垂直木支撐技術(shù)在地震建筑坍塌救援中的應(yīng)用

唐虎瀟 馬江濤

0 引言

我國(guó)是世界上地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一，地震活動(dòng)造成大量房屋倒塌、人員傷亡和巨大財(cái)產(chǎn)損失。救援人員是地震災(zāi)害中搶救被困人員、保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全的主力軍，對(duì)消防救援人員的地震專(zhuān)業(yè)救援技能提出了較高的要求[1-2]。在搜索、破拆、頂升、支撐、移除等地震救援技術(shù)中，支撐技術(shù)對(duì)救援人員的專(zhuān)業(yè)要求較高，當(dāng)前所使用的液壓或氣動(dòng)撐桿套件，受器材本身影響，攜行困難，支撐作業(yè)面有限，大面積復(fù)雜坍塌建筑作業(yè)區(qū)域的支撐任務(wù)難以完成[3-4]。木支撐技術(shù)可以根據(jù)受損建筑實(shí)際情況較好提供救援現(xiàn)場(chǎng)更為合理支撐類(lèi)型的解決方案。本文對(duì)垂直木支撐系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景、材料清單、制作程序、技術(shù)要點(diǎn)等進(jìn)行分析研究總結(jié)，力求將垂直木支撐系統(tǒng)的應(yīng)用程序化、標(biāo)準(zhǔn)化，為確保救援現(xiàn)場(chǎng)安全救援提供解決方案。

1 垂直木支撐技術(shù)分析

在救援現(xiàn)場(chǎng)，支撐技術(shù)是一項(xiàng)技術(shù)性較強(qiáng)的工作，救援人員需要熟悉建筑結(jié)構(gòu)倒塌風(fēng)險(xiǎn)和所需支撐構(gòu)件提供的承重，并設(shè)計(jì)出合理的支撐結(jié)構(gòu)體系。因此，救援人員需要掌握了解木支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要素、應(yīng)用條件、系統(tǒng)特點(diǎn)、系統(tǒng)強(qiáng)度等。木支撐系統(tǒng)可劃分為垂直木支撐、水平木支撐、門(mén)窗木支撐、斜木支撐，本文重點(diǎn)探討垂直木支撐系統(tǒng)的運(yùn)用。

文中出現(xiàn)的部分?jǐn)?shù)據(jù)參考美國(guó)國(guó)土安全部（DHS）、科學(xué)和技術(shù)局、基礎(chǔ)設(shè)施保護(hù)和災(zāi)害管理司對(duì)木支撐技術(shù)研究。

1.1 垂直木支撐系統(tǒng)應(yīng)用條件

垂直木支撐系統(tǒng)的使用主要是對(duì)坍塌建筑不穩(wěn)定的垂直構(gòu)件進(jìn)行支撐加固，為救援人員提供安全的救援通道和作業(yè)空間，同時(shí)也保護(hù)被困人員避免二次傷害。垂直木支撐系統(tǒng)主要用于對(duì)嚴(yán)重破損或局部破損的樓板、松散混凝土構(gòu)件、有裂縫或破裂的預(yù)制板、有裂縫的橫梁等構(gòu)件進(jìn)行垂直方向支撐加固，保障救援人員的作業(yè)通道安全。

1.2 垂直木支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)要素

垂直木支撐系統(tǒng)通過(guò)漏斗原理進(jìn)行收集、傳遞和分散壓力，如圖1。垂直木支撐系統(tǒng)通過(guò)頂板承載破損結(jié)構(gòu)的荷載，立柱支撐荷載，底板分散荷載[5]。因此在設(shè)計(jì)垂直木支撐系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)系統(tǒng)）時(shí)應(yīng)考慮：系統(tǒng)的承載力應(yīng)大于需承載的荷載；需通過(guò)頂板和底板與樓板和地基接觸，便于監(jiān)測(cè)木材過(guò)壓受損情況；系統(tǒng)各連接處的護(hù)板應(yīng)盡可能小且連接牢固；系統(tǒng)在承載荷載的同時(shí)應(yīng)保證穩(wěn)定性；系統(tǒng)既需與建筑構(gòu)件緊密接觸又不能對(duì)原有構(gòu)件產(chǎn)生任何附加波動(dòng)；支撐系統(tǒng)的地基應(yīng)該滿(mǎn)足承載荷載要求。

圖1 漏斗原理

1.3 垂直木支撐系統(tǒng)特點(diǎn)

結(jié)合垂直木支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要素和實(shí)際支撐需要，垂直木支撐系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：通過(guò)頂板與樓板、橫梁、地板等接觸收集其荷載；支撐荷載通過(guò)一根或多根立柱來(lái)實(shí)現(xiàn)，立柱是可靈活調(diào)節(jié)的；底板用來(lái)分散荷載并與地基緊密接觸；系統(tǒng)需要橫向支撐以防止系統(tǒng)傾斜、變形，美國(guó)國(guó)土安全部（DHS）科學(xué)和技術(shù)局在木結(jié)構(gòu)支撐技術(shù)研究中提出：水平荷載能力至少應(yīng)為垂直荷載能力的2%，如果在有余震的情況下應(yīng)達(dá)到10%；系統(tǒng)具有過(guò)壓警告，通過(guò)木材裂紋變化、接觸面壓碎、發(fā)出異響等預(yù)警[6-7]。

1.4 垂直木支撐系統(tǒng)強(qiáng)度

影響垂直木支撐系統(tǒng)的強(qiáng)度因數(shù)有：頂板和底板木材的抗擠壓強(qiáng)度，一般使用木料截面尺寸為10cm*10cm 或15cm*15cm 的方木；立柱的抗壓能力和立柱支撐高度，一般使用與底板和頂板同尺寸的方木，支撐高度取決于所支撐建筑物，支撐完整水泥板時(shí)，立柱的重心一般不超過(guò)1.2m（DHS 提出）；底板所在地板（地面）的承載強(qiáng)度[6-7]。

2 垂直木支撐技術(shù)在地震建筑坍塌事故救援中的應(yīng)用

圖2 單立柱支撐

救援人員在地震建筑坍塌現(xiàn)場(chǎng)需要從復(fù)雜的環(huán)境中確定三個(gè)方面的信息：潛在的人員生存空間、潛在空間的結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)、潛在空間結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)化解措施。針對(duì)坍塌建筑應(yīng)該進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理，首先對(duì)建筑進(jìn)行評(píng)估，通過(guò)“六面”法[6-7]，即查看建筑的四面外墻、地基、屋頂或吊頂，重點(diǎn)了解建筑使用性質(zhì)、建筑結(jié)構(gòu)類(lèi)型、裂縫開(kāi)口情況、墻體傾斜情況、梁柱和承重墻等承重構(gòu)件受損情況、墻體連接部位受損情況、使用年限等，評(píng)估建筑結(jié)構(gòu)受損程度并確定潛在人員幸存位置；其次應(yīng)該進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，針對(duì)建筑類(lèi)型、結(jié)構(gòu)、受損程度和潛在人員幸存位置，確定坍塌建筑存在的風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型和救援過(guò)程中需承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)大小；最后對(duì)救援過(guò)程中需承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估并確定化解風(fēng)險(xiǎn)的措施。垂直木支撐系統(tǒng)可運(yùn)用于坍塌建筑中垂直方向的支撐加固，為垂直方向破拆、保障救援空間安全提供化解結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)的解決措施。

2.1 木結(jié)構(gòu)單立柱支撐技術(shù)的應(yīng)用

木結(jié)構(gòu)單立柱支撐，如圖2，Ⅰ類(lèi)支撐，可提前預(yù)制。

2.1.1應(yīng)用場(chǎng)景

可用于任何需臨時(shí)支撐的建筑坍塌現(xiàn)場(chǎng)。主要用于救援現(xiàn)場(chǎng)的臨時(shí)支撐，在受損嚴(yán)重的建筑內(nèi)部搭建其他完整支撐系統(tǒng)前使用，對(duì)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)完整支撐作業(yè)的救援人員進(jìn)行安全防護(hù)。

2.1.2材料清單

立柱*1，底板*1，頂板*1，楔子（450mm）*1 對(duì)，全護(hù)板（30cm*30cm）*2，半護(hù)板（30cm*15cm）*1，釘子（65mm）若干。

2.1.3制作程序

確定支撐位置，測(cè)量支撐高度，并清理支撐面雜物；制作底板和頂板，選用10cm*10cm 方木，長(zhǎng)度90cm；制作立柱，選用10cm*10cm 方木，立柱高度通過(guò)支撐高度減去底板、頂板、楔子厚度后確定；制作楔子、半護(hù)板、全護(hù)板，楔子選用10cm*10cm 方木，長(zhǎng)度45cm，護(hù)板選用1.9mm 薄板，全護(hù)板尺寸30cm*30cm，半護(hù)板尺寸30cm*15cm；預(yù)固定連接頂板和立柱，用全護(hù)板在立柱和頂板雙側(cè)固定并確保二者垂直，護(hù)板在頂板處用8 釘法固定，在立柱處用5 釘法固定；選定支撐位置，將頂板和立柱放置在居中位置，放置底板、楔子，確保支撐系統(tǒng)垂直；雙側(cè)同時(shí)敲擊楔子，將立柱與底板固定緊；固定立柱與底板，用半護(hù)板在立柱與底板外側(cè)固定并確保二者垂直，半護(hù)板在立柱和底板上都采用4 釘法固定；固定底板和頂板，現(xiàn)場(chǎng)情況允許，可將底板在地基上固定、頂板在樓板上固定。

2.1.4技術(shù)要點(diǎn)

整個(gè)支撐高度不超過(guò)335cm，立柱高度不超過(guò)305cm；支撐受力應(yīng)居中于立柱，防止系統(tǒng)傾斜變形；底板、頂板、立柱尺寸應(yīng)相同；設(shè)計(jì)荷載為1814kg；時(shí)刻監(jiān)測(cè)立柱形變，底板和頂板受力處擠壓裂紋、楔子位移等預(yù)警信號(hào)；遇到余震或每12h 后應(yīng)重新檢查系統(tǒng)的穩(wěn)定性[6-10]。

2.2 木結(jié)構(gòu)雙立柱支撐技術(shù)的應(yīng)用

木結(jié)構(gòu)雙立柱支撐拉桿型，如圖3，Ⅱ類(lèi)支撐，可提前預(yù)制。

2.2.1應(yīng)用場(chǎng)景

主要用于建筑受損程度一般，需快速保障現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)空間安全的建筑坍塌現(xiàn)場(chǎng)。用于對(duì)受損面積較小樓板、橫梁等的支撐，為救援人員開(kāi)展破拆和人員營(yíng)救提供空間安全保障。如現(xiàn)場(chǎng)需支撐較大面積可多個(gè)聯(lián)用，也可后期根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要轉(zhuǎn)換成三維立體支撐。

2.2.2材料清單

立柱*2，底板*1，頂板*1，楔子（300mm）*2 對(duì)，半護(hù)板（30cm*15cm）*4，水平支撐（5cm*10cm），對(duì)角支撐（5cm*10cm），釘子（65mm、90mm）若干。

2.2.3制作程序

確定支撐位置，測(cè)量支撐高度，并移除影響支撐的碎渣；制作底板和頂板，選用10cm*10cm 方木，底板和頂板長(zhǎng)度相同，頂板兩端距立柱需預(yù)留30cm間隔；制作立柱，選用10cm*10cm 方木，立柱高度通過(guò)支撐高度減去底板、頂板、楔子厚度后確定；制作楔子、半護(hù)板，楔子選用5cm*10cm 方木，長(zhǎng)度30cm，護(hù)板選用1.9mm 薄板，半護(hù)板尺寸30cm*15cm；預(yù)固定連接頂板和立柱，用半護(hù)板單側(cè)固定一根立柱和頂板并確保立柱和頂板垂直，調(diào)整另一根立柱位置，確保立柱和立柱保持平行、立柱和頂板垂直，水平支撐在立柱中間位置用3釘法固定兩根立柱，對(duì)角支撐固定立柱和頂板，采用3 釘法固定；選定支撐位置，將頂板和立柱放置在居中位置，放置底板、楔子，確保支撐系統(tǒng)垂直；確定好立柱垂直，系統(tǒng)穩(wěn)定后雙側(cè)同時(shí)敲擊楔子，將立柱與底板固定緊；固定立柱與底板，對(duì)角支撐固定立柱和底板，三個(gè)半護(hù)板固定立柱與底板并確保二者垂直，半護(hù)板在立柱和底板上都采用4 釘法固定，對(duì)角支撐采用三釘法固定；固定底板和頂板，現(xiàn)場(chǎng)情況允許，可將底板在地基上固定、頂板在樓板上固定。

2.2.4技術(shù)要點(diǎn)

整個(gè)支撐高度不超過(guò)366cm，立柱高度不超過(guò)337cm； 底板、頂板、立柱尺寸應(yīng)相同；兩立柱間距最大為120cm，空間有限時(shí)可調(diào)整為90cm；支撐高度不超過(guò)180cm 時(shí)，不需要水平支撐，對(duì)角支撐*1，超過(guò)180cm 時(shí)，水平支撐*1，對(duì)角支撐*2；對(duì)角支撐最大長(zhǎng)度225cm；護(hù)板使用65mm 釘子，水平支撐和對(duì)角支撐使用90mm 釘子；設(shè)計(jì)荷載：高度240cm 為7256kg， 高 度300cm 為4535kg，高度366cm 為3174kg；時(shí)刻監(jiān)測(cè)立柱形變，底板和頂板受力處擠壓裂紋、楔子位移等預(yù)警信號(hào)；遇到余震或每12h 后應(yīng)重新檢查系統(tǒng)的穩(wěn)定性[6-10]。

2.3 木結(jié)構(gòu)多立柱支撐技術(shù)的應(yīng)用

木結(jié)構(gòu)多立柱支撐，如圖4，Ⅱ類(lèi)支撐，不可提前預(yù)制。

圖3 雙立柱支撐拉桿型

圖4 多立柱支撐

2.3.1應(yīng)用場(chǎng)景

主要用于建筑受損程度嚴(yán)重，需支撐區(qū)域跨度大，救援承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)高的建筑坍塌現(xiàn)場(chǎng)。用于對(duì)受損面積較大樓板、橫梁等的支撐，為救援人員開(kāi)展破拆和人員營(yíng)救提供空間安全保障。需在危險(xiǎn)區(qū)域就地制作，可先快速安裝單立柱或雙立柱支撐降低現(xiàn)場(chǎng)坍塌風(fēng)險(xiǎn)。

2.3.2材料清單

立柱*n，底板*1，頂板*1，楔子（300mm）*n，半護(hù)板（30cm*15cm）*3n-4，水 平 支 撐（2.5cm*15cm）， 對(duì) 角 支 撐（5cm*15cm）*2，釘子（65mm、90mm）若干。

2.3.3制作程序

確定支撐位置，至少?gòu)娜帨y(cè)量支撐高度，并移除影響支撐的碎渣；可先制作單立柱或雙立柱支撐對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行保護(hù)，降低現(xiàn)場(chǎng)制作時(shí)的坍塌風(fēng)險(xiǎn)；將底板和頂板制作成合適長(zhǎng)度，選用10cm*10cm 方木，并將底板水平放置地面；根據(jù)測(cè)量高度制作立柱，將頂板放在需支撐位置，保持與底板在同一平面上，通過(guò)立柱將其暫時(shí)支撐，每個(gè)立柱下放置一對(duì)楔子；調(diào)整立柱間距，頂板兩端與最近立柱需間隔30cm，立柱與立柱間隔120cm，若底板或頂板與承載面接觸不緊密，可通過(guò)墊片來(lái)調(diào)整；固定立柱與頂板，如果支撐高度超過(guò)240cm，在立柱中間固定水平支撐，采用5 釘法，確保立柱與底板、頂板垂直且相互平行，擰緊楔子，固定對(duì)角支撐，對(duì)角支撐應(yīng)該橫跨每個(gè)立柱連接到頂板和底板，采用5 釘法；固定立柱與底板，在立柱與底板每一側(cè)通過(guò)半護(hù)板4 釘法固定，有對(duì)角支撐則單側(cè)；將半護(hù)板固定到頂板與立柱，單側(cè)4 釘法固定，有對(duì)角支撐則不需半護(hù)板固定；固定底板和頂板，現(xiàn)場(chǎng)情況允許，可將底板在地基上固定、頂板在樓板上固定。

2.3.4技術(shù)要點(diǎn)

整個(gè)支撐高度不超過(guò)366cm，立柱高度不超過(guò)337cm； 底板、頂板、立柱尺寸應(yīng)相同，如果支撐嚴(yán)重破壞的水泥板，頂板尺寸可大一些；兩立柱間距為120cm；支撐高度不超過(guò)240cm 時(shí)，不需要水平支撐；對(duì)角支撐最大長(zhǎng)度225cm，若長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，可使用幾組對(duì)角支撐；護(hù)板使用65mm 釘子，水平支撐和對(duì)角支撐使用90mm 釘子；設(shè)計(jì)荷載：高度240cm為3628kg*n，高 度300cm 為2268kg*n，高度366cm 為1587kg*n；時(shí)刻監(jiān)測(cè)立柱形變，底板和頂板受力處擠壓裂紋、楔子位移等預(yù)警信號(hào)；遇到余震或每12h 后應(yīng)重新檢查系統(tǒng)的穩(wěn)定性[6-10]。

2.4 木結(jié)構(gòu)三維立體支撐技術(shù)的應(yīng)用

木結(jié)構(gòu)三維立體支撐拉桿型，如圖5，Ⅲ類(lèi)支撐，結(jié)構(gòu)類(lèi)似兩個(gè)雙立柱支撐的組合，能夠承載較大荷載的四立柱立體系統(tǒng)，可提前預(yù)制。

圖5 三維立體支撐拉桿型

2.4.1應(yīng)用場(chǎng)景

主要用于建筑嚴(yán)重破壞區(qū)域，建筑結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，救援承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)較高的建筑坍塌現(xiàn)場(chǎng)。用于對(duì)樓板、橫梁等的支撐，為垂直向上破拆提供作業(yè)平臺(tái)，為救援人員開(kāi)展破拆和人員營(yíng)救提供空間安全保障?？上瓤焖侔惭b雙立柱支撐降低現(xiàn)場(chǎng)坍塌風(fēng)險(xiǎn)，再由兩組雙立柱支撐組合而成。

2.4.2材料清單

立柱*4，底板*2，頂板*2，楔子（300mm）*4，半護(hù)板（30cm*15cm）*8，水平支撐（5cm*15m），對(duì)角支撐（5cm*15m），釘子（65mm、90mm）若干。

2.4.3制作程序

確定支撐位置，測(cè)量支撐高度，確定立柱高度，并移除影響支撐的碎渣；可先制作單立柱或雙立柱支撐對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行保護(hù)，降低現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)的坍塌風(fēng)險(xiǎn)；將底板和頂板制作成合適長(zhǎng)度，選用10cm*10cm 方木，底板和頂板兩端距最近立柱30cm；根據(jù)測(cè)量高度制作立柱，用斜釘將立柱固定在頂板上，測(cè)量對(duì)角線長(zhǎng)度，確保兩根立柱與頂板垂直且相互平行；固定立柱與頂板，用半護(hù)板固定其中一根立柱，采用4 釘法，若高度需要，在立柱中間位置固定水平支撐，采用3釘法，測(cè)量上對(duì)角線長(zhǎng)度，制作對(duì)角支撐并固定在立柱和頂板上，采用3 釘法，若有需要，測(cè)量并安裝中間對(duì)角支撐；以第一個(gè)預(yù)制部分為模板，制作第二部分；將兩個(gè)底板放置在支撐合適位置，將兩個(gè)預(yù)制部分放置在底板上部，立柱下放楔子，調(diào)整立柱間距，保證立柱與底板垂直，兩部分平行，擰緊楔子；用水平支撐從側(cè)面固定兩部分，采用4 釘法，從下至上的順序固定；測(cè)量所有側(cè)面對(duì)角線，制作對(duì)角線，按照“K”形固定到立柱上，采用3 釘法；測(cè)量并固定立柱與底板處對(duì)角支撐，確保對(duì)角支撐跨過(guò)立柱和底板，采用3 釘法；用半護(hù)板固定底板與立柱，雙側(cè)固定，遇對(duì)角支撐則單側(cè)，采用4 釘法；固定底板和頂板，現(xiàn)場(chǎng)情況允許，可將底板在地基上固定、頂板在樓板上固定。

2.4.4技術(shù)要點(diǎn)

整個(gè)支撐高度不超過(guò)518cm； 底板、頂板、立柱尺寸應(yīng)相同；立柱間距最大為120cm；支撐高度不超過(guò)180cm 時(shí)，不需要水平支撐，支撐高度超過(guò)180cm 時(shí)，需要在中間位置安裝水平支撐，支撐高度超過(guò)330cm 時(shí)，需要安裝兩處水平支撐；護(hù)板使用65mm 釘子，水平支撐和對(duì)角支撐使用90mm 釘子；設(shè)計(jì)荷載為14512kg；時(shí)刻監(jiān)測(cè)立柱形變，底板和頂板受力處擠壓裂紋、楔子位移等預(yù)警信號(hào)；遇到余震或每12h 后應(yīng)重新檢查系統(tǒng)的穩(wěn)定性[6-10]。

3 結(jié)語(yǔ)

地震建筑坍塌救援需要救援人員掌握搜索、破拆、頂升、支撐、移除等專(zhuān)業(yè)技術(shù)，其中支撐技術(shù)所需要的專(zhuān)業(yè)性更強(qiáng)。本文對(duì)垂直木支撐系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行全面系統(tǒng)分析研究總結(jié)，對(duì)幾類(lèi)典型垂直木支撐系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景、材料清單、制作程序、技術(shù)要點(diǎn)等進(jìn)行分析，程序化垂直木支撐的制作，將應(yīng)用過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化，為救援人員使用垂直木支撐技術(shù)提供理論支撐，為消防救援人員開(kāi)展日常訓(xùn)練提供參考，為救援人員在救援現(xiàn)場(chǎng)安全救援提供解決方案。