无线遥控阻燃型整体提升脚手架防火与力学性能分析

2021-09-14蒲洋

建筑施工 2021年12期

蒲洋

上海建工一建集团有限公司上海 200120

在高层建筑施工领域，脚手架体系是关乎安全、经济、施工进度的重要设备。在高层和超高层建筑的施工中，整体提升脚手架体系的应用非常广泛[1]。总体上说，目前使用的整体提升脚手体系还存在阻燃性能差、防火安全性差、模块化程度低、现场组装工作量大、重复利用率低等值得改进的地方[2]。

针对上述问题，本文对现有的整体提升脚手架体系提出一系列优化措施，设计出一种新型无线遥控阻燃型整体提升脚手架体系，并对其进行防火和力学性能试验分析。无线遥控阻燃型整体提升脚手架体系的应用，为超高层建筑的施工带来了良好的社会效益和经济效益。

1 无线遥控阻燃型整体提升脚手架

阻燃型整体提升脚手架体系由标准模块、提升装置、附墙装置、控制系统、防坠装置、全封闭系统、防倾装置及非标部件等组成[3-4]。无线遥控阻燃型整体提升脚手架主要针对标准模块、全封闭系统、控制系统进行优化。

1.1标准模块

对脚手架体系按照水平和垂直2个维度进行分片，按片区进行零部件标准化设计，对标准零部件进行拼装形成标准化模块。整体提升脚手架体系由标准模块根据具体工程施工面的尺寸，从水平方向和竖直方向2个维度拼接组装而成。通过模块化解决互换性问题，同时通过各零部件和模块的高度标准化减少非标部件比例，从而提高产品的重复利用比率。

整体提升脚手架体系按照其组装位置和自身结构特点分为中部标准模块、角部标准模块和底部桁架模块3种形式，如图1所示。中部标准模块包括钢结构骨架、走道板、侧网等。从结构受力特点考虑，设计出2种骨架。一种是内侧单立杆，外侧竖向槽钢，两者用槽钢横杆相连。另一种是内侧双立杆，其余同上。主要荷载为施工人员操作活荷载的部位，采用单立杆骨架传力。机位与附墙斜拉杆部位，荷载比较集中，采用双立杆骨架。竖向立杆采用φ48 mm×3.5 mm规格钢管，相对应的外侧竖向槽钢和横杆通常采用5#槽钢。底部桁架模块除上述各部件外，还包括角钢斜撑、底部闸板、吊梁以及吊点等。一般来说，模块纵向维度的尺寸为3.6 m，横向维度的尺寸为5.3 m。两个双立杆骨架之间距离为0.8 m，中间布置架体爬升机位。单侧立杆骨架之间距离为1.5 m，中间为走道板和侧网。模块立杆上下两端设计成连接接头。走道板与骨架的横杆连接。侧网两侧与骨架的外侧竖向槽钢连接，上下与相邻侧网连接。

图1 整体提升脚手架标准化模块

模块化架体通过立柱和竖向槽钢两端的连接件与相邻的模块连接在一起。其中，立杆的连接件为法兰与螺栓连接，竖向槽钢为夹片螺栓连接，最下面与底部模块连接。爬升吊点设置在底部模块的下部，位于架体的重心位置。各模块吊装时，按照规范要求通过拉杆与墙体拉结牢固。提升系统钩挂到底部桁架模块上，底部桁架模块将架体的全部荷载通过附墙拉杆传到附墙件上，附墙件与建筑结构连接形成传力路径。通过重心吊点提升，进一步保证架体在提升过程中良好的平稳性，比传统的偏心提升更安全，更不会发生倾斜。在层高不同，外形也不同的两个项目之间的体型转换，只需要按照标准模块的高度和宽度尺寸，结合具体结构的施工作业面情况进行拼接组合。

1.2全封闭系统

对脚手板、底部闸板和侧网进行全方位标准化设计，各封闭部件均采用金属材料制作，从而获得可靠的强度、美观的外形和良好的防火性能。侧网由4#角钢边框与1 mm×10 mm×10 mm镀锌铁丝网组成，提高侧网强度和防穿透能力。走道板采用4#角钢边框与4 mm×22 mm×30 mm的菱形钢板网片组成，钢板网片周边点焊到角钢框上，提高走道板强度和防坠物能力。底部闸板由槽钢与厚2.5 mm的花纹钢板组成，脚手架底部与建筑物之间的空隙采用厚2.5 mm的轧花钢板作为隔离翻板。隔离翻板上开条形孔，远离墙面的孔端适度扩圆孔。翻板的限位栓穿过条形开孔固定在底部脚手板上，保证条形开孔在限位栓的作用下不脱离，只能沿条形孔滑动，从而实现隔离翻板的伸出与缩回，提高底部闸板设计制造精度，实现底部良好的封闭性能。

1.3控制系统

对升降控制系统进行优化，通过研究无线控制系统，完成了无线控制硬件系统的选型和控制软件的开发，研发出用无线控制的总控设备和遥控设备。各分控箱通过串联线路接入总控箱，通过遥控器与各控制箱进行指令等信息交互。

在提升过程中，脚手架上不留操作人员。操作人员在结构楼面上，通过遥控器发出指令，控制脚手架体系的提升与停止。控制人员根据总控箱数据及脚手架体系各部位的具体情况，判断架体提升是否正常。出现异常情况，则暂停提升操作，解决异常问题之后，再行提升。在无线控制下，架体高度偏差能控制在20 mm范围内，符合相关规范要求的相邻架体之间竖向偏差不超过30 mm的要求。

2 防火性能分析

2.1数值模拟

本文建立3层脚手架有限元模型，每层步距1.8 m，上下层铺设竹笆走道板，中间层分别为竹笆走道板和钢板网片走道板，分析当下层走道板发生火灾时，中间层走道板材质对上层脚手架温度的影响，如图2所示。假设流场的初始状态为静止，模拟区域内温度为20 ℃，压力为1个标准大气压（101.325 kPa）。

图2 燃烧性能数值分析模型

采取恒定热释放速率火源，竹材最大热释放速率为300 kW/m2，模拟中考虑20%的余量，故设定火源热释放速率为360 kW/m2。边界条件为热厚边界条件，即围护结构传热按一维传热处理，并且假定外壁面温度与环境温度相同并保持不变。在大涡模拟中壁面速度采用滑移模型，壁面速度取邻近网格节点速度的3/4。应急响应时间为300 s，考虑一定的余量，设定模拟时间为400 s。

图3（a）和图3（b）分别为中层走道板为竹笆和钢板网片的脚手架横向剖面温度分布图。从图3（a）可以看出，火源附近温度较高，超过600 ℃，中间层竹笆脚手板附近温度超过300 ℃，热流量大于16 kW/m2。竹材超过280 ℃即热解，且竹材最小引燃热流量为10～13 kW/m2。因此，当下层竹笆脚手架着火时，相邻层脚手架及其附属可燃物在火灾发生后极有可能被点燃，从而造成立体蔓延。从图3（b）中可以看出，火源附近温度较高，超过600 ℃，距着火层3.6 m处的第3层竹笆脚手板附近，温度在250 ℃左右，火源正上方处热流量低于5 kW/m2。因此，在中间层为钢笆的条件下，距着火层3.6 m处的第3层竹木模板等施工材料在400 s内较难被点燃。

图3 火源横向剖面温度分布示意

2.2实体火灾试验

本文进行脚手架的全尺寸实体火灾试验，观察不同风速条件下，竹笆脚手架体系和改进的阻燃型脚手架体系预防火灾蔓延的可行性，可以得出以下结论：

1）自然风（2.0 m/s）条件下，当竹笆脚手板上存在较多可燃物时，其上方的竹笆脚手板能被引燃。

2）自然风（2.0 m/s）条件下，脚手架外围的绿网和防尘网都被点燃，但明火很快熄灭，火灾蔓延风险较小；在强制送风（8.0 m/s）条件下，绿网和防尘网都很快被点燃，带火的熔融液滴洒落到本层和下层竹笆脚手板，将竹笆脚手板引燃，造成火灾水平和向下蔓延。

3）自然风（2.0 m/s）和强制送风（8.0 m/s）条件下，采用阻燃型脚手架体系，钢板网上层的架体不会引燃，能阻止或延缓火灾向上蔓延。此外，钢板网能阻挡上层着火源燃烧掉落的固体残留物，可阻止脚手架火灾向下蔓延。

4）阻燃型脚手架体系布置方案采用钢板网片层作为走道板，能够有效降低脚手架发生火灾后，火势通过该层向上或向下蔓延的风险。

3 力学性能分析

3.1架体模型建立

根据脚手架的实际结构，材料选用Q235，整体脚手架结构构件等选用一般梁单元模拟。考虑相邻单元间的相互作用，选取三机位两跨度的脚手架单元，水平方向选取2榀单元（共8 800 mm）进行分析，竖直方向选取10步11排、高19.8 m单元（1.8 m×10步＋1.8 m扶手）进行分析。

整体提升脚手架体施工过程中分为以下3个工况。

1）工作工况：脚手架在6级～8级风作用下工作。

2）爬升工况：脚手架在6级风作用下爬升。

3）台风工况：脚手架在10级风作用下，清除架体上部堆载，拆除顶端悬臂部分防风布并增加拉结措施。

本文通过改变荷载条件和边界条件，分析不同工况下整体提升脚手架体的应力与变形响应。

1）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。

2）爬升工况：提升动力装置固定到底部横梁上，架体导轨与滚轮连接。

3）台风工况：在原有硬拉结齐全的情况下，利用每层锚杆、预留孔洞、立柱对硬拉结进行加固。

架体荷载有3类：恒荷载、施工活荷载以及风荷载。

1）恒荷载为材料自重，镀锌围板取8.2 kg/m2，钢丝网片10.8 kg/m2，花纹钢板取33.4 kg/m2，由模型自动计算。

2）风荷载按照式（1）计算[5]：

施工荷载按最上面3层走道板同时作业计算，分为工作工况、爬升工况和台风工况。工作工况每层2 kN/m2，爬升工况每层0.5 kN/m2，台风工况每层荷载为0。

3.2结果分析

3.2.1 工作状态

在6级、8级风作用下，架体应力如图4所示，6级风作用下架体最大拉应力为90.4 MPa，最大压应力为84.5 MPa，8级风作用下架体最大拉应力为193.4 MPa，最大压应力为183.0 MPa，均小于Q235型材强度设计值。因此，脚手架在工作状态承载力满足要求。

图4 工作状态6级、8级风架体应力包络图

在6级和8级风作用下，架体结构的变形如图5所示，最大变形分别为11.2、23.3 mm，都发生在爬架最顶端中部，小于规范要求架体长度的1/300＝29.3 mm，因此脚手架在工作状态变形满足要求。

图5 工作状态6级、8级风变形包络图

3.2.2 爬升状态

在6级风作用下，架体结构的应力如图6所示，最大拉应力为58.7 MPa，最大压应力为57.3 MPa。架体结构的变形如图7所示，最大变形为10.0 mm。脚手架承载力和变形满足要求。

图6 爬升状态6级风下架体应力包络图

图7 爬升状态6级风下架体变形包络图

3.2.3 台风状态

脚手架在10级风作用下，拆除顶端悬臂部分防风布并增加拉结措施后，架体结构应力如图8所示，最大拉应力194.5 MPa，最大压应力193.4 MPa。架体结构变形如图9所示，最大变形为8.7 mm。脚手架承载力和变形满足要求。

图9 10级风作用下架体变形包络图

前述所做的力学分析，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。

4 工程应用

4.1工程概况

北外滩白玉兰广场项目位于上海市虹口区，是一个由五星级酒店、高智能化甲级办公楼和复合型商业组成的超大规模的超高层建筑群。其中，办公楼地面以上66层、高319.5 m，地下4层、高20.9 m，结构形式为钢筋混凝土剪力墙核心筒＋劲性外框架＋劲性桁架，标准层高4.5 m，外包尺寸24 m×24 m。

4.2无线遥控阻燃式整体提升脚手架的应用情况

办公塔楼外围结构施工时，安装附着升降脚手架作为围护体系，从第4层开始安装搭设（标高为18.00 m），其架体布置为10步11排、高19.8 m（1.8 m×10步＋1.8 m扶手），步距1.8 m，两立杆间横距≤1.5 m，宽度0.8 m，架体距结构边线0.4 m，上下附着支承点支承在钢结构梁上。

因办公塔楼4个角部从4层至65层变化较大，故在布置附着升降脚手架提升机位时不在4个角部设置机位，其余4个面分别各布置10台提升机位，形成4个独立脚手架体系。两机位间距（跨度）≤6.8 m，脚手架搭设最大跨度为4 400 mm，架体全高与支承跨度的乘积不大于110 m2（本次布置最大乘积为87.12 m2）。架体平面布置如图10所示，脚手架立面如图11所示。附着升降脚手架从第4层逐层提升至65层（标高为300.75 m），待结构施工完毕后附着升降脚手架在65层进行高空拆除。