全鋼附著式升降腳手架的研發(fā)應(yīng)用

福建建中建設(shè)科技有限責(zé)任公司 福建 福州 350015

前言

隨著國家城鎮(zhèn)化建設(shè)進程的加快，我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化建設(shè)速度的加快及人民生活水平的迅速提高，一座座高層、超高層建筑如雨后春筍拔地而起，而作為高空建筑施工必備的外防護腳手架是安全施工的重要措施。(1)、常規(guī)滿搭外腳手架己無法適應(yīng)高層、超高層建筑施工的要求，其主要原因為:1、高空搭設(shè)困難；2、耗資(費時、費工、費料)巨大；3、安全性差。(2)、扣件鋼管附著式升降腳手架是本世紀(jì)初快速發(fā)展起來的新型腳手架技術(shù)，對我國施工技術(shù)進步具有重要影響，但其存在不足原因為:1、搭設(shè)耗資(費工)高；2、安全性(扣件連接，鋼管架體)不足。

基于上述背景，著眼于近幾年快速發(fā)展高層和超高層建筑施工，越來越多的高層建筑均開始使用附著式升降腳手架(俗稱“爬架”)安全作業(yè)防護施工，現(xiàn)開發(fā)一套工廠型材模塊標(biāo)準(zhǔn)化加工、統(tǒng)一型號螺栓安全高效便捷連接的全鋼附著式升降腳手架，而新型全鋼附著式升降腳手架裝備在當(dāng)前形勢下具有重要的現(xiàn)實意義和廣闊的市場前景。

1 附著式升降腳手架的構(gòu)造及原理

(1)通附著升降腳手架附著在結(jié)構(gòu)上，通過提升設(shè)備固定在與架體脫離的獨立附墻支座上，附墻支座固定在砼結(jié)構(gòu)上，利用附墻支座將架體整體提升，架體提升到位后與結(jié)構(gòu)物固定，再利用架體將附墻支座連同提升設(shè)備提升到新的高度并固定，如此，架體與附墻支座互為利用，交替與結(jié)構(gòu)物固定，交替爬升；當(dāng)工程進入外裝飾階段，附墻支座與架體反之互為利用與結(jié)構(gòu)物固定，交替下降。

(2)爬升架的構(gòu)造形式一般由架體、水平梁桁架、豎向主框架、附墻支座、提升裝置、安全裝置等組成。

(a)架體:附著架體應(yīng)具有足夠強度和剛度的架體結(jié)構(gòu)，架體應(yīng)滿足防護及操作承載要求，能與豎向主框架及水平梁架構(gòu)架整體作用。

(b)水平梁桁架:架體水平梁架應(yīng)滿足架體自重和施工荷載整體的承載作用。

(c)豎向主框架:由設(shè)在架體上的豎向桁架并設(shè)有導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，除有導(dǎo)向作用還有豎向承載要求，與建筑物結(jié)構(gòu)上的附墻支座及導(dǎo)向架相互配合作用，而相關(guān)的提升裝和安全裝置均設(shè)在附墻支座及豎向主框架之間。

(d)附墻支座:由型鋼支座三角梁和由通過穿墻螺栓固定于建筑物結(jié)構(gòu)上的承重支座組成，并有卸荷及導(dǎo)向作用。

(e)提升裝置:是整個爬升架的動力系統(tǒng)，由動力設(shè)備固定于建筑結(jié)構(gòu)上、控制系統(tǒng)、提升組合結(jié)構(gòu)組成。爬升架的動力設(shè)備有液壓千斤頂、電動卷揚機以及電動葫蘆等。升降動力控制臺應(yīng)具備相應(yīng)的安全保護功能，并應(yīng)符合規(guī)范要求。

(f)安全裝置:由防傾裝置、防墜落裝置及同步裝置組成。

附著式升降腳手架多種多樣，不管使用哪種形式，其核心要求就是安全生產(chǎn)，保障架體安全運作。

2 全鋼附著式升降腳手架的研發(fā)應(yīng)用

2.1 本項目主要進行了以下方面的研究

(1)架體各構(gòu)件全預(yù)制工廠化。本項技術(shù)將傳統(tǒng)架體桿件、扣件、腳手板、安全網(wǎng)等全部在工廠環(huán)節(jié)進行完善并標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)化，到施工現(xiàn)場立即進行安裝即可，現(xiàn)場安裝時不再需要其它構(gòu)配件。

(2)架體的部件式連接方式。在滿足產(chǎn)品使用功能的基礎(chǔ)上，如何最大程度地簡化產(chǎn)品裝卸操作，以提高運輸效率，并減少產(chǎn)品在存放時占用的空間。

(3)導(dǎo)軌的設(shè)計及與架體的連接方式。導(dǎo)軌與架體的連接牢固，具有足夠的剛度和強度，并方便裝拆，可適應(yīng)結(jié)構(gòu)的需要確定安裝位置。

(4)附墻支座的功能及實現(xiàn)方法。附墻支座集承重、防墜、防傾、導(dǎo)向功能于一體，其防墜采取觸發(fā)式防墜設(shè)計，機械式觸發(fā)動作，防墜效果可靠、靈敏度高。

(5)電動提升機采用正掛免移動系統(tǒng)。電動提升機采用正掛免移動系統(tǒng)，無需人工倒運電動提升機，節(jié)約人工。

2.2 產(chǎn)品功能及實現(xiàn)思路 本項目所研究完成的產(chǎn)品，其功能及實現(xiàn)思路包括:

(1)全金屬的產(chǎn)品功能構(gòu)成。包括了架體、腳手板、安全網(wǎng)、翻板。通常情況下，這些功能的實現(xiàn)要依靠在施工現(xiàn)場另外使用周轉(zhuǎn)材料來安裝完成的，本產(chǎn)品則將這些功能全部實現(xiàn)工廠化預(yù)制而只在施工現(xiàn)場實現(xiàn)組裝的過程即可。

(2)產(chǎn)品以個體形式進行拼裝，各構(gòu)件為全鋼構(gòu)件。產(chǎn)品設(shè)計成定型模數(shù)形式，現(xiàn)場安裝時將各規(guī)格構(gòu)件按方案圖示位置進行拼接安裝即可。產(chǎn)品構(gòu)件組裝設(shè)計成部件，運輸時非常方便。現(xiàn)場安裝時將零部件進行拼裝，其操作過程僅靠人工就可完成。

(3)產(chǎn)品構(gòu)件包括各種不同的尺寸規(guī)格，可以按不同的建筑結(jié)構(gòu)形式和架體高度進行組合安裝，并均采用M16一種螺栓型號連接。

(4)架體節(jié)點與導(dǎo)軌進行連接。安裝后的架體通過導(dǎo)軌與附墻支座結(jié)構(gòu)相連接，附墻支座結(jié)構(gòu)再與結(jié)構(gòu)進行固定。導(dǎo)軌設(shè)計為兩條槽鋼對稱焊接，槽鋼之間焊接圓鋼，背后方管桿焊接成“品”字結(jié)構(gòu)形式，剛性好。接高時導(dǎo)軌端部與端部連接，連接處側(cè)面使用導(dǎo)軌連接槽鋼連接的導(dǎo)向輪；附墻支座結(jié)構(gòu)上設(shè)置有防傾覆裝置限制導(dǎo)軌傾覆。

(5)附墻支座結(jié)構(gòu)具有承重、導(dǎo)向、防傾、防墜功能。附墻支座結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)有防墜本體和觸發(fā)器，通過觸發(fā)器和防墜本體的配合使用實現(xiàn)防墜:在架體向下運動時導(dǎo)軌驅(qū)動觸發(fā)器和防墜本體動作，此動作穩(wěn)定可靠，墜落時防墜本體無法及時恢復(fù)即被卡阻，實現(xiàn)防墜，且每一點位處均設(shè)有三個附墻支座結(jié)構(gòu)，即三個獨立的防墜落裝置。

(6)智能操控荷載控制系統(tǒng)。通過在上吊點處設(shè)置一個荷載傳感器，將升降過程每個點位的荷載信息收集反饋到控制箱中，控制架體實時監(jiān)測點位荷載，每秒采集次數(shù)達(dá)5次以上，不間斷對荷載變化進行監(jiān)測，當(dāng)某一機位的荷載超過設(shè)計值的±15%時，以聲光形式自動報警和顯示報警機位，當(dāng)荷載變化超過±30%時，自動停機，并以聲光形式進行報警，報警信號同時出現(xiàn)在主控制箱及點位處的分控制箱，并擺脫必須站在控制箱位置的束縛，控制操作變得更加快捷、便利。

綜上，實現(xiàn)全鋼附著式升降腳手架產(chǎn)品研發(fā)主要由以下六部分構(gòu)成來完成設(shè)計:

豎向主框架(導(dǎo)軌、立桿、主框架三角撐)、水平桁架、架體構(gòu)架(立桿、型鋼腳手板、防護網(wǎng)片)、附墻支座(附墻支座結(jié)構(gòu)包含附著、防傾、防墜、導(dǎo)向等裝置)、升降系統(tǒng)設(shè)計(電動葫蘆、正掛循環(huán)免移動裝置、提升掛座等)、升降荷載控制系統(tǒng)(分控箱、主控箱、傳感器、遙控器等)。

2.3 產(chǎn)品各個部件選型分析優(yōu)化 每個部件設(shè)計前應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求荷載提前對構(gòu)件受力分析應(yīng)力，并根據(jù)應(yīng)力大小對應(yīng)部件盡量選擇統(tǒng)一型材尺寸加工，在對各個部件做試驗，結(jié)構(gòu)部件應(yīng)力分析合理后方可歸入圖集。

2.3.1 豎向主框架 豎向主框架為由導(dǎo)軌、外立桿、主框架三角架等構(gòu)成的空間框架結(jié)構(gòu)；相應(yīng)位置均開有直徑18的孔，以方便用M16的螺栓與腳手板進行連接。豎向主框架及立桿沿高度方向均勻設(shè)置直徑18的孔，方便腳手板的連接。腳手板安裝在豎向主框架高度方向可以在均勻設(shè)置孔位任意高度安裝(配合施工作業(yè)進行調(diào)節(jié))，安裝固定方式為M16的螺栓。

導(dǎo)軌使用兩條6.3#槽鋼對稱放置，槽鋼之間焊接防護軸Ф30-80圓鋼，防護軸每隔120mm布置一個，背后設(shè)置一根80*40*3.0矩管形成格構(gòu)柱形式，焊接成型后強度大，剛性好。

主框架外立桿使用規(guī)格為80×40×3mm矩形管，在立桿側(cè)面均勻設(shè)置Φ18的孔，以實現(xiàn)架體在安裝其他部件時的無極調(diào)節(jié)功能。

主框架三角架三條邊分別用50*50*4mm角鋼焊接成直角三角形。導(dǎo)軌后立桿與外立桿之間通過主框架三角架進行連接，主框架三角架安裝在每一步腳手板底部，豎向主框架部位使用主框架三角架進行加強導(dǎo)軌和外立桿之間的穩(wěn)定性。

2.3.2 水平桁架 水平桁架為片式桁架，邊寬距離600mm，上下橫桿采用角鋼63×63×5.0，豎向桿及斜桿采用角鋼50×50×4.0焊接而成；在橫桿、豎向桿側(cè)面均勻設(shè)置Φ18的孔，以實現(xiàn)水平桁架與立桿在安裝時的無極調(diào)節(jié)功能。水平桁架安裝在架體最底部腳手板下面，水平桁架上、下玄桿間隔開孔處可以與內(nèi)外立桿進行連接，橫向通過兜底桿將水平桁架組裝成空間幾何結(jié)構(gòu)，水平桁架的安裝保證架體豎向荷載可以順利傳遞給豎向主框架。

2.3.3 架體構(gòu)架 架體構(gòu)造由立桿、防護網(wǎng)片、型鋼腳手板等構(gòu)成空間框架結(jié)構(gòu)。架體立桿使用80×40×3mm矩形管，在桿件側(cè)面均勻設(shè)置Φ18的孔，以實現(xiàn)架體在安裝其他部件時的無極調(diào)節(jié)功能；型鋼腳手板面板使用2.0mm花紋板，腳手板橫縱向邊框采用矩管50*30*3.0mm，橫向邊框采用矩管50*30*3.0mm，縱向加強筋采用40*40*3.0mm角鋼，邊框焊接均采用滿焊，面板與邊框采用點焊，間隙為50-100mm；網(wǎng)片骨架由20*20*2.0mm的方管作為網(wǎng)框，采用0.7mm厚的沖孔鐵皮間自攻螺絲連接在網(wǎng)框上，網(wǎng)框四周的20*20*2.0mm方鋼管上開8個φ12的孔，與網(wǎng)片固定頭采用M10螺栓連接。

立桿縱向間距不大于2米，水平桁架位于架體第一步腳手板下面，左右各布置一道，一道連接于內(nèi)立桿上，另一道連接于外立桿上；立桿分別位于腳手板的外側(cè)，立桿架體外圍用網(wǎng)片防護。

2.3.4 附墻支座 附墻支座結(jié)構(gòu)包含承重、防傾、防墜、防傾、導(dǎo)向等裝置。附墻座采用6.3號和8號槽鋼和若干不同尺寸的鋼板焊接而成；附墻座與建筑結(jié)構(gòu)采用兩根M30的穿墻螺桿連接。

卸荷裝置由頂撐螺桿、頂撐套筒、頂撐頭組成，通過M30銷軸連接在附墻座上。頂撐螺桿的螺牙長度滿足頂撐可頂?shù)綄?dǎo)軌中兩個φ30的圓棒梯度，頂撐頭為φ44的無縫圓管，圓管一端加工成圓弧狀，用以頂導(dǎo)軌的橫桿達(dá)到卸荷作用。

防傾裝置由導(dǎo)向輪規(guī)格為φ48×42mm與6.3#槽鋼內(nèi)堆度相應(yīng)配合在5mm內(nèi)組合而成，導(dǎo)向輪輪軸焊接折板可與附墻支座本體螺栓連接，可方便裝拆置換。

防墜裝置由防墜塊的大小擺針組成。防墜塊與防墜連接頭用φ30銷軸連接，通過觸發(fā)大小擺針，達(dá)到防墜目的。防墜原理:提升狀態(tài)防墜塊靠后，小擺針伸出可自由通過，墜落時小擺針會帶動大擺塊與導(dǎo)軌橫桿卡住形成防墜；下降狀態(tài)與升降狀態(tài)一致，下降速度慢與回復(fù)有速度差可自由通過，防墜塊靠后配重自動回復(fù)原位，墜落時因速度大于上端防墜塊自重回復(fù)速度，上端大擺塊來不及回復(fù)卡住導(dǎo)軌橫桿，導(dǎo)軌橫桿靠在大擺塊下形成防墜。在升降工況下，該防墜裝置可以起到有效防墜。在使用工況時，該裝置連同卸荷裝置共同起到防墜作用。防墜裝置及卸荷裝置均安裝在附墻支座上。

防墜原理圖

2.3.5 升降系統(tǒng) 在動力系統(tǒng)選型上，考慮到單個機位架體最大自重同時為了保證運行過程的同步、平穩(wěn)要求，也能夠留有足夠的安全儲備。采用了7.5T環(huán)鏈電動葫蘆，電動葫蘆具有優(yōu)異的同步性能，我們選用的電動葫蘆其提升速度為120mm/min，荷載大小對其運行速度的影響很小。工作原理:把兩個升降縱梁使用螺栓固定于架體上部導(dǎo)軌和立桿之間，將升降橫梁通過φ30銷軸連接在升降縱梁上面，組裝成上吊點桁架；在上吊點桁架吊點預(yù)留位置安裝傳感器設(shè)備，電動葫蘆上鉤安裝在傳感器上，使電動葫蘆鏈條順直；將兩個升降縱梁使用螺栓固定于架體下部導(dǎo)軌和立桿之間，將升降橫梁通過φ30銷軸連接在升降縱梁下面，組裝成下吊點桁架。將升降滑輪通過φ30銷軸連接在下吊點桁架上，提升鋼絲繩一端掛在提升掛座上，另一端繞過升降滑輪安裝在電動葫蘆下鉤上，達(dá)到正掛免移動系統(tǒng)，無需人工倒運電動葫蘆，節(jié)約人工。

2.3.6 升降荷載控制系統(tǒng) 升降荷載控制系統(tǒng)設(shè)計要求當(dāng)某一機位的荷載超過設(shè)計值的15%，采用聲光形式自動報警；當(dāng)超過30%時，該機位自動停機。具有超載、失載、報警和停機功能，并顯示記憶和存儲功能。該系統(tǒng)包括遙控器、控制主機和多個控制分機，遙控器、監(jiān)測終端均與控制主機通訊連接，遙控器、監(jiān)測終端可向控制主機發(fā)送控制指令，控制主機同時反饋數(shù)據(jù)到遙控器、監(jiān)測終端。多個控制分機之間并連后與控制主機連接，用以控制主機發(fā)送控制指令到控制分機以及控制分機反饋數(shù)據(jù)到控制分機，其中控制主機與控制分機之間以及控制分機與控制分機之間均通過控制線和主電源線連接，控制線和主電源線均通過尼龍扎帶固定在腳手架的腳手板上，主控制箱控制整組架體點位同時升降。分控制箱負(fù)責(zé)控制每一臺升降設(shè)備，并將荷載信號傳遞給主控制箱中的主控制器。主控制器將信號處理后，發(fā)出相應(yīng)的控制指令，傳感器負(fù)責(zé)實時收集各點位的荷載值。

智能控制系統(tǒng)綜合運用傳感器測控技術(shù)，通過單片機對爬架的載荷進行綜合分析并作出相應(yīng)處理，實現(xiàn)了爬架的升降的全過程實時監(jiān)測和自動控制，從而有效地保證了施工的優(yōu)質(zhì)進行。

2.4 整機調(diào)試檢驗

2.4.1 整機安裝流程 按照爬架平面設(shè)計圖在基礎(chǔ)架上面先安裝水平梁桁架→豎向主框架→立桿→型鋼腳手板→外防護網(wǎng)→附著支承→底盤封閉→動力設(shè)備→電控系統(tǒng)→調(diào)試

2.4.2 整機型式檢驗 型式檢驗的主要技術(shù)性能指標(biāo)(依據(jù)GJ-20589-2020檢驗報告):

1.架體全高:16.9m；

2.架體最大支承跨度:6m；

3.架體寬度:0.79m；

4.立桿最大間距:2m；

5.防墜性能:最大制動距離75mm；

6.架體同步性能:相鄰機位最大升降差3mm；

7.水平支承桁架下弦桿跨中撓度最大值:12mm(標(biāo)準(zhǔn)荷載)；

8.結(jié)構(gòu)應(yīng)力:標(biāo)準(zhǔn)荷載使用工況最大應(yīng)力+58N/mm2；

9.升降工況最大應(yīng)力-74.5N/mm2。

3.經(jīng)濟、社會效益分析

以一棟30層周長150m高層建筑為例分析外防護腳手架投入成本如下表:

項目 扣件鋼管架 扣件鋼管爬架 全型鋼爬架材料采購費用 185萬元 80萬元 80萬元人工費 40萬元 35萬元 30萬元進出場費 15萬元 5萬元 5萬元合計 240萬元 120萬元 115萬元

由上圖可以看出在扣件鋼管架的費用最高；兩種附著式升降腳手架費用差不多，但全鋼爬架在以后多次周轉(zhuǎn)及人工年漲的情況下漸漸會顯示出優(yōu)勢。由此可以看出全鋼附著式升降腳手架具有較好的經(jīng)濟效益。

全鋼附著式升降腳手架安全性好、文明形象好、對進度影響小、技術(shù)先進等特點，受到施工單位的熱衷選擇，其應(yīng)用帶來良好的社會效益。

結(jié)語

全鋼附著式升降腳手架是在高層傳統(tǒng)附著式升降腳手架的基礎(chǔ)上研發(fā)的升級產(chǎn)品，極大地提升了腳手架施工的安全性。它設(shè)計精巧、操作簡便、安全可靠、自動化程度高。我們還需繼續(xù)完善爬架技術(shù)在高層建筑工程中的應(yīng)用，而作為一項新技術(shù)它已經(jīng)成功的應(yīng)用并值得推廣。隨著其在現(xiàn)今廣泛應(yīng)用中的專項技術(shù)改造、安全設(shè)計的研究和實踐應(yīng)用，必然朝向?qū)I(yè)化、較為完備的技術(shù)性能、良好的適應(yīng)性、可靠的安全保障、較強的競爭能力，而又有較大的國內(nèi)市場份額，并有望進入國際市場。