN/m2計算。架體在6級風作用下的風荷載標準值Wk=0.119 kN/m2。同理，架體在8級風作用下的風荷載標準值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，其力學性能對施工安全和周轉利用均有重要意義。構成其縱向傳力體系的主要構件是立桿和豎向槽鋼。因此，對其進行的力學分析時，側重于其立桿和豎向槽鋼組成的骨架體系。

4.1 模型建立

根據上述結構，水平方向取5 組機位與4 組標準段的拼接體建立傳力系統的計算模型。模型中忽略側網和腳手板等構件的影響。考慮結構自重、施工荷載、風荷載的作用，建立有限元模型如圖2所示。

圖1 架體立面

圖2 架體計算模型

模型約束情況根據工況確定，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構上，中部與墻體設置1 道硬拉結，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，架體導軌與滾輪連接。

4.2 計算結果

4.2.1 工況一計算結果

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

架體結構的變形如圖4所示。最大變形為43.5 mm，發生在腳手架最上端，小于相關規范規定的最大撓度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。經驗算，螺栓連接及其他各節點的連接強度均符合要求。

4.2.2 工況二計算結果

圖3 工況一應力云圖

圖4 工況一變形云圖

工況二時，腳手架在8級風作用下工作。計算得到架體應力如圖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。根據承載力設計相關規范，計算得到γ0S=186.1 MPa＜215 MPa。因此，8級風作用下，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，小于相關規范要求的最大撓度L/300=60 mm。

圖5 工況二應力云圖

圖6 工況二變形云圖

4.2.3 工況三計算結果

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

爬升狀態同時在6級風作用下，架體結構的變形如圖8所示。架體的最大變形為27.7 mm，發生在腳手架中部最頂端，其數值滿足相關規范要求。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構進行建模。因此，在風荷載作用下，3 個工況的最大位移都出現在架體頂部，位移的主要方向均為與風荷載方向相同的水平方向。這表明，附墻措施對架體的抗風性能至關重要。

圖7 工況三應力云圖

圖8 工況三變形云圖

4.2.4 結果比較

對上述3 個工況的計算結果進行比較，數據如表2所示。

表2 3 個工況的結果對比

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

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

5 結語

文中所作的力學分析，驗證了阻燃型組合式整體提升腳手架體系的力學性能，為這種新型腳手架體系的應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，計算結果表明，風荷載是架體力學性能的重要影響因素[6-9]。尤其是8級以上大風，會對其安全施工構成一定的威脅。在遇到大風的情況下，應該增加附墻裝置，增強架體的抗風能力。