附著式升降腳手架結構的分析

劉福平

（山西省工程機械有限公司，山西太原 030003）

1 研究背景

隨著我國城鎮化進程加快，城市中高層建筑數量逐年增加，全鋼爬架因具有節能、安全、綠色環保等特點，在高層建筑的建設過程中，起到了舉足輕重的作用，對此項技術的發展依然需要進行細致的研究。

爬架設計主要從“架體輕量化、架體通過性、架體結構受力優化”這3 點著手考慮，其中全鋼爬架結構由架體構架、水平支承桁架、豎向主框架、附著支撐結構、提升機構、同步控制系統這6個節點組成。現對此6 個設計節點進行探討。

2 各結構設計節點解析

2.1 架體構架

架體構架由鋼腳手板、立桿、Z 字型/三角形斜撐、外防護網、斜腹桿、兜底橫桿等組成，整體具有施工作業平臺，施工通道和外防護的功能。

（1）其中鋼腳手板兼作走道板、縱向水平桿、橫向水平桿使用。其主肢截面形式主要有：矩形管、角鋼、C 型鋼或折彎一體化型材，使用較為廣泛的為矩形管，其具結構形式有良好的受力特性，相同重量下其具有相對角鋼和C 型鋼更高的強度。面板一般選用花紋鋼板、鋼網板或軋制折彎鋼板，其中花紋板的使用較為廣泛，其具有密封性好、防滑、美觀的特點，鋼網板為施工初期較多采用的一種材料，僅用于人員臨時走動，以及防止較大的物體從架體內掉落，但其易損壞，對于體積嬌小的物體防護性較差。折彎鋼板使用也較為常見，其形成的龍骨具有較好的受力性能，但其凹槽內容易堆積混凝土及雜物，且不易清理。

鋼腳手板是架體縱向和橫向構件，承受并傳遞垂直荷載（自重荷載和施工荷載）、縱向水平拉壓力、橫向支座反力和風荷載。其中在縱向連接中，一般使用螺栓在腳手板端部進行連接；橫向連接中，立桿與鋼腳手板主肢的連接孔進行連接。此項連接中容易出現以下3 點問題：①腳手板兩側主肢桿無抗拉能力。②腳手板接合面處抗彎能力弱。③面板抗側壓能力較弱時，兩側主肢桿抵抗水平荷載增大。

針對這3 點問題，通過以下4 種方式改進：①增加縱向連接板，提高腳手板端部接合面處連接的強度。②端部的連接螺栓靠近主肢桿。③立桿布置時靠近橫桿。④適當增強面板的剛度。

（2）架體構架中的立桿分為外立桿和內立桿，其中外立桿承受垂直荷載（自重荷載和施工荷載）與水平風荷載，內立桿承受垂直荷載（自重荷載和施工荷載）。

立桿在安裝時存在以下問題：①立桿的截面，長細比限定了架體的最大步距，通常架體步距不大于2m，但因立桿上存在連接孔，在一定程度上減弱了立桿的承載能力。②內立桿和外立桿未成對組裝，將使外排架體局部下沉，使其內側立桿支點跨距增大，承載時將產生較大撓度。

故在設計安裝時，架體內外立桿大部分選取成對布置，并增設Z 字型/三角形斜撐，將Z 字型/三角形設置在鋼腳手板下方，連接內、外排架體，形成半剛架結構，并可將外立桿的荷載傳遞至內立桿上。

而且Z 字型/三角形斜撐因在架體每步加設，若隔1~2 步安裝，在立桿截面較小、架體懸高較大、支座安裝數量少、未設置臨時拉結桿的情況下，架體的水平剛度差。少裝Z 字型/三角形斜撐時，外排架體的荷載僅靠下部Z 字型/三角形斜撐橫向集中傳遞到內排架體，容易出現較大的安全隱患。只有當內外立桿、鋼腳手板、Z 字型/三角形斜撐都安裝到位后，才能構成整體的幾何不變體系，架體在各個方向中都有受力較好的桁架體系，整體的受力更合理，各個部件均參與到了受理體系中。

（3）架體構架中外防護網主要是起外立面防護作用，在《建筑施工高處作業安全技術規程》（JGJ 80—2016）中要求，外防護網應能承受任意方向1kN 的荷載，其既能阻擋物料墜落，又能阻擋人員墜落。

外防護網安裝方式通常有嵌裝式網片和外平鋪式網片兩種形式。其中嵌裝式網片是嵌入相鄰外立桿之間，此種安裝方式一定程度上有助于架體的穩定性，也可增強網片自身的抗風能力，但嵌裝網片的寬度、斜桿角度也隨立桿間距變化，將使用較多寬度不等的非標件，不利于標準化生產和周轉應用。而外平鋪式網片用戶是將網片安裝至立桿外部，即外防護網包裹住立桿安裝，此種安裝方式即可設計幾種標準化的網片寬度，在不同尺寸面上進行組合拼裝，但因其安裝至立桿外部，導致網片和鋼腳手板之間出現了立桿寬度的縫隙，需要增設擋腳板封堵此縫隙。

兩種網片安裝方式各有利弊，從結構穩定性考慮，嵌入式網片更合理；從標準化生產考慮，外平鋪式網片更有優勢。

2.2 水平支承桁架

水平支承桁架是爬架整體的一個穩固節點，根據架體結構內力分析，內、外排架體構架分別承受自重荷載、施工荷載并向下傳遞到架體下部，再傳遞到豎向主框架，因此在內、外排架體下部設置水平支承桁架，如圖1 所示。

圖1 水平支承桁架結構形式

其中水平支承桁架布置時，根據行業標準《建筑施工工具式腳手架安全技術規范》（JGJ 202—2010），規定在架體相鄰立桿節點上安裝斜腹桿，因此全步高的長桿式斜腹桿完全符合標準要求。現除了全步高式斜腹桿的水平支承桁架還另有片式桁架組成的水平支承桁架，片式桁架布置更美觀，但荷載通過立桿傳遞可能未傳至桁架節點，使用時須根據實際工況對桁架設計進行計算。

2.3 豎向主框架

豎向主框架是附著式升降腳手架中最主要的受力構件，多數豎向主框架為剛架結構，由機位立桿、Z 字型斜撐組成，節點一般為焊接或螺栓連接，還一并安裝了防傾覆導軌，提升桁架及鋼腳手板等構件。

爬架在使用時，架體多種類、多方向、多工況的組合荷載均匯集在豎向主框架上，故豎向主框架的構造直接影響爬架的整體強度。

在豎向主框架設計中，連同防傾覆導軌一同設計，防傾覆導軌在使用、升降、墜落工況中，將架體的豎向荷載、水平荷載傳遞到附著支座上。其中導軌一般設計為階梯檔桿式，軌身一般為6.3#~8#槽鋼或φ48×3.5 鋼管，檔桿為 φ28 圓鋼、檔桿間距一般為100~150mm。檔桿兩端采用環形焊縫與槽鋼腹板或鋼管外徑焊接。因防傾覆導軌與豎向主框架設置為一體，故防傾覆導軌的背桿也可參與豎向主框架內立桿的強度計算。

導軌與背桿的組合形式常見的有兩種：①平面式組合，導軌與背桿緊貼放置，背桿常常選用大截面矩形管，增強整體的抗彎能力。②空間是組合，導軌離開背桿150mm 左右，中間設置連續的三角桁架，組成空間桁架形式，此形式的導軌與背桿往往可以選擇截面較小的材料即可滿足抗彎的需求。

2.4 附著支撐結構

附著支撐結構是爬架荷載傳遞至建筑物的一個重要構件，支撐著整個爬架的重量，且與導軌共同作用形成防傾覆裝置，也一并設計有停層裝置和防墜落裝置，其作用可見至關重要。因其承受多工況、多點位、多方向的荷載，故設計時主要從組成附著支座的結構件強度、穩定承載力、連接強度和與建筑物連接的穿墻螺栓強度等方向進行考慮。

在工程應用中，常見支座主肢水平拉彎，說明其抗彎能力不足，應增厚或加固；也偶見支座主肢在垂直面內壓彎，說明橫桿結構強度不足，應增大截面或增加撐拉構件。在較為不利的受力條件與結構形式下，可增設剛性撐拉構件，多為剛性撐拉桿，對附著進行輔助受力。

2.5 提升機構

爬架是可依靠自身的升降裝置進行爬升和降落的，故也應設計一套可靠的傳力構造，現從提高爬架“通過性”的方向考慮，一般都采用偏心式提升，偏心提升給將電動葫蘆和鏈條等升降設備放置在架體外面提供了可行性，從而提高架體的通過性。但偏心提升特別考驗導軌下部的抗彎能力，較中心式提升，其需要較大截面的立桿滿足抗彎需求，且必須保證提升架的強度和穩定性。為此，可采取增設副立桿與提升架連接，有效減小對導軌下側的彎矩，提高偏心提升的穩定性。

現在爬架采取的動力一般為電動葫蘆，故電動葫蘆的選取也至關重要，除了要保證電動葫蘆鏈條的抗拉強度外，也應從電機占用空間小，鏈條容易整理，葫蘆齒輪運行平滑、負載持續時間、宜采用軸銷連接這幾方面進行選用。對于偏心式使用的電動葫蘆，先較常用的為帶中節點的循環鏈電動葫蘆，以及近幾年剛剛面世的單鏈循環電動葫蘆，這些都是針對附著式升降腳手架設計的專用電動葫蘆。

2.6 同步控制系統

爬架提升時，一般為整體提升，故爬架各提升機位的同步性能也至關重要。應選用一套配備限制荷載和限制水平高差的同步控制系統。當只有兩機位同時升降時，可采用限制水平高差的同步控制系統；當多機位同時升降時，采用限制荷載的控制系統。

其中荷載限制控制系統應具備荷載自動監測和超欠載報警、自動停機的功能，相鄰兩機位荷載變化值超過初始狀態的15%，應具有聲光報警功能，超過初始狀態的30%，應具有全部機位自動停機的功能；分控箱和荷載檢測單元應能實時采集各機位的荷載數據，并傳輸到總控制箱，從總控制箱能發出控制指令，具備急停、單機手動、多機手動控制功能，自如的控制爬架的升降，確保升降時的安全性能。

3 結語

全鋼爬架應用越來越廣，通過對全鋼爬架結構的分析，將能更好地幫助工作人員理解爬架，從而更好地使用爬架。

爬架的結構設計合理性是爬架安全使用的主要因素，同時也應配備更好的爬架管理方法和維護保養制度，通過爬架設計者和使用者共同努力，使爬架發揮最好的防護性能，為我國的建筑行業的綠色可持續發展做出更好的貢獻。