繩索救援中普魯士抓結安全性研究

赫中全，劉立文，李劍鋒，張禹海，劉 峰

中國人民警察大學 救援指揮學院，河北 廊坊 065000

近幾年來，繩索救援技術以其實用性、安全性在山岳、水域、受限空間等應急救援領域得到廣泛應用［1-3］，獲得各級各類救援隊伍的一致青睞。歐洲、北美等典型流派的繩索救援技術在全國范圍內得到了迅速推廣，掀起了學習、訓練繩索救援技術熱潮，繩索救援技術培訓成為當前消防救援隊伍專業化建設的一個重要抓手［4-5］。但是，在這種熱潮的背后，也存在一些不容忽視的問題。例如：單純全盤接受國外成套技術，缺乏與中國常見救援環境需求磨合與適應［6］；只注重技術實操訓練，忽視相關理論研究等［7-8］。這些問題造成一部分繩索救援操作人員對于手中的器材了解不深、對技術原理領悟不透、對不規范操作所隱藏的安全風險警惕性不足［9］。鑒于這種現狀，亟須加強繩索救援技術相關理論研究。

國內外許多專家學者針對普魯士抓結在繩索救援技術應用進行了廣泛而深入的研究。胡曄［10］對普魯士抓結在主繩系統和確保繩系統中的具體應用進行了詳細的闡述；朱國營［11］對普魯士抓結在省力系統中的應用進行了系統的介紹；張禹海［12］對普魯士抓結進行實際受力測試、得出了定量研究結果；蘇煜等［13］對繩索救援中提升系統的實際增益效果以及救援實戰應用進行了深入的分析和探討；James［14］從繩索救援系統建立、系統轉換及下降保護等方面對普魯士抓結的應用進行了分析；Ken［15］以消防員繩索救援的專業視角，從錨點制作、下降接近、傷員縛著、提升轉移等多個技術環節分析了普魯士抓結的運用技巧。

1 普魯士抓結簡介

普魯士抓結（prusik hitch）是一種典型的摩擦類繩結，依靠輔繩與主繩之間的摩擦力而發揮作用［16］。當普魯士抓結受力時，輔繩與主繩之間的摩擦力隨之加大，起到握持主繩的效果；當抓結不受力時，操作人員可以用手撥動抓結調節其在主繩上的位置［17］。這種特性在繩索救援技術中得到了充分的應用，特別是在以美國CMC 為代表的北美繩索救援體系中，普魯士抓結在提升系統、擔架運送、輔助攀登、安全保護等技術環節都有普遍的應用［18］，如圖1所示。

圖1 普魯士抓結及應用

2 試驗概況

2.1 試驗思路

普魯士抓結是依靠繩索之間的摩擦力來產生握持力的，這種握持力的大小與繩索直徑差值、纏繞圈數等因素有著密切的關系［19］。本文旨在通過系統性的試驗，對普魯士抓結握持力進行極限拉力測試，發現抓結失效時的常見現象并分析產生這些現象的原因，同時，測量抓結失效時的拉力值，為普魯士抓結的實戰應用提供借鑒和參考。

2.2 試驗器材

2.2.1 拉力試驗機

試驗采用LAW-100 臥式拉力試驗機，該試驗機由框架、電機、控制器、拉力傳感器、移動端、固定端、限位裝置等主要部件組成，能對金屬及非金屬材料進行拉伸、壓縮、彎曲等應力試驗，如圖2所示。

圖2 臥式拉力實驗機

LAW-100 臥式拉力試驗機采用計算機控制，內置傳感器測力系統，具有圖像化的界面、靈活的數據處理，支持MS-ACCESS 數據庫支持功能，具有數字處理準確、操作簡單、使用維護方便的優點，量程范圍最大達到100 kN，測量精度為示值的±0.5%以內，其主要性能技術指標如表1所示：

2.2.2 救援主繩與輔繩

本試驗使用直徑10.5 mm 和12.5 mm 的兩種低延展性繩作為救援主繩，10.5 mm 主繩是歐洲繩索救援體系下救援主繩的典型尺寸，12.5 mm 主繩是北美繩索救援體系下救援主繩的典型尺寸，都具有一定的代表性。試驗中使用的救援輔繩主要有6 mm、7 mm、8 mm 三種，也是繩索救援行動中用來制作普魯士抓結的常見類型。救援主繩與輔繩的具體參數如表2所示。

表2 救援主繩與輔繩的基本參數

2.3 試驗方案

試驗以3種直徑輔繩與2種直徑主繩搭配，每種搭配又分為輔繩纏繞主繩4圈和6圈兩種組合，共設置了12 個試驗項目，利用拉力試驗機對每個項目進行5次試驗，具體情況如表3所示。

表3 普魯士抓結極限受力失效試驗方案

3 試驗現象與結果

通過對試驗現象的總結歸納，發現普魯式抓結靜拉極限受力時會有4 種典型的失效現象，試驗結果總體情況如表4所示。

表4 試驗結果與數據

3.1 試驗現象與數據

如前所述，本試驗出現了抓結短距滑移后輔繩圈斷裂等4 種典型現象，每種典型現象都反映了抓結在極限受力情況下的握持效果，各種現象出現的情況如表5所示。

表5 抓結失效典型現象

3.1.1 短距滑移后繩圈斷裂

抓結短距滑移后輔繩圈斷裂是普魯士抓結靜拉試驗的一種典型現象，本試驗中占比達到26.7%。出現這種現象的原因是抓結受到拉力機持續施加拉力，在滑移過程中抓結持續收緊，對主繩的握持力進一步增大，由于輔繩破斷強度相對較小導致輔繩圈發生斷裂。從試驗情況來看，這種現象主要出現在纏繞圈數為6圈的抓結中，抓結受力如圖3所示。

圖3 抓結短距滑移后輔繩圈斷裂過程受力示意圖

3.1.2 多次短距滑移后輔繩圈斷裂

抓結多次短距滑移后輔繩圈斷裂的現象與前一種現象出現次數相同，本試驗中占比為26.7%。相比而言，這種情況下抓結的握持力度相對較小，滑移距離更大，在拉力機的持續牽拉下，經過多次短距滑移后，最后發生繩圈斷裂。從本試驗情況來看，這種現象主要出現在12.5 mm 主繩搭配4 圈抓結的搭配中，試驗過程抓結受力如圖4所示。

3.1.3 短距滑移后主繩繩皮斷裂

抓結短距滑移后主繩繩皮斷裂現象出現的概率達到13.3%，這種現象主要出現在兩種直徑主繩與8 mm 輔繩、纏繞6 圈的情況之中，主要原因是8 mm輔繩的斷裂負荷相對較大，加之纏繞圈數為6，抓結的握持效果好，牽拉過程出現主繩繩皮斷裂的現象。相比來講，這種現象是繩索救援過程中較為理想的一種現象，總共出現8 次，平均斷裂力值為17.584 kN，試驗過程抓結受力如圖5所示。

圖5 抓結短距滑移后主繩繩皮斷裂過程示意圖

3.1.4 持續滑移

抓結持續滑移現象說明抓結握持力不足，沒有起到抓結應有的作用，出現的比例33.3%。出現這種現象的主要原因是抓結輔繩圈數少，例如與10.5 mm 主繩搭配的所有4 圈抓結普遍出現了這種現象。次要原因是主繩與輔繩直徑差小，例如8 mm 輔繩繩圈與兩種直徑主繩的4 圈抓結搭配也普遍出現這種現象，試驗過程如圖6所示。

圖6 抓結持續滑移過程受力示意圖

3.2 試驗結果分析

根據繩索救援的實操經驗，普魯士抓結握持性能主要取決于主繩與輔繩之間的直徑差和抓結纏繞圈數等因素，而衡量抓結握持能力強弱主要看滑移距離和失效（斷裂）力值兩個方面。從繩索救援安全性的角度判斷，應該是滑移距離越短越好，失效力值越大越好。所以這4 種典型抓結失效現象的安全性排序為：短距滑移后主繩繩皮斷裂最佳，短距滑移后繩圈斷裂良好，多次短距滑移后繩圈斷裂較差，持續滑移最差。

3.2.1 主繩直徑對抓結握持性能的影響

從試驗數據中可以看出，10.5 mm 主繩對應的6個試驗項目、共計30次試驗中有15次抓結都發生了安全性最差的持續滑移現象，且都是出現在抓結輔繩圈數為4 圈的情況下，占比達到50%；而12.5 mm主繩對應的30次試驗中只有5次抓結出現持續滑移現象，也是出現在4圈輔繩的情況下，占比為16.7%。這說明主繩相對較細時，抓結的握持效果相對較差。12.5 mm 主繩除了5次持續滑移以外，其余都是安全性較好的試驗現象，說明主繩直徑越大，抓結的握持性能更佳。

3.2.2 輔繩直徑對抓結握持性能的影響

在輔繩直徑對抓結握持性能影響的研究中，編號1、3、5 試驗項目中普魯士抓結均發生了持續滑移，對比拉力值發現，拉力值隨著輔繩直徑的增加而減小，說明輔繩直徑越小，抓結握持性能越好。

3.2.3 輔繩纏繞圈數對抓結握持性能的影響

12個試驗項目中，輔繩纏繞圈數為4和6的各占50%。在6 個輔繩纏繞圈數為4 的項目中，序號為1、3、5、11 的試驗項目中全部為持續滑移的試驗現象，出現的概率達到66.7%，其中主繩為10.5 mm 時，持續滑移出現率達到100%。主繩為12.5 mm 時，持續滑移出現率達到33.3%，說明輔繩圈數為4 時，抓結的握持力普遍不足，不能夠承受較大的靜拉力。另外，6 個輔繩纏繞圈數為6 的項目中，試驗現象均為有實用價值的繩圈斷裂或者是主繩繩皮斷裂。

另一方面，通過短距滑移長度的對比，也說明抓結輔繩圈數越多，滑移距離越短，圈數多則抓結握持性能越好。例如，6 mm 輔繩搭配12.5 mm 主繩制作的抓結中，纏繞6 圈輔繩的滑移長度平均值是17.6 mm，而輔繩纏繞4圈的滑移長度平均值為27.2 mm。再如，7 mm 輔繩搭配12.5 mm 主繩制作的抓結中，纏繞6圈輔繩的滑移長度平均值是26.4 mm，而纏繞4圈輔繩的滑移長度平均值是84.4 mm。

3.2.4 主輔繩直徑差對抓結握持性能的影響

編號5的試驗項目是10.5 mm主繩與8 mm輔繩的搭配組合，是所有項目中主繩與輔繩直徑差最小的，且纏繞圈數較少。從試驗結果來看，該項目不僅全部是持續滑移的現象，而且最大力值也是所有項目中最低的，僅有2.543 kN，從試驗現象和最大力值兩個方面都驗證了直徑差是影響抓結握持性能的主要因素。

編號7、8的試驗項目是12.5 mm主繩與6 mm輔繩的搭配組合，是所有項目中主繩與輔繩直徑差最大的。在這種情況下，不論纏繞圈數是4 還是6，抓結的握持性能都較好，以短距滑移后繩圈斷裂和多次短距滑移后繩圈斷裂兩種現象為主，占比分別為70%和30%，滑移距離平均值分別是27.2 mm 和17.67 mm，說明主輔繩直徑差越大，普魯士抓結的握持性能越好。

3.2.5 實戰應用分析

在繩索救援實戰中，失效力值往往更有意義。從這個角度分析，編號6 和編號12 的試驗項目都具有較高的失效力值，兩者都是8 mm 輔繩纏繞6 圈的情況，當主繩是10.5 mm 時，失效力值均值16.502 kN，當主繩為12.5 mm 時，失效力值均值是20.557 kN，說明后者搭配組合抓結的總體性能更佳。

3.2.6 普魯士抓結對繩索強度的削弱作用

通過對比數據還發現一個十分重要的現象，那就是普魯士抓結對于繩索強度的削弱作用。編號6試驗項目采用10.5 mm 主繩，其標稱斷裂強度為27 kN，而該項目失效力值均值為16.502 kN，強度剩余率為61.11%。編號12試驗項目采用12.5 mm主繩，其標稱斷裂強度為38 kN，而該項目失效力值均值為20.557 kN，強度剩余率為54.09%。可見，普魯士抓結對繩索強度的削弱作用十分顯著。

4 結論

4.1 試驗中，抓結失效最大拉力值為23.509 kN，發生在第12 個試驗項目中，說明繩索救援行動中，第12個試驗項目的繩索搭配組合應用安全性最佳。

4.2 主繩直徑對抓結握持性能的影響是顯而易見的，主繩直徑越大，普魯士抓結的握持能力越強，其安全性能越好。在實際應用中，消防救援人員應選用直徑相對較大的繩索作為主繩。

4.3 輔繩纏繞圈數是影響普魯士抓結握持性能的另一個主要因素，輔繩纏繞6 圈時，抓結對主繩的握持性能普遍優于4 圈。所以，在提升省力系統等使用負荷較大的情況下使用抓結時，最好使用纏繞6圈輔繩的方式。在單人安全保護等使用負荷相對較小的情況下，可以使用纏繞4圈輔繩的方式。

4.4 通過試驗數據的全面比較，可以驗證主繩與輔繩的直徑差值越大，普魯士抓結的握持性能越好，應用安全性更高。

4.5 普魯士抓結對于主繩繩索強度有著較為顯著的削弱作用，失效時其強度剩余率僅為六成或者更低。