裝配式建筑施工折疊登高架的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

崔一舟 曹劉坤 潘 峰

上海建工五建集團(tuán)有限公司 上海 200063

1 研究背景

建筑登高需要，在裝配式建筑構(gòu)件吊裝過程中，需要安拆構(gòu)件頂部吊具、安裝支撐桿件等登高操作。若現(xiàn)場沒有登高平臺，而是使用人字梯、普通梯子，甚至攀附構(gòu)件邊角鋼筋進(jìn)行操作，不僅違反了安全操作要求，更是存在一定的安全隱患。

現(xiàn)有登高措施主要存在以下特點(diǎn)：

1）安全保障不足。人員登高操作須佩帶安全繩，登高2 m須懸掛在固定物上，僅有專用登高架（圖1）滿足這個要求，其他梯子沒有有效的固定物。

圖1 現(xiàn)有專用登高架

2）施工不夠方便。構(gòu)件安裝需要一直移動，所以應(yīng)輕便，方便移動，專用登高架過于笨重、龐大，無法在情況復(fù)雜的堆場、施工面靈活移動。

現(xiàn)有操作中要求使用專用登高架，但實(shí)際操作中不便于施工，無法使用，設(shè)想采用一種同時滿足安全操作和方便使用要求的登高架。

2 折疊登高架特點(diǎn)分析

綜合已有登高工具的特點(diǎn)，研發(fā)了一種適用于現(xiàn)階段裝配式建筑施工使用的折疊登高架（圖2）。架體上設(shè)置供施工人員上下架體使用的爬梯，架體頂部作業(yè)平臺鋪滿腳手板，周邊設(shè)防護(hù)欄桿和擋腳板，架體設(shè)有萬向輪，在架體移動時，有架體同步移動控制措施，在架體使用時，有防止架體移動的固定措施。

圖2 初步制作樣品

2.1 基本特點(diǎn)分析

研發(fā)的折疊登高架滿足以下幾點(diǎn)要求：

1）承載能力強(qiáng)。登高架作為人員高處操作平臺，具有一定強(qiáng)度和承載力，用于承載人員和工具進(jìn)行施工。

2）自穩(wěn)定性。登高架在額外人員輔助的情況下，具備自行穩(wěn)定的能力，不易傾覆。

3）安全保障。登高操作人員處于平臺上時有固定安全帶的位置，或類似現(xiàn)有專用登高架的圍欄，防范人員墜落風(fēng)險(xiǎn)。

4）操作方便。人字梯作為現(xiàn)有使用較為廣泛的登高工具，僅需要就位、撐開、放置卡扣，即完成登高操作，可提高施工效率。

5）尺寸小巧，便于移動。登高架在預(yù)制構(gòu)件臨時堆場及安裝操作面使用時，現(xiàn)場堆物較為凌亂，登高架尺寸小巧、輕便，方便推動或搬運(yùn)至需要操作的構(gòu)件前。

移動登高架也滿足移動門式登高架相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，要求施工荷載不大于1.5 kN/m2，高度≤8 m，高寬比≤3∶1，移動門式平面內(nèi)長短邊之比≤3∶2，列距≤1.8 m，設(shè)置掃地桿和水平縱橫桿，高寬比大于2時，使用前設(shè)拋撐[1]。

2.2 材質(zhì)、尺寸及構(gòu)造

荷載選擇參考移動門式腳手架的施工荷載要求，荷載標(biāo)準(zhǔn)值為1.5 kN/m2，操作人員最多1人并攜帶相應(yīng)的施工工具。考慮到安全余量，在施工現(xiàn)場地面可能不平整，在1根立桿未接觸支撐面的情況下，另外3根立桿應(yīng)能承受全部荷載。

高度設(shè)計(jì)為平臺板高度1.8 m、構(gòu)件高度約2.6 m，操作人員在平臺上，無需仰視便可以方便地進(jìn)行吊具安拆操作。操作寬度為預(yù)制構(gòu)件吊點(diǎn)之間距離，構(gòu)件長度在3 m左右，吊點(diǎn)在2 m左右，考慮到平臺長度，立桿間距不超過1.8 m，差距較小，平面內(nèi)長度為1.8 m。平面內(nèi)寬度選擇單股人流走動寬度600 mm。最終形成架體高寬比約3∶1。考慮到結(jié)構(gòu)安全，在外部設(shè)置1道斜梯，作為人員登高使用，同時可加強(qiáng)架體穩(wěn)定性。

架體主體結(jié)構(gòu)選用鋁合金方管，立桿截面較粗，橫桿按組成桁架方式連接。鋁合金抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度抗力分項(xiàng)系數(shù)為1.2，在計(jì)算局部強(qiáng)度時取1.3。沖壓腳手板荷載為0.30 kg/m2。

折疊方式選擇與人字梯折疊方式類似，縱橫桿連接均為可轉(zhuǎn)動鉸接節(jié)點(diǎn)，通過控制斜桿來控制架體的伸展和折疊（圖3）。

圖3 折疊登高架立面

2.3 承載力驗(yàn)算

在上面計(jì)算條件下，立桿承受荷載約2 746 N。構(gòu)件選用30 mm×30 mm×3 mm的強(qiáng)硬化鋁合金6063-T6方管，抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度為150 MPa，抗剪強(qiáng)度為85 MPa，用于焊接連接計(jì)算的焊接熱影響區(qū)抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度為80.00 MPa，焊接熱影響區(qū)抗剪強(qiáng)度45.00 MPa，彈性模量70.00×103MPa。經(jīng)計(jì)算，在3根立桿有效受壓的情況下，壓應(yīng)力極限值為5.35 MPa，抗壓強(qiáng)度滿足要求。

2.4 穩(wěn)定性驗(yàn)算

計(jì)算長度取操作面高度為1 800 mm，回轉(zhuǎn)半徑為11.65 mm，長細(xì)比154.49，穩(wěn)定性系數(shù)根據(jù)GB 50429—2007《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》取122.400，查強(qiáng)硬性鋁合金穩(wěn)定性系數(shù)表可得軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性系數(shù)為0.163，修正系數(shù)為1，構(gòu)件存在焊接，相對長細(xì)比取2.27，焊接缺陷影響系數(shù)為1，穩(wěn)定計(jì)算系數(shù)為0.155，經(jīng)計(jì)算，穩(wěn)定性滿足要求。

根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算換算長細(xì)比，按照實(shí)腹式構(gòu)件計(jì)算。x軸方向按綴條計(jì)算，綴條為6根截面積60 mm2的圓管，y軸方向按綴板計(jì)算，采用和立桿一樣的方管。計(jì)算得x軸方向的換算長細(xì)比為7.32，y軸方向的換算長細(xì)比為6.63。

規(guī)范中的綴板柱忽略了綴板的受彎變形，隨著格構(gòu)柱分肢間距的拉大，格構(gòu)柱聯(lián)結(jié)系（綴板）在橫向剪力作用下受彎影響增大，整體穩(wěn)定性將進(jìn)一步降低，規(guī)范算式不宜直接用于工程計(jì)算[2]。且GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》條文說明中也注明，一般來說，四肢構(gòu)件截面總的剛度比雙肢的差，構(gòu)件截面形狀保持不變的假定不一定能完全做到，而且分肢的受力也較不均勻，因此換算長細(xì)比取值宜偏大一些[3]。因此，參照文獻(xiàn)[1]中計(jì)算內(nèi)容，換算長細(xì)比擴(kuò)大50%取穩(wěn)定系數(shù)，可得折疊登高架整體穩(wěn)定性滿足要求。

2.5 桁架軸力驗(yàn)算

橫桿支撐為桁架，受力較為清晰（圖4），可較為輕松地計(jì)算出弦桿、腹桿受力，鋪設(shè)腳手板后，施工荷載轉(zhuǎn)化為點(diǎn)荷載，最大應(yīng)力為2.37 MPa。

圖4 支撐桁架整體受力情況

3 實(shí)際應(yīng)用

折疊登高架體使用過程，從折疊狀態(tài)到展開狀態(tài)逐步分析。

第1步，將折疊登高架推動至工作區(qū)域，松開卡扣并展開。此時存在較大問題，由登高架折疊形態(tài)到展開形態(tài)，架體處于一種非靜定狀態(tài)，此時需要2名工人手扶架體，另外1名工人進(jìn)行固定，單人無法完成折疊登高架的展開，降低了折疊登高架節(jié)省人工的效果。

第2步，完全展開折疊登高架，通過螺栓安裝的4根斜腹桿，穩(wěn)固整個架體。當(dāng)折疊登高架左右兩側(cè)各1根斜腹桿完成安裝，架體已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖5所示，無需其他工人扶穩(wěn)架體，單人即可進(jìn)行另外2根斜腹桿安裝[4-6]。

圖5 安裝斜腹桿

第3步，將完善登高架細(xì)部構(gòu)造。鎖移動輪并放下角部支撐，進(jìn)一步增強(qiáng)架體穩(wěn)定性。放置爬梯，人員到達(dá)平臺先安裝臨邊欄桿。

4 結(jié)語

經(jīng)過數(shù)值計(jì)算，可以看出折疊登高架滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求，同時相比于傳統(tǒng)施工腳手架質(zhì)量更輕、更便于移動，但也存在一定的不足。

1）折疊登高架賦予登高架一定移動、變形的性能，在裝配式建筑施工現(xiàn)場更方便移動，可減輕工人的勞動強(qiáng)度，增強(qiáng)施工過程中工人的安全保障。折疊之后登高架的尺寸縮小明顯，高寬比過小，架體穩(wěn)定性變差，移動時須控制架體，防止傾倒。

2）選用鋁合金作為登高架主體材料可完全滿足受力和安全性的要求，因此在后續(xù)施工材料中，對登高架質(zhì)量有要求時，可使用鋁合金材料替換。

3）有變形過程的登高架，不僅僅要考慮使用時的形態(tài)受力，還要考慮變形前的使用情況以及變形時的操作問題。架體展開操作較為不便，架體伸展須2根立桿遠(yuǎn)離y軸0.9 m。在單人操作下，架體從中點(diǎn)展開時，工人手臂向兩側(cè)一字平伸，此時架體未安裝斜腹桿，極易出現(xiàn)左右擺動，最終出現(xiàn)架體傾覆。

4）專為裝配式建筑施工開發(fā)的工具裝備，折疊登高架還需要在輕質(zhì)、便捷、折疊結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化，才能滿足現(xiàn)場施工的要求，也希望今后能有更加便于現(xiàn)場施工的裝備出現(xiàn)，以改善現(xiàn)場施工條件，提高施工效率。