不同材质安全防护棚防护性能综合研究

2022-03-06商忆勇廉鸿旭冯立雷

建筑机械化 2022年2期

商忆勇，廉鸿旭，冯立雷

（中建二局第二建筑工程有限公司，广东深圳 518000）

在高层建筑的施工中，将不可避免地进行交叉作业施工，存在较大的物体打击的隐患，严重威胁施工人员的人身安全。为了有效减少高空坠物、物体打击安全事故的发生，JGJ80-2016《建筑施工高处作业安全技术标准》中明确要求，在人员通道口等关键位置必须搭设安全防护棚。但在安全防护棚顶棚硬质防护材料的选择上，规范中的描述不够具体，对现场实施指导有限。因此研究安全防护棚顶部硬质防护材料的防护特性对于推进建筑施工安全生产具有重要意义。

1 安全防护棚的用途及分类

1.1 安全防护棚的用途

在建筑物坠落半径内实施安全防护功能，为行人或设备通行提供防护，保护施工人员免受高空坠物的打击伤害。

1.2 安全防护棚的分类

安全防护棚在施工现场的应用较为广泛。进楼施工通道、混凝土搅拌机、卷扬机棚、钢筋加工棚、木工加工棚以及塔机覆盖范围内的办公、生活区，均需搭设安全防护棚。按照安全防护棚的组装方式分类，可将防护棚分为脚手架式安全防护棚和工具式安全防护棚（图1）。

图1 安全防护棚

传统脚手架式安全防护棚一般采用钢管架或盘扣架作为主桁架，现场搭设，施工速度慢，安全文明施工形象不高。随着建筑施工安全标准化的推进，工具式的定型化安全防护棚在工程中已得到较多推广应用。此类防护棚主桁架为采用型钢制作，在工厂模块化加工生产，施工现场只需拼接即可使用，施工方便快捷，周转方便。。

2 安全防护棚顶棚材料的现状

目前，工具式安全防护棚的应用已经较为成熟，但对于防护棚的顶棚防护材料，并未形成统一标准。各厂家、各企业生产的工具式定型化防护棚的顶棚龙骨一般为双层桁架，但顶棚上部铺设的防护材料各不相同。常见的安全防护棚硬质材料有木跳板、普通钢板、压型钢板及废旧模板方木等（图2）。这些防护顶棚的防护能力不尽相同，甚至有很大差异。

图2 常见的工具式安全防护顶棚铺设做法

目前我国高层建筑高度普遍在100m 左右，一旦发生高空坠物现象，在防护能力不达标的情况下，可能会击发生击穿顶棚，造成人员伤亡、财产损失等严重后果。因此，安全防护棚的安全防护能力是工程管理人员必须要重视的一个问题。本文将对几种不同材质的防护能力及综合性能进行探讨。

3 常见顶棚硬质材料的防护能力计算

3.1 安全防护棚荷载计算的基本思路

在理想状态下，假设一重量为W的重物从高处坠落，该重物在高空下降过程中坠落过程中加速，直至与防护棚顶接触。防护棚受重物高处坠落冲击后，重物速度在t时间内降为0。在“瞬时”t内，顶棚承受了较大的荷载。该荷载为变化荷载，记为F冲。

对于不同材料的防护顶棚能够承受的最大承载力也不同，该承载力记为F承。该承载力与结构受力模型、截面尺寸及材料性能有关。在此基础上，我们需对高空坠物的冲击力F冲以及不同种材质顶棚的可承受荷F承分别进行计算，即可对不同种类顶棚的安全防护能力进行比较。

3.2 安全防护棚荷载的计算模型

防护棚所承受重物坠落的冲击力属于冲击荷载。冲击荷载在冲击过程中，构件上的应力和变形分布比较复杂，精确地计算冲击载荷以及被冲击构件中由冲击载荷引起的应力和变形是很困难的。在荷载验算过程必须需对受力模型进行相应地简化，以得到可以参考的荷载数据。将防护顶棚受力模型简化为简支梁，在其上方高度h处，有一重量为W的物体自由下落后，冲击在梁的中点。

在冲击荷载计算上，我们采用简化计算方法，计算中需做如下假设：①假设冲击物的变形忽略不计，即认为冲击物是刚体，从开始冲击到冲击产生最大位移时，冲击物与被冲击构件一起运动，而不发生回弹；②忽略被冲击构件的质量，认为冲击载荷引起的应力和变形在冲击瞬间遍及被冲击构件；并假设被冲击构件仍处在弹性范围内；③假设冲击过程中没有其他形式的能量转换，机械能守恒定律仍成立；④计算过程空气阻力因素的影响不考虑；⑤假定F冲在冲击受力过程中，数值为固定值，即冲击力F在瞬时（时间t）内与顶板接触，速度由v降为0，转换过程遵循动量守恒；⑥本模型默认防护顶棚直接承受上部荷载，并将荷载直接反馈到下层顶棚。不考虑防护棚桁架中的顶板龙骨不参与受力；⑦假定在时间t内，加速度a=0，即重物在有效时间t内匀减速运动，在时间t内，重物下落的缓冲距离记为s，此期间平均速度为0.5v。

3.3 安全防护棚冲击荷载的计算

对于冲击力F冲，为瞬时变化的荷载，最大冲击力较难通过计算直接确定。根据前述假设，我们只计算平均冲击力。

在减速过程中，根据动量守恒定律，Ft=mv，其中t=2s/v，得出

规范中要求的高层建筑高度大于24m 时，必须设置双层防护棚。在本次防护棚计算模型中，我们取最小计算高度，即h=24m。双层防护棚的双层间距按规范规定为0.7m，即s=0.7m。即重物与第一层顶棚接触时开始减速，落至第二层防护棚时速度降为零，此时能够保证底部安全防护需求。在此情况下带入式（1）计算，F=mgh/s≈34.3mg。

即在规范规定双层防护条件下，重物从24m高度处自由下落冲击顶棚，顶棚受到的平均冲击力达到重力的34.3 倍。此荷载为规范规定的最低标准。同时，在不考虑空气阻力情况下，冲击力随着坠落高度增大呈线性增长。当重物从高层建筑楼顶坠落，h≈100m，计算得F=142.92mg，即约143 倍重力。如果高空坠物质量较大，在此荷载条件下任何材质顶棚都难以保证安全性。因此，在保证安全防护棚顶棚材料的安全性能的前提下，加强安全管理措施及保障措施，按要求隔层设置水平防护兜网或防护棚能够大大减少高空坠物产生的冲击力，保障交叉作业施工人员的生命财产安全。

3.4 不同材质顶棚抗冲击能力计算

对于简支梁结构模型来说，结构抗冲击能力由抗受弯能力（挠度）决定。

对于中心受集中荷载的简支梁，跨中最大挠度

由式（2）可知，我们只需计算得出盖板的弹性模量和惯性矩、以及盖板的最大容许冲击位移w，便可依据冲击荷载方程求出该盖板所能承受坠落物重量的最大值F，从而得出该条件下的顶棚抗冲击承载力。

对于本例来说，分别选取木质挑板、木模板、方木、10mm 厚普通钢板、0.6mm 厚彩钢板、1.0mm 厚压型钢板（高波板）进行顶棚受力验算。

在本例中，除彩钢板、压型钢板外，其他材料剖面均为矩形截面，可简化为矩形受力模型计算惯性矩。

其中，b为顶棚材料的单位宽度，h为顶棚的厚度。

几种不同材料顶棚材料参数如表1、表2 所示。

表1 矩形截面材质顶棚材料规格计算表

表2 压型钢板截面顶棚材料规格计算表

对于压型钢板，根据选用的材料参数，查相关型号的钢结构表受力参数，直接得到相应的有效截面惯性矩Iae。由于钢板较宽，考虑破坏实际情况，按照压型钢板每个波段的宽度来计算截面惯性矩。

顶棚材料的规格、计算截面确定后，以最常见的安全通道防护棚为例进行验算。安全通道防护棚宽4.5m，高3.0m，不同材质规格的顶棚计算参数如表3 所示。

表3 不同材质规格顶棚计算参数表

在本例中，挠度变形w 的取值按照正常使用及破坏两种情形下考虑选取。

第一种情形，考虑材料在正常使用范围内的承载极限。我们假设防护棚盖板能承受冲击荷载变形，且不影响后续使用。在此条件下，挠度容许值按照受弯构件的挠度允许值计算。根据GB 50017-2003《钢结构设计规范》附录3 中平台板取值，本例顶棚的挠度容许值V≤L/150=4500/150=30mm。在正常使用情况下，允许挠度记为w1=30mm。

第二种情形，按照防护棚破坏考虑顶棚的承载极限。在此条件下，我们假定防护棚盖板能承受冲击荷载，但防护棚第一层变形严重，无法继续使用，但防护棚第二层完好，未受冲击影响。在此条件下，挠度容许值按照防护棚允许的最大变形值计算。根据规范要求，两层防护棚的间距为0.7m。在破坏状态下，正常允许挠度变形值记为w2=700mm。

根据以上假定数据，对顶棚1～顶棚6 所能承受的安全荷载F1及破坏状态下承载力F2进行统计计算，结果如表4 所示。

表4 不同材质顶棚的安全荷载计算统计表

3.5 验算结果及分析

根据冲击荷载验算结果，在24m 高度条件下，不同材质的顶棚抗冲击能力统计如表5所示。

表5 不同材质防护棚抗冲击能力统计表

根据不同材质防护棚抗冲击能力的计算结果，可得出如下结论。

1）防护顶棚的承载能力与材料的截面惯性矩I及材料弹线模量E呈线性关系。

2）材料的弹性模量是影响惯性矩的重要因素之一。同截面条件下，钢制材料的抗变形能力是木质材料的20 倍。

3）对于矩形截面材料，惯性矩I由材料的计算宽度b及材料厚度h3决定。其中，对于矩形材料，顶棚材质的厚度h为主要影响因素。对于压型钢板材料，波高是影响惯性矩I的主要因素。

4）在满足抗弯挠度、安全使用的前提下，各种材料的顶棚抗冲击荷载能力均较弱。其中木模板、彩钢板的安全坠落质量均小于10g，抗变形能力最差。1.0mm 厚压型钢板（高波板）的安全坠落质量最大，也不足100g。在施工现场如高层若有杂物坠落现象发生，例如发生碎混凝土块坠落现象，一旦防护棚顶棚受到冲击，产生的变形有大概率超出顶棚的允许挠度。若防护棚材料为模板、彩钢瓦等较低强度材料，则大概率产生变形，对防护棚的安全性、耐久性、文明施工形象造成负面影响。因此，安全防护棚并不是绝对的安全，其承载能力其实非常有限。防护棚只是作为必要的防护手段，是防止高空坠物物体打击事故的最后一道防线。只有不断加强施工现场的安全管理，减少人的不安全行为，物的不安全状态，才能从根本上减少、杜绝高空物体打击现象的出现。

5）在设置双层防护棚，上层顶棚破坏的条件下，各种材质的顶棚抗冲击荷载能力相对较高。其中模板顶棚可承受2.7kg 重物冲击；1.0mm厚压型钢板（高波板）的承受冲击能力最强，最高可承受51.78kg 重物冲击。因此，在双层防护棚条件下，在破坏状态中顶棚可承受较高冲击荷载，保证下层防护棚不被击穿。因此，在高层建筑中设置双层防护棚，是保障施工人员生命安全的必要措施。

6）需要注意的是，本文是在理想模型条件下按照简支梁受力验算了不同材质顶棚的抗冲击能力，且预设了多个假定条件，计算结果仅供参考。在工程实际施工中，安全防护棚受力情况更为复杂，防护棚主桁架一般在顶棚上设置有龙骨及斜撑作为顶棚的支撑材料；而模板、方木等块状顶棚材料在铺设中一般也会在底部增加龙骨，保证防护性能。这些措施均会对结构受力模型及承载力造成影响，但计算中并未考虑。但从整体来说，安全防护棚的材料厚度越厚，材料刚度越大，龙骨间距越小，抗冲击能力越强。

4 不同材质防护顶棚综合对比评价

综上，我们对6 种不同材质的防护顶棚材料的力学性能进行了对比，同时我们还需对它们的材料价格、耐久性、安装维护成本、环保性、周转性能等综合指标进行类比分析，不同材质条件下的顶棚性能如下。

1）双层铺设的50mm 厚木跳板价格适中，所允许的高空坠落物最大质量较高，能够满足防护要求。但缺点是木板雨天吸水后会变重，在外界环境下易风化或腐烂，从而降低木厚板的抗冲击荷载的能力，木跳版在使用3～5 次周转后，就难以到达安全使用的要求，需及时更换。综合考虑，是比较可靠的顶棚防护材料，在各种条件下均可使用。

2）10mm 厚钢板价格最高，承载能力较强，抗冲击能力与50mm 厚木跳板相仿。但钢板厚且易腐蚀生锈，维护成本较高，通用性较差，不推荐使用该材料作为安全防护棚的硬质防护材料。

3）10mm 厚YB75-200-600 型压型钢板（高波板），承载能力最高，约为木跳板的两倍；压型钢板均有镀锌层，耐腐蚀，可多次重复利用，使用年限较长，质量较轻，外观比较整洁，抗变形能力最强，安全文明施工程度高，缺点是价格稍高，应用较少。压型钢板作为一种楼承板材料，具有较高承载力，在安全防护棚领域应用前景广阔。推荐用于对安全文明施工要求较高的创优工程项目。

4）50mm 厚方木满铺顶棚，优点是后期维修方便，材料通用性高。抗冲击承载能力一般，价格适中，耐久性、损耗性较差、环保型低、文明施工效果差。属于中规中矩的顶棚做法，各方面没有太突出的亮点，在标准化要求高的工程中，不推荐使用。在一般性的工程项目，为节约成本，可作为木跳板的替代方案使用。

5）木模板防护顶棚，优点是价格便宜，但承载力最差，耐久性、损耗均较高，因承载力低作为顶棚材料极易破坏，需经常更换。安全防护性能低，不推荐使用。

6）彩钢瓦顶棚（低波薄压型钢板），该顶棚材料价格便宜、安拆快、通用、环保性较高，文明施工形象好，是目前大部分工具式防护棚配备的顶棚材料。但该材料存在致命缺点即材料抗冲击能力较差，防护能力不达标；同时因材料强度低致耐久性差、易变形、易损耗高。因防护能力较差，存在较大安全隐患，不推荐使用。