基于MIDAS-GEN附著式升降腳手架架體安全防護性能優(yōu)化及分析

文/陳炳超、李騰昌 廣西建工大都租賃有限公司 廣西南寧 530000

背景介紹

現(xiàn)階段的高層建筑或超高層建筑施工中，提倡節(jié)能減排及綠色文明施工已成為未來建筑工程的發(fā)展趨勢，現(xiàn)代化施工項目也對外防護腳手架的技術性能提出了更智能化、安全化、標準化的要求。在此形勢下，附著式升降腳手架（簡稱“爬架”）孕育而生，并以其成本低、可操控、美觀大方和高效安全等優(yōu)勢特點迅速成為高層、超高層建筑施工腳手架的主流選擇。

附著式升降腳手架于上世紀80年代末開始研發(fā)并投入使用，最初前身為鋼管式整體提升腳手架，依靠人工手動提升，機械化、系統(tǒng)化程度較低。經過幾十年改良創(chuàng)新，現(xiàn)行主流產品已升級為全鋼型模塊化附著式升降腳手架，其構件標準化程度較高，內置系統(tǒng)可實時動態(tài)顯示受荷狀況，并可通過遙控器、電腦遠程控制爬升，實用性有了非常大的提高。住建部也曾將其作為建筑新產品、新技術進行過推廣，這對爬架的發(fā)展起到了至關重要的作用。

目前，主流爬架的結構構型已能達到大多數(shù)施工項目的使用要求，但仍存在少許問題，有一定改善空間。由于高層、超高層建筑中間部位存在避難層、設備層等特殊層，層高較高，且部分建筑結構較為不規(guī)則，施工工序產生影響，若爬架本身防護高度過低，將易導致工作面外露，極大的威脅了現(xiàn)場施工安全，使得爬架的防護作用在某種程度上形同虛設。此外，部分爬架架體桿件截面規(guī)格過多，既不利于生產加工，也影響了現(xiàn)場工人的安裝，延誤施工進度，標準化程度低，不符合先進、集約、經濟的施工要求。

針對附著式升降腳手架的結構優(yōu)化及力學分析，國內已有不少學者開展過理論研究。其中，胡世軍等[1]對爬架在不同工況下的模態(tài)分析進行了研究，得到不同工況（使用狀態(tài)和提升狀態(tài)）對爬架振型及固有頻率造成的影響。劉曉旭等[2]探討了支座形式對附著式升降腳手架的影響，并得出了架體受力及變形受支座剛度的影響很大的結論。周印堂等[4]對附著升降腳手架進行了精細化模擬，通過不同模型的對比揭示了爬架局部構件對其整體穩(wěn)定性的重要作用。但是，目前針對爬架現(xiàn)場的適用性研究及技術優(yōu)化改造案例卻很少，本文通過聯(lián)系現(xiàn)場實際，對爬架防護高度及架體構件進行優(yōu)化，解決目前主流爬架存在的安全隱患問題。

圖1 作業(yè)面外露

1、工程概況

柳州華潤中心幸福里項目工程位于廣西柳州市魚峰區(qū)桂柳路9號，結構為剪力墻、結構梁、雙飄板形式。建筑總高度為133.7m，建筑總層數(shù)共42層，標準層從3層開始，標準層高3m，風壓高度變化系數(shù)按C類場地取值，基本風壓按10年一遇風壓取0.2kN/m2，高度修正系數(shù)取1.54，其中16、17、32、33層有外圍結構延伸，外延的跨度較大，但增加的層數(shù)較少，因此經研討后決定將此外伸結構后做。其中圖3-1為該項目6#樓爬架機位布置圖，鑒于該工程結構特殊、施工工序復雜，易出現(xiàn)前文所述的安全隱患問題。現(xiàn)以柳州幸福里6#樓為例對原架體進行改造優(yōu)化、技術分析，其計算思路和解決方案可供同類工程借鑒。

圖2 爬架機位布置圖

2、建模分析

2.1 優(yōu)化重點

1）通過增加立桿和改進受力構件，綜合考慮架體總質量、架體最大變形量、架體最大應力比三項指標，使得架體受力更均勻且材料用量減少，達到安全情況下更經濟的目的；

2）綜合考慮施工條件、主體結構等因素，計算出最不利附著部位的最小配筋要求，按照設備適應建筑而非建筑適應設備的原則，減少對原施工工況的影響，避免額外增加配筋或修改施工圖紙；

3）在嚴格遵循規(guī)范要求的前提下，依照原架體機位布置圖的基礎上對架體進行改進，降低優(yōu)化復雜度，建立一種簡單、便捷、合理、可行的優(yōu)化思路和模式。

2.2 初步優(yōu)化

原架體防護高度為13.5m,共7步，覆蓋4.5個標準層，頂部懸臂高度為4.5米，提升機額定噸位為7.5噸，架體自重4kN每延米，最大跨度為18號機位，跨度為5.1米。為提高架體的安全性和經濟性，現(xiàn)額外增設1米立桿，提高架體防護高度至14.5米，并將立桿，橫桿，桁架截面形式統(tǒng)一，一致改良為60＊30＊3 mm規(guī)格，并對其進行建模分析。

采用MIDAS-GEN進行有限元建模，施工荷載的取值參照《建筑荷載設計規(guī)范》與《建筑施工工具式腳手架安全技術規(guī)范》，爬升葫蘆及導軌作為荷載作用于架體；整體框架、支撐三角架、均采用梁單元；主框架豎向結構與橫桿剛性連接，上下框架拼接為剛性連接，架體其余的連接均為鉸接。各層走道板及側面的防護網(wǎng)均采用薄板單元，厚度按照實際取值，爬架的構件均采用Q 235鋼；根據(jù)現(xiàn)場施工情況和規(guī)范要求，模擬工程中常見的不同類型工況，各工況組合如下：

組合一：恒載、升降荷載；

組合二：恒載、施工荷載；

組合三：恒載，風荷載；

組合四：恒載、升降荷載、風荷載

組合五：恒載、施工荷載、風荷載；

對腳手架結構進行結構靜力分析主要有以下三方面用途：①對腳手架的力安全進行校核，包括檢查架體結構是否出現(xiàn)剛度、強度、穩(wěn)定性不滿足的情況，如出現(xiàn)結構安全問題則對架體進行相應的改進，保證架體在施工過程中處于安全狀態(tài)；②在保證腳手架結構安全的情況下，分析其受力特點，包括最大變形量的數(shù)值和位置，最大組合應力的分布區(qū)域等，為下一步的結構優(yōu)化提供依據(jù)；③與原架體形式進行對比，探討本次改良選型是否存在不足之處，提出具體解決方案。

表1 爬架各向最大位移表(單位：mm)

圖3 爬架架體變形圖例

由空間整體變形計算結果可見,不管是在施工工況還是在升降工況下，本架體結構的水平位移都遠大于豎向位移，而且在風荷載的作用下水平位移增大顯著，這說明水平風荷載對架體結構的影響最大，它是架體結構設計的控制荷載。

而在影響腳手架豎向承載能力的因素中，架體與結構橫向連接件的設置尤為重要。風荷載使腳手架立桿從軸向受壓變?yōu)閴簭?，降低了其豎向承載力，而橫向連接件可直接抵抗風荷載的不利影響，其在腳手架中的作用主要表現(xiàn)在兩個方面：①直接承受水平風荷載； ②作為腳手架的橫向支點，約束其橫向變形。因此，連接件的設置直接影響到腳手架立桿的穩(wěn)定，從而影響整個腳手架的承載能力。

為減少風荷載對架體的不利影響，決定以增加橫向拉結的方式對架體進行二次優(yōu)化。

2.3 二次優(yōu)化

本架體頂部懸臂高5.5米，規(guī)范要求當懸臂超過6米時必須與結構間有可靠的拉結（嚴禁與支模架進行拉結），目前未超過限值，但數(shù)值偏高。為確保爬架的安全性，擬采取鋼管拉結對其加固，每榀間設置一個拉結點(如圖4所示)。頂板澆筑時，在頂板上預留f48預埋鋼管（鋼管外露200m）。預埋鋼管距結構外皮2.0m左右，間距不大于6m，架體提升后，用5m鋼管將架體與結構預埋環(huán)進行拉結。除不考慮拉結節(jié)點處斜拉繩或桿件自身伸，縮變形外，計算中都考慮拉結點處變形為零，側向變形的增大趨勢是向兩拉結點處的中心節(jié)點集中。與拉結前對比，變形降到原先變形的五分之一，頂層與下一層各節(jié)點的變形下降趨勢可通過圖6對比表示。

有上圖可知風荷載效應組合對稱分布，架體同一層上的位移左右對稱，根據(jù)圖6顯示，拉結前后位移相差一個數(shù)量級，拉結前的位移值最大值為37.2mm，拉結后最不利工況組合下的最大位移值大大降低，Y向最大僅為6.53。此外，架體下一層的節(jié)點位移變化受框架桿件節(jié)點連接方式的影響不大，不會出現(xiàn)頂層位移波峰波谷的現(xiàn)象。

圖4 架體拉結點示意圖

圖5 頂板處預埋鋼管詳圖

圖6 拉節(jié)后最不利工況組合爬架架體變形圖

上述的分析可以得出架體與結構的拉結作用對控制側向變形是很有利的，拉結后的最大位移6.53/5400=1/827＜1/400，有兩倍以上的安全系數(shù)，所以適當?shù)睦Y作用能起到四兩撥千斤的作用，明顯減小側向變形效果。因此，架體最終優(yōu)化方案包括增設立桿、調整構件截面以及增加橫向拉結三個方面。

3、承載力驗算

選取6#樓最不利機位附著點位置對邊梁進行驗算，附著情況如圖7所示，梁截面尺寸為200x500mm，上下配筋為2φ14、2φ14。梁跨度為3000mm。此處機位承受的架體荷載跨度L為5.1米,節(jié)點A承受架體荷載高度為6.45米。

圖7 框架梁結構圖

梁所受局部壓力和豎向集中力P=70.8kN，其兩端為固定梁，為安全起見按一端固定一端簡支計算。結構自重及架體對梁產生的彎矩為：M=Mz+MJ=2.97+52.57=55.54kN/m。由于架體提升時，最上方機位附著的鋼筋混凝土強度等級未達到設計值，混凝土強度等級按C20、鋼筋等級為II級。查詢《鋼筋混凝土房屋結構設計手冊》并通過插值法求得：截面尺寸為500×200mm的梁的彎矩：[M]≈79.22kN/m＞M=55.54kN/m，梁承載力滿足要求。

螺栓受力驗算，本工程均采用45號鋼，4.8級 M27螺 栓，，。根據(jù)《建筑施工工具式腳手架安全技術規(guī)范》（GB 202-2010），取18號機位螺栓處的受力進行 驗 算 得：Nbv=120.18kN＞24.78kN；Nbt78.03kN＞35.12kN；[(Nv/Nbv)2+( Nt/Nbt)2]-2=0.7468＜1；螺栓滿足要求。

根據(jù)驗算結果可知，優(yōu)化后的架體在未改變原設計圖紙的情況下滿足承載力要求，可用于現(xiàn)場施工使用。

4、效益分析

通過改變架體的高度、截面形式，架體的安全性得到了大大提高，同時也具有較好的經濟效益，主要表現(xiàn)在：

（1）由于桿件截面形式進一步統(tǒng)一，其標準化、適用性得以高，周轉更加靈活，利于翻新維修可在不同類型的架體部位互相使用，簡化了生產流水線，降低生產成本。

（2）由于改進了截面形式、截面面積，架體在保證正常使用剛度的情況下，其每延米的用鋼量減少，更為綠色、環(huán)保、經濟、合理。

（3）相較于市面的主流爬架，改進后的架體結構更易于安裝，有效提高了施工效率，實現(xiàn)高層建筑施工流水作業(yè)優(yōu)化，避免因作業(yè)計劃沖突而影響施工進度，可在一定程度上減少人工成本和時間成本。

結語：

（1）爬架多用于高層、超高層住宅樓樓棟項目施工，必須切實保證其安全性，而高層、超高層中往往有層高較高的非標準層，又或因各方原因未能及時提升爬架，使得頂層圍護高度達不到規(guī)范要求，會對項目現(xiàn)場安全造成一定程度的影響。因此，本文建議將標準層為3米的爬架的防護高度提高至14.5米，以加大其安全性。

（2）架體構件的截面形式對架體的經濟性起十分重要的作用，同時也關系著現(xiàn)場工人安裝效率，本文建議將架體截面統(tǒng)一為60×30×3mm的規(guī)格形式，進一步提高了架體生產、使用、翻新維修的全過程經濟效益。

（3）爬架在外吸風荷載作用下架體會產生較大的偏離結構的變形，存在向外傾覆的風險.且架體附墻節(jié)點的反力較大，造成附著節(jié)點的負擔過大，安全儲備降低.針對該情況，本文給出了將外爬架與結構進行拉結的解決方案。計算結果表明，采用拉結方案后，爬架的抗傾覆能力大大提高，架體與結構的拉結作用對控制側向變形時很有利的，減小側向變形效果很明顯，拉結后的最大位移僅為未拉結的十分之一。

（4）爬架的發(fā)展日新月異，要提升其使用性能，不僅要加大對產品的理論研究投入，更要注重聯(lián)系現(xiàn)場情況，根據(jù)實際需求改進產品技術性能。對架體進行優(yōu)化后，除了對架體本身進行靜力分析外，還需對架體附著點條件進行驗算，以適應工程實踐。