無(wú)線遙控阻燃型整體提升腳手架防火與力學(xué)性能分析

蒲 洋

上海建工一建集團(tuán)有限公司 上海 200120

在高層建筑施工領(lǐng)域，腳手架體系是關(guān)乎安全、經(jīng)濟(jì)、施工進(jìn)度的重要設(shè)備。在高層和超高層建筑的施工中，整體提升腳手架體系的應(yīng)用非常廣泛[1]。總體上說(shuō)，目前使用的整體提升腳手體系還存在阻燃性能差、防火安全性差、模塊化程度低、現(xiàn)場(chǎng)組裝工作量大、重復(fù)利用率低等值得改進(jìn)的地方[2]。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文對(duì)現(xiàn)有的整體提升腳手架體系提出一系列優(yōu)化措施，設(shè)計(jì)出一種新型無(wú)線遙控阻燃型整體提升腳手架體系，并對(duì)其進(jìn)行防火和力學(xué)性能試驗(yàn)分析。無(wú)線遙控阻燃型整體提升腳手架體系的應(yīng)用，為超高層建筑的施工帶來(lái)了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 無(wú)線遙控阻燃型整體提升腳手架

阻燃型整體提升腳手架體系由標(biāo)準(zhǔn)模塊、提升裝置、附墻裝置、控制系統(tǒng)、防墜裝置、全封閉系統(tǒng)、防傾裝置及非標(biāo)部件等組成[3-4]。無(wú)線遙控阻燃型整體提升腳手架主要針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模塊、全封閉系統(tǒng)、控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

1.1標(biāo)準(zhǔn)模塊

對(duì)腳手架體系按照水平和垂直2個(gè)維度進(jìn)行分片，按片區(qū)進(jìn)行零部件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)零部件進(jìn)行拼裝形成標(biāo)準(zhǔn)化模塊。整體提升腳手架體系由標(biāo)準(zhǔn)模塊根據(jù)具體工程施工面的尺寸，從水平方向和豎直方向2個(gè)維度拼接組裝而成。通過(guò)模塊化解決互換性問(wèn)題，同時(shí)通過(guò)各零部件和模塊的高度標(biāo)準(zhǔn)化減少非標(biāo)部件比例，從而提高產(chǎn)品的重復(fù)利用比率。

整體提升腳手架體系按照其組裝位置和自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為中部標(biāo)準(zhǔn)模塊、角部標(biāo)準(zhǔn)模塊和底部桁架模塊3種形式，如圖1所示。中部標(biāo)準(zhǔn)模塊包括鋼結(jié)構(gòu)骨架、走道板、側(cè)網(wǎng)等。從結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)考慮，設(shè)計(jì)出2種骨架。一種是內(nèi)側(cè)單立桿，外側(cè)豎向槽鋼，兩者用槽鋼橫桿相連。另一種是內(nèi)側(cè)雙立桿，其余同上。主要荷載為施工人員操作活荷載的部位，采用單立桿骨架傳力。機(jī)位與附墻斜拉桿部位，荷載比較集中，采用雙立桿骨架。豎向立桿采用φ48 mm×3.5 mm規(guī)格鋼管，相對(duì)應(yīng)的外側(cè)豎向槽鋼和橫桿通常采用5#槽鋼。底部桁架模塊除上述各部件外，還包括角鋼斜撐、底部閘板、吊梁以及吊點(diǎn)等。一般來(lái)說(shuō)，模塊縱向維度的尺寸為3.6 m，橫向維度的尺寸為5.3 m。兩個(gè)雙立桿骨架之間距離為0.8 m，中間布置架體爬升機(jī)位。單側(cè)立桿骨架之間距離為1.5 m，中間為走道板和側(cè)網(wǎng)。模塊立桿上下兩端設(shè)計(jì)成連接接頭。走道板與骨架的橫桿連接。側(cè)網(wǎng)兩側(cè)與骨架的外側(cè)豎向槽鋼連接，上下與相鄰側(cè)網(wǎng)連接。

圖1 整體提升腳手架標(biāo)準(zhǔn)化模塊

模塊化架體通過(guò)立柱和豎向槽鋼兩端的連接件與相鄰的模塊連接在一起。其中，立桿的連接件為法蘭與螺栓連接，豎向槽鋼為夾片螺栓連接，最下面與底部模塊連接。爬升吊點(diǎn)設(shè)置在底部模塊的下部，位于架體的重心位置。各模塊吊裝時(shí)，按照規(guī)范要求通過(guò)拉桿與墻體拉結(jié)牢固。提升系統(tǒng)鉤掛到底部桁架模塊上，底部桁架模塊將架體的全部荷載通過(guò)附墻拉桿傳到附墻件上，附墻件與建筑結(jié)構(gòu)連接形成傳力路徑。通過(guò)重心吊點(diǎn)提升，進(jìn)一步保證架體在提升過(guò)程中良好的平穩(wěn)性，比傳統(tǒng)的偏心提升更安全，更不會(huì)發(fā)生傾斜。在層高不同，外形也不同的兩個(gè)項(xiàng)目之間的體型轉(zhuǎn)換，只需要按照標(biāo)準(zhǔn)模塊的高度和寬度尺寸，結(jié)合具體結(jié)構(gòu)的施工作業(yè)面情況進(jìn)行拼接組合。

1.2全封閉系統(tǒng)

對(duì)腳手板、底部閘板和側(cè)網(wǎng)進(jìn)行全方位標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，各封閉部件均采用金屬材料制作，從而獲得可靠的強(qiáng)度、美觀的外形和良好的防火性能。側(cè)網(wǎng)由4#角鋼邊框與1 mm×10 mm×10 mm鍍鋅鐵絲網(wǎng)組成，提高側(cè)網(wǎng)強(qiáng)度和防穿透能力。走道板采用4#角鋼邊框與4 mm×22 mm×30 mm的菱形鋼板網(wǎng)片組成，鋼板網(wǎng)片周邊點(diǎn)焊到角鋼框上，提高走道板強(qiáng)度和防墜物能力。底部閘板由槽鋼與厚2.5 mm的花紋鋼板組成，腳手架底部與建筑物之間的空隙采用厚2.5 mm的軋花鋼板作為隔離翻板。隔離翻板上開(kāi)條形孔，遠(yuǎn)離墻面的孔端適度擴(kuò)圓孔。翻板的限位栓穿過(guò)條形開(kāi)孔固定在底部腳手板上，保證條形開(kāi)孔在限位栓的作用下不脫離，只能沿條形孔滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)隔離翻板的伸出與縮回，提高底部閘板設(shè)計(jì)制造精度，實(shí)現(xiàn)底部良好的封閉性能。

1.3控制系統(tǒng)

對(duì)升降控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)研究無(wú)線控制系統(tǒng)，完成了無(wú)線控制硬件系統(tǒng)的選型和控制軟件的開(kāi)發(fā)，研發(fā)出用無(wú)線控制的總控設(shè)備和遙控設(shè)備。各分控箱通過(guò)串聯(lián)線路接入總控箱，通過(guò)遙控器與各控制箱進(jìn)行指令等信息交互。

在提升過(guò)程中，腳手架上不留操作人員。操作人員在結(jié)構(gòu)樓面上，通過(guò)遙控器發(fā)出指令，控制腳手架體系的提升與停止。控制人員根據(jù)總控箱數(shù)據(jù)及腳手架體系各部位的具體情況，判斷架體提升是否正常。出現(xiàn)異常情況，則暫停提升操作，解決異常問(wèn)題之后，再行提升。在無(wú)線控制下，架體高度偏差能控制在20 mm范圍內(nèi)，符合相關(guān)規(guī)范要求的相鄰架體之間豎向偏差不超過(guò)30 mm的要求。

2 防火性能分析

2.1數(shù)值模擬

本文建立3層腳手架有限元模型，每層步距1.8 m，上下層鋪設(shè)竹笆走道板，中間層分別為竹笆走道板和鋼板網(wǎng)片走道板，分析當(dāng)下層走道板發(fā)生火災(zāi)時(shí)，中間層走道板材質(zhì)對(duì)上層腳手架溫度的影響，如圖2所示。假設(shè)流場(chǎng)的初始狀態(tài)為靜止，模擬區(qū)域內(nèi)溫度為20 ℃，壓力為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101.325 kPa）。

圖2 燃燒性能數(shù)值分析模型

采取恒定熱釋放速率火源，竹材最大熱釋放速率為300 kW/m2，模擬中考慮20%的余量，故設(shè)定火源熱釋放速率為360 kW/m2。邊界條件為熱厚邊界條件，即圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱按一維傳熱處理，并且假定外壁面溫度與環(huán)境溫度相同并保持不變。在大渦模擬中壁面速度采用滑移模型，壁面速度取鄰近網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)速度的3/4。應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間為300 s，考慮一定的余量，設(shè)定模擬時(shí)間為400 s。

圖3（a）和圖3（b）分別為中層走道板為竹笆和鋼板網(wǎng)片的腳手架橫向剖面溫度分布圖。從圖3（a）可以看出，火源附近溫度較高，超過(guò)600 ℃，中間層竹笆腳手板附近溫度超過(guò)300 ℃，熱流量大于16 kW/m2。竹材超過(guò)280 ℃即熱解，且竹材最小引燃熱流量為10～13 kW/m2。因此，當(dāng)下層竹笆腳手架著火時(shí)，相鄰層腳手架及其附屬可燃物在火災(zāi)發(fā)生后極有可能被點(diǎn)燃，從而造成立體蔓延。從圖3（b）中可以看出，火源附近溫度較高，超過(guò)600 ℃，距著火層3.6 m處的第3層竹笆腳手板附近，溫度在250 ℃左右，火源正上方處熱流量低于5 kW/m2。因此，在中間層為鋼笆的條件下，距著火層3.6 m處的第3層竹木模板等施工材料在400 s內(nèi)較難被點(diǎn)燃。

圖3 火源橫向剖面溫度分布示意

2.2實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)

本文進(jìn)行腳手架的全尺寸實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)，觀察不同風(fēng)速條件下，竹笆腳手架體系和改進(jìn)的阻燃型腳手架體系預(yù)防火災(zāi)蔓延的可行性，可以得出以下結(jié)論：

1）自然風(fēng)（2.0 m/s）條件下，當(dāng)竹笆腳手板上存在較多可燃物時(shí)，其上方的竹笆腳手板能被引燃。

2）自然風(fēng)（2.0 m/s）條件下，腳手架外圍的綠網(wǎng)和防塵網(wǎng)都被點(diǎn)燃，但明火很快熄滅，火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)較小；在強(qiáng)制送風(fēng)（8.0 m/s）條件下，綠網(wǎng)和防塵網(wǎng)都很快被點(diǎn)燃，帶火的熔融液滴灑落到本層和下層竹笆腳手板，將竹笆腳手板引燃，造成火災(zāi)水平和向下蔓延。

3）自然風(fēng)（2.0 m/s）和強(qiáng)制送風(fēng)（8.0 m/s）條件下，采用阻燃型腳手架體系，鋼板網(wǎng)上層的架體不會(huì)引燃，能阻止或延緩火災(zāi)向上蔓延。此外，鋼板網(wǎng)能阻擋上層著火源燃燒掉落的固體殘留物，可阻止腳手架火災(zāi)向下蔓延。

4）阻燃型腳手架體系布置方案采用鋼板網(wǎng)片層作為走道板，能夠有效降低腳手架發(fā)生火災(zāi)后，火勢(shì)通過(guò)該層向上或向下蔓延的風(fēng)險(xiǎn)。

3 力學(xué)性能分析

3.1架體模型建立

根據(jù)腳手架的實(shí)際結(jié)構(gòu)，材料選用Q235，整體腳手架結(jié)構(gòu)構(gòu)件等選用一般梁?jiǎn)卧M。考慮相鄰單元間的相互作用，選取三機(jī)位兩跨度的腳手架單元，水平方向選取2榀單元（共8 800 mm）進(jìn)行分析，豎直方向選取10步11排、高19.8 m單元（1.8 m×10步＋1.8 m扶手）進(jìn)行分析。

整體提升腳手架體施工過(guò)程中分為以下3個(gè)工況。

1）工作工況：腳手架在6級(jí)～8級(jí)風(fēng)作用下工作。

2）爬升工況：腳手架在6級(jí)風(fēng)作用下爬升。

3）臺(tái)風(fēng)工況：腳手架在10級(jí)風(fēng)作用下，清除架體上部堆載，拆除頂端懸臂部分防風(fēng)布并增加拉結(jié)措施。

本文通過(guò)改變荷載條件和邊界條件，分析不同工況下整體提升腳手架體的應(yīng)力與變形響應(yīng)。

1）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。

2）爬升工況：提升動(dòng)力裝置固定到底部橫梁上，架體導(dǎo)軌與滾輪連接。

3）臺(tái)風(fēng)工況：在原有硬拉結(jié)齊全的情況下，利用每層錨桿、預(yù)留孔洞、立柱對(duì)硬拉結(jié)進(jìn)行加固。

架體荷載有3類：恒荷載、施工活荷載以及風(fēng)荷載。

1）恒荷載為材料自重，鍍鋅圍板取8.2 kg/m2，鋼絲網(wǎng)片10.8 kg/m2，花紋鋼板取33.4 kg/m2，由模型自動(dòng)計(jì)算。

2）風(fēng)荷載按照式（1）計(jì)算[5]：

施工荷載按最上面3層走道板同時(shí)作業(yè)計(jì)算，分為工作工況、爬升工況和臺(tái)風(fēng)工況。工作工況每層2 kN/m2，爬升工況每層0.5 kN/m2，臺(tái)風(fēng)工況每層荷載為0。

3.2結(jié)果分析

3.2.1 工作狀態(tài)

在6級(jí)、8級(jí)風(fēng)作用下，架體應(yīng)力如圖4所示，6級(jí)風(fēng)作用下架體最大拉應(yīng)力為90.4 MPa，最大壓應(yīng)力為84.5 MPa，8級(jí)風(fēng)作用下架體最大拉應(yīng)力為193.4 MPa，最大壓應(yīng)力為183.0 MPa，均小于Q235型材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。因此，腳手架在工作狀態(tài)承載力滿足要求。

圖4 工作狀態(tài)6級(jí)、8級(jí)風(fēng)架體應(yīng)力包絡(luò)圖

在6級(jí)和8級(jí)風(fēng)作用下，架體結(jié)構(gòu)的變形如圖5所示，最大變形分別為11.2、23.3 mm，都發(fā)生在爬架最頂端中部，小于規(guī)范要求架體長(zhǎng)度的1/300＝29.3 mm，因此腳手架在工作狀態(tài)變形滿足要求。

圖5 工作狀態(tài)6級(jí)、8級(jí)風(fēng)變形包絡(luò)圖

3.2.2 爬升狀態(tài)

在6級(jí)風(fēng)作用下，架體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力如圖6所示，最大拉應(yīng)力為58.7 MPa，最大壓應(yīng)力為57.3 MPa。架體結(jié)構(gòu)的變形如圖7所示，最大變形為10.0 mm。腳手架承載力和變形滿足要求。

圖6 爬升狀態(tài)6級(jí)風(fēng)下架體應(yīng)力包絡(luò)圖

圖7 爬升狀態(tài)6級(jí)風(fēng)下架體變形包絡(luò)圖

3.2.3 臺(tái)風(fēng)狀態(tài)

腳手架在10級(jí)風(fēng)作用下，拆除頂端懸臂部分防風(fēng)布并增加拉結(jié)措施后，架體結(jié)構(gòu)應(yīng)力如圖8所示，最大拉應(yīng)力194.5 MPa，最大壓應(yīng)力193.4 MPa。架體結(jié)構(gòu)變形如圖9所示，最大變形為8.7 mm。腳手架承載力和變形滿足要求。

圖9 10級(jí)風(fēng)作用下架體變形包絡(luò)圖

前述所做的力學(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。

4 工程應(yīng)用

4.1工程概況

北外灘白玉蘭廣場(chǎng)項(xiàng)目位于上海市虹口區(qū)，是一個(gè)由五星級(jí)酒店、高智能化甲級(jí)辦公樓和復(fù)合型商業(yè)組成的超大規(guī)模的超高層建筑群。其中，辦公樓地面以上66層、高319.5 m，地下4層、高20.9 m，結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土剪力墻核心筒＋勁性外框架＋勁性桁架，標(biāo)準(zhǔn)層高4.5 m，外包尺寸24 m×24 m。

4.2無(wú)線遙控阻燃式整體提升腳手架的應(yīng)用情況

辦公塔樓外圍結(jié)構(gòu)施工時(shí)，安裝附著升降腳手架作為圍護(hù)體系，從第4層開(kāi)始安裝搭設(shè)（標(biāo)高為18.00 m），其架體布置為10步11排、高19.8 m（1.8 m×10步＋1.8 m扶手），步距1.8 m，兩立桿間橫距≤1.5 m，寬度0.8 m，架體距結(jié)構(gòu)邊線0.4 m，上下附著支承點(diǎn)支承在鋼結(jié)構(gòu)梁上。

因辦公塔樓4個(gè)角部從4層至65層變化較大，故在布置附著升降腳手架提升機(jī)位時(shí)不在4個(gè)角部設(shè)置機(jī)位，其余4個(gè)面分別各布置10臺(tái)提升機(jī)位，形成4個(gè)獨(dú)立腳手架體系。兩機(jī)位間距（跨度）≤6.8 m，腳手架搭設(shè)最大跨度為4 400 mm，架體全高與支承跨度的乘積不大于110 m2（本次布置最大乘積為87.12 m2）。架體平面布置如圖10所示，腳手架立面如圖11所示。附著升降腳手架從第4層逐層提升至65層（標(biāo)高為300.75 m），待結(jié)構(gòu)施工完畢后附著升降腳手架在65層進(jìn)行高空拆除。

圖10 機(jī)位平面布置

5 結(jié)語(yǔ)

新型腳手架體系標(biāo)準(zhǔn)化率高，外觀良好，防火性能強(qiáng)，防護(hù)強(qiáng)度高，安全性能好，社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益良好[6]：

1）采用了模塊化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了腳手架體系雙維度的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與組裝，增強(qiáng)了在超高結(jié)構(gòu)施工中的適應(yīng)性，節(jié)省了大量材料，腳手架體系部件的重復(fù)使用率達(dá)95%以上，裝拆工效提高1倍。

圖11 腳手架立面示意

2）研發(fā)出基于火源隔離設(shè)計(jì)方法的標(biāo)準(zhǔn)化腳手架系統(tǒng)，提高了整體提升腳手架體系的防火阻燃能力，確保了超高空施工的防火安全性，增強(qiáng)了施工空間的封閉性。

3）研發(fā)出基于無(wú)線遙控控制方法的整體腳手架體系提升系統(tǒng)，提高了整體腳手架體系提升施工的智能化水平，確保了超高空施工安全。

4）改變了傳統(tǒng)的腳手架體系提升控制系統(tǒng)的控制線并聯(lián)接線方式，降低了接線的復(fù)雜程度，減少了接線工作量，且降低了火災(zāi)發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

5）提高了機(jī)械化施工水平，降低了勞動(dòng)力投入，加快了結(jié)構(gòu)施工速度，降低了施工對(duì)周圍環(huán)境的影響。