阻燃型组合式整体提升脚手架体系的受力性能分析*

周 涛 胡成佑 刘 震

1.上海建工一建集团有限公司 上海 200120；2.上海市建设工程安全质量监督总站 上海 200032

1 背景与现状

在国内建筑施工领域，整体提升脚手架体系从上世纪90年代开始随着建筑高度的不断攀升而兴起。经过20 年的发展，相关的施工技术日趋成熟。目前，由于在超高层施工中显著的社会效益和经济效益[1-3]，整体提升脚手架体系在高层建筑施工中的应用越来越广泛[4]。在施工应用中，其架体结构主要采用钢管扣件拼装形式，脚手板及防护网一般采用木板、竹笆和绿网等可燃材料[5]。这些可燃材料在施工现场不可避免地会接触到焊接切割等施工过程产生的火花及高温熔融物。因此，存在穿透绿网和引燃木质脚手板的潜在风险。针对以上问题，出现了阻燃型组合式整体提升脚手架体系，它综合考虑了防火及防坠等多方面性能，是一系列研究与试验的成果。

这种形式不仅施工方便快捷，而且工厂化程度和重复利用率同时得以提高。同时，由于全部采用不可燃材料，杜绝了脚手架体系引起火灾的风险。阻燃型组合式整体提升脚手架的应用，给高层建筑的施工带来了良好的社会效益和经济效益。

2 新式结构简介

阻燃型组合式整体提升脚手架体系的传力架体采用定型的水平承重桁架和竖向主框架。下部桁架和主框架由φ48 mm钢管和5#槽钢组成。架体竖向搭设10 步11 排，每步高度1.8 m，每2 步作为一个标准段，各段之间通过螺栓相互连接。架体总高19.8 m。水平方向根据施工结构的具体情况搭设。同时，也有单步的标准段，其标准段总高度只有1.8 m。配合高度为2 步的标准段，可以组装出总高度为1.8 m的倍数的各种架体。

标准段的两立杆间水平距离为1.5 m，提升机位段布置在标准段两边。角部等非标准部位立杆水平距离小于1.5 m。架体距外墙0.4 m，架体走道宽度0.8 m。3 组机位与2 组标准段拼接后如图1所示。

考虑阻燃防火及防穿透性能，架体侧网采用钢丝网片，走道板采用钢板网，最下一层走道板采用厚3 mm的花纹钢板。

3 工况分析

根据架体位置状态不同，可以分为施工工况与爬升工况。根据环境风荷载的不同，分为6级风工况与8级风工况。在风速等级大于6级时，不宜进行提升施工。大于8级时，对架体采取加固措施以保证施工安全。因此，架体的计算具体可分为3 种工况，如表1所示。

表1 架体工况

架体自重荷载由计算模型自动生成，荷载按2 层同时作业计算，工作状况时按每层3 kN/m2计算，升降及坠落状况时按每层0.5 kN/m2计算。架体在6级风作用下的风荷载标准值Wk=0.119 kN/m2。同理，架体在8级风作用下的风荷载标准值Wk=0.268 kN/m2。

4 受力分析

组合式整体提升脚手架是一种工具式施工脚手架，其力学性能对施工安全和周转利用均有重要意义。构成其纵向传力体系的主要构件是立杆和竖向槽钢。因此，对其进行的力学分析时，侧重于其立杆和竖向槽钢组成的骨架体系。

4.1 模型建立

根据上述结构，水平方向取5 组机位与4 组标准段的拼接体建立传力系统的计算模型。模型中忽略侧网和脚手板等构件的影响。考虑结构自重、施工荷载、风荷载的作用，建立有限元模型如图2所示。

图1 架体立面

图2 架体计算模型

模型约束情况根据工况确定，分为工作与提升2 种情况。工作工况：底部由附墙拉杆固定在结构上，中部与墙体设置1 道硬拉结，约束架体的水平位移。提升工况：提升动力装置固定到底部横梁上，架体导轨与滚轮连接。

4.2 计算结果

4.2.1 工况一计算结果

工况一时，脚手架在6级风作用下工作。架体应力如图3所示，架体与墙体约束点附近应力比较大，其余没有直接约束的地方应力分布相对较小。此时，架体最大应力为90.5 MPa。根据相关规范，γ0S= 81.5 MPa，小于规范要求的215 MPa。因此，脚手架在6级风作用下的工作状态承载力满足要求。

架体结构的变形如图4所示。最大变形为43.5 mm，发生在脚手架最上端，小于相关规范规定的最大挠度L/300=60 mm。因此，架体变形符合要求。

架体主框架采用5.6级M16普通螺栓连接。经验算，螺栓连接及其他各节点的连接强度均符合要求。

4.2.2 工况二计算结果

图3 工况一应力云图

图4 工况一变形云图

工况二时，脚手架在8级风作用下工作。计算得到架体应力如图5所示，从图中可以看出，水平变形比较明显，即架体对水平荷载比较敏感。根据承载力设计相关规范，计算得到γ0S=186.1 MPa＜215 MPa。因此，8级风作用下，架体承载力满足要求。

工况二的变形如图6所示，架体的最大变形为57.0 mm。最大变形位于脚手架中部最顶端，小于相关规范要求的最大挠度L/300=60 mm。

图5 工况二应力云图

图6 工况二变形云图

4.2.3 工况三计算结果

工况三时，架体在6级风作用下爬升。架体的应力如图7所示。从图中可以看出，在6级风工况下，架体的最大应力为78.6 MPa，γ0S=70.7 MPa，小于215 MPa。因此，脚手架在爬升状态、6级风作用下的承载力满足要求。

爬升状态同时在6级风作用下，架体结构的变形如图8所示。架体的最大变形为27.7 mm，发生在脚手架中部最顶端，其数值满足相关规范要求。在模型建立时，出于安全性考虑，忽略了架体顶部及角部的一些措施的约束作用，把上部架体作为悬臂结构进行建模。因此，在风荷载作用下，3 个工况的最大位移都出现在架体顶部，位移的主要方向均为与风荷载方向相同的水平方向。这表明，附墙措施对架体的抗风性能至关重要。

图7 工况三应力云图

图8 工况三变形云图

4.2.4 结果比较

对上述3 个工况的计算结果进行比较，数据如表2所示。

表2 3 个工况的结果对比

脚手架体系的侧向刚度较小，水平风荷载对该整体提升脚手架体系的作用十分明显。在风速达到8级时，其力学性能尽管仍可满足正常工作的要求，但相对于6级风作用下的应力，已经增大了一倍以上。从变形的角度看，风荷载也是一个重要的影响因素。8级风作用下，在无加固措施的情况下，架体的最大变形值有接近相关规范中规定的变形上限的趋势。

因此，在风速大于8级时，需要进行加固处理。在竖向增设附墙，减小立杆竖向跨度，能显著增大其侧向刚度。大风过后，再拆除临时加固措施，进行施工和爬升等。

5 结语

文中所作的力学分析，验证了阻燃型组合式整体提升脚手架体系的力学性能，为这种新型脚手架体系的应用提供了必要的支撑，对这种新型脚手架体系的安全起到了一定的参考作用。

同时，计算结果表明，风荷载是架体力学性能的重要影响因素[6-9]。尤其是8级以上大风，会对其安全施工构成一定的威胁。在遇到大风的情况下，应该增加附墙装置，增强架体的抗风能力。