不同材質(zhì)安全防護(hù)棚防護(hù)性能綜合研究

商憶勇，廉鴻旭，馮立雷

（中建二局第二建筑工程有限公司，廣東 深圳 518000）

在高層建筑的施工中，將不可避免地進(jìn)行交叉作業(yè)施工，存在較大的物體打擊的隱患，嚴(yán)重威脅施工人員的人身安全。為了有效減少高空墜物、物體打擊安全事故的發(fā)生，JGJ80-2016《建筑施工高處作業(yè)安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中明確要求，在人員通道口等關(guān)鍵位置必須搭設(shè)安全防護(hù)棚。但在安全防護(hù)棚頂棚硬質(zhì)防護(hù)材料的選擇上，規(guī)范中的描述不夠具體，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施指導(dǎo)有限。因此研究安全防護(hù)棚頂部硬質(zhì)防護(hù)材料的防護(hù)特性對(duì)于推進(jìn)建筑施工安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 安全防護(hù)棚的用途及分類

1.1 安全防護(hù)棚的用途

在建筑物墜落半徑內(nèi)實(shí)施安全防護(hù)功能，為行人或設(shè)備通行提供防護(hù)，保護(hù)施工人員免受高空墜物的打擊傷害。

1.2 安全防護(hù)棚的分類

安全防護(hù)棚在施工現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用較為廣泛。進(jìn)樓施工通道、混凝土攪拌機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)棚、鋼筋加工棚、木工加工棚以及塔機(jī)覆蓋范圍內(nèi)的辦公、生活區(qū)，均需搭設(shè)安全防護(hù)棚。按照安全防護(hù)棚的組裝方式分類，可將防護(hù)棚分為腳手架式安全防護(hù)棚和工具式安全防護(hù)棚（圖1）。

圖1 安全防護(hù)棚

傳統(tǒng)腳手架式安全防護(hù)棚一般采用鋼管架或盤扣架作為主桁架，現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)，施工速度慢，安全文明施工形象不高。隨著建筑施工安全標(biāo)準(zhǔn)化的推進(jìn)，工具式的定型化安全防護(hù)棚在工程中已得到較多推廣應(yīng)用。此類防護(hù)棚主桁架為采用型鋼制作，在工廠模塊化加工生產(chǎn)，施工現(xiàn)場(chǎng)只需拼接即可使用，施工方便快捷，周轉(zhuǎn)方便。。

2 安全防護(hù)棚頂棚材料的現(xiàn)狀

目前，工具式安全防護(hù)棚的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，但對(duì)于防護(hù)棚的頂棚防護(hù)材料，并未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。各廠家、各企業(yè)生產(chǎn)的工具式定型化防護(hù)棚的頂棚龍骨一般為雙層桁架，但頂棚上部鋪設(shè)的防護(hù)材料各不相同。常見的安全防護(hù)棚硬質(zhì)材料有木跳板、普通鋼板、壓型鋼板及廢舊模板方木等（圖2）。這些防護(hù)頂棚的防護(hù)能力不盡相同，甚至有很大差異。

圖2 常見的工具式安全防護(hù)頂棚鋪設(shè)做法

目前我國(guó)高層建筑高度普遍在100m 左右，一旦發(fā)生高空墜物現(xiàn)象，在防護(hù)能力不達(dá)標(biāo)的情況下，可能會(huì)擊發(fā)生擊穿頂棚，造成人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失等嚴(yán)重后果。因此，安全防護(hù)棚的安全防護(hù)能力是工程管理人員必須要重視的一個(gè)問題。本文將對(duì)幾種不同材質(zhì)的防護(hù)能力及綜合性能進(jìn)行探討。

3 常見頂棚硬質(zhì)材料的防護(hù)能力計(jì)算

3.1 安全防護(hù)棚荷載計(jì)算的基本思路

在理想狀態(tài)下，假設(shè)一重量為W的重物從高處墜落，該重物在高空下降過程中墜落過程中加速，直至與防護(hù)棚頂接觸。防護(hù)棚受重物高處墜落沖擊后，重物速度在t時(shí)間內(nèi)降為0。在“瞬時(shí)”t內(nèi)，頂棚承受了較大的荷載。該荷載為變化荷載，記為F沖。

對(duì)于不同材料的防護(hù)頂棚能夠承受的最大承載力也不同，該承載力記為F承。該承載力與結(jié)構(gòu)受力模型、截面尺寸及材料性能有關(guān)。在此基礎(chǔ)上，我們需對(duì)高空墜物的沖擊力F沖以及不同種材質(zhì)頂棚的可承受荷F承分別進(jìn)行計(jì)算，即可對(duì)不同種類頂棚的安全防護(hù)能力進(jìn)行比較。

3.2 安全防護(hù)棚荷載的計(jì)算模型

防護(hù)棚所承受重物墜落的沖擊力屬于沖擊荷載。沖擊荷載在沖擊過程中，構(gòu)件上的應(yīng)力和變形分布比較復(fù)雜，精確地計(jì)算沖擊載荷以及被沖擊構(gòu)件中由沖擊載荷引起的應(yīng)力和變形是很困難的。在荷載驗(yàn)算過程必須需對(duì)受力模型進(jìn)行相應(yīng)地簡(jiǎn)化，以得到可以參考的荷載數(shù)據(jù)。將防護(hù)頂棚受力模型簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，在其上方高度h處，有一重量為W的物體自由下落后，沖擊在梁的中點(diǎn)。

在沖擊荷載計(jì)算上，我們采用簡(jiǎn)化計(jì)算方法，計(jì)算中需做如下假設(shè)：①假設(shè)沖擊物的變形忽略不計(jì)，即認(rèn)為沖擊物是剛體，從開始沖擊到?jīng)_擊產(chǎn)生最大位移時(shí)，沖擊物與被沖擊構(gòu)件一起運(yùn)動(dòng)，而不發(fā)生回彈；②忽略被沖擊構(gòu)件的質(zhì)量，認(rèn)為沖擊載荷引起的應(yīng)力和變形在沖擊瞬間遍及被沖擊構(gòu)件；并假設(shè)被沖擊構(gòu)件仍處在彈性范圍內(nèi)；③假設(shè)沖擊過程中沒有其他形式的能量轉(zhuǎn)換，機(jī)械能守恒定律仍成立；④計(jì)算過程空氣阻力因素的影響不考慮；⑤假定F沖在沖擊受力過程中，數(shù)值為固定值，即沖擊力F在瞬時(shí)（時(shí)間t）內(nèi)與頂板接觸，速度由v降為0，轉(zhuǎn)換過程遵循動(dòng)量守恒；⑥本模型默認(rèn)防護(hù)頂棚直接承受上部荷載，并將荷載直接反饋到下層頂棚。不考慮防護(hù)棚桁架中的頂板龍骨不參與受力；⑦假定在時(shí)間t內(nèi)，加速度a=0，即重物在有效時(shí)間t內(nèi)勻減速運(yùn)動(dòng)，在時(shí)間t內(nèi)，重物下落的緩沖距離記為s，此期間平均速度為0.5v。

3.3 安全防護(hù)棚沖擊荷載的計(jì)算

對(duì)于沖擊力F沖，為瞬時(shí)變化的荷載，最大沖擊力較難通過計(jì)算直接確定。根據(jù)前述假設(shè)，我們只計(jì)算平均沖擊力。

在減速過程中，根據(jù)動(dòng)量守恒定律，F(xiàn)t=mv，其中t=2s/v，得出

規(guī)范中要求的高層建筑高度大于24m 時(shí)，必須設(shè)置雙層防護(hù)棚。在本次防護(hù)棚計(jì)算模型中，我們?nèi)∽钚∮?jì)算高度，即h=24m。雙層防護(hù)棚的雙層間距按規(guī)范規(guī)定為0.7m，即s=0.7m。即重物與第一層頂棚接觸時(shí)開始減速，落至第二層防護(hù)棚時(shí)速度降為零，此時(shí)能夠保證底部安全防護(hù)需求。在此情況下帶入式（1）計(jì)算，F(xiàn)=mgh/s≈34.3mg。

即在規(guī)范規(guī)定雙層防護(hù)條件下，重物從24m高度處自由下落沖擊頂棚，頂棚受到的平均沖擊力達(dá)到重力的34.3 倍。此荷載為規(guī)范規(guī)定的最低標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，在不考慮空氣阻力情況下，沖擊力隨著墜落高度增大呈線性增長(zhǎng)。當(dāng)重物從高層建筑樓頂墜落，h≈100m，計(jì)算得F=142.92mg，即約143 倍重力。如果高空墜物質(zhì)量較大，在此荷載條件下任何材質(zhì)頂棚都難以保證安全性。因此，在保證安全防護(hù)棚頂棚材料的安全性能的前提下，加強(qiáng)安全管理措施及保障措施，按要求隔層設(shè)置水平防護(hù)兜網(wǎng)或防護(hù)棚能夠大大減少高空墜物產(chǎn)生的沖擊力，保障交叉作業(yè)施工人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。

3.4 不同材質(zhì)頂棚抗沖擊能力計(jì)算

對(duì)于簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)模型來說，結(jié)構(gòu)抗沖擊能力由抗受彎能力（撓度）決定。

對(duì)于中心受集中荷載的簡(jiǎn)支梁，跨中最大撓度

由式（2）可知，我們只需計(jì)算得出蓋板的彈性模量和慣性矩、以及蓋板的最大容許沖擊位移w，便可依據(jù)沖擊荷載方程求出該蓋板所能承受墜落物重量的最大值F，從而得出該條件下的頂棚抗沖擊承載力。

對(duì)于本例來說，分別選取木質(zhì)挑板、木模板、方木、10mm 厚普通鋼板、0.6mm 厚彩鋼板、1.0mm 厚壓型鋼板（高波板）進(jìn)行頂棚受力驗(yàn)算。

在本例中，除彩鋼板、壓型鋼板外，其他材料剖面均為矩形截面，可簡(jiǎn)化為矩形受力模型計(jì)算慣性矩。

其中，b為頂棚材料的單位寬度，h為頂棚的厚度。

幾種不同材料頂棚材料參數(shù)如表1、表2 所示。

表1 矩形截面材質(zhì)頂棚材料規(guī)格計(jì)算表

表2 壓型鋼板截面頂棚材料規(guī)格計(jì)算表

對(duì)于壓型鋼板，根據(jù)選用的材料參數(shù)，查相關(guān)型號(hào)的鋼結(jié)構(gòu)表受力參數(shù)，直接得到相應(yīng)的有效截面慣性矩Iae。由于鋼板較寬，考慮破壞實(shí)際情況，按照壓型鋼板每個(gè)波段的寬度來計(jì)算截面慣性矩。

頂棚材料的規(guī)格、計(jì)算截面確定后，以最常見的安全通道防護(hù)棚為例進(jìn)行驗(yàn)算。安全通道防護(hù)棚寬4.5m，高3.0m，不同材質(zhì)規(guī)格的頂棚計(jì)算參數(shù)如表3 所示。

表3 不同材質(zhì)規(guī)格頂棚計(jì)算參數(shù)表

在本例中，撓度變形w 的取值按照正常使用及破壞兩種情形下考慮選取。

第一種情形，考慮材料在正常使用范圍內(nèi)的承載極限。我們假設(shè)防護(hù)棚蓋板能承受沖擊荷載變形，且不影響后續(xù)使用。在此條件下，撓度容許值按照受彎構(gòu)件的撓度允許值計(jì)算。根據(jù)GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄3 中平臺(tái)板取值，本例頂棚的撓度容許值V≤L/150=4500/150=30mm。在正常使用情況下，允許撓度記為w1=30mm。

第二種情形，按照防護(hù)棚破壞考慮頂棚的承載極限。在此條件下，我們假定防護(hù)棚蓋板能承受沖擊荷載，但防護(hù)棚第一層變形嚴(yán)重，無法繼續(xù)使用，但防護(hù)棚第二層完好，未受沖擊影響。在此條件下，撓度容許值按照防護(hù)棚允許的最大變形值計(jì)算。根據(jù)規(guī)范要求，兩層防護(hù)棚的間距為0.7m。在破壞狀態(tài)下，正常允許撓度變形值記為w2=700mm。

根據(jù)以上假定數(shù)據(jù)，對(duì)頂棚1～頂棚6 所能承受的安全荷載F1及破壞狀態(tài)下承載力F2進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，結(jié)果如表4 所示。

表4 不同材質(zhì)頂棚的安全荷載計(jì)算統(tǒng)計(jì)表

3.5 驗(yàn)算結(jié)果及分析

根據(jù)沖擊荷載驗(yàn)算結(jié)果，在24m 高度條件下，不同材質(zhì)的頂棚抗沖擊能力統(tǒng)計(jì)如表5所示。

表5 不同材質(zhì)防護(hù)棚抗沖擊能力統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)不同材質(zhì)防護(hù)棚抗沖擊能力的計(jì)算結(jié)果，可得出如下結(jié)論。

1）防護(hù)頂棚的承載能力與材料的截面慣性矩I及材料彈線模量E呈線性關(guān)系。

2）材料的彈性模量是影響慣性矩的重要因素之一。同截面條件下，鋼制材料的抗變形能力是木質(zhì)材料的20 倍。

3）對(duì)于矩形截面材料，慣性矩I由材料的計(jì)算寬度b及材料厚度h3決定。其中，對(duì)于矩形材料，頂棚材質(zhì)的厚度h為主要影響因素。對(duì)于壓型鋼板材料，波高是影響慣性矩I的主要因素。

4）在滿足抗彎撓度、安全使用的前提下，各種材料的頂棚抗沖擊荷載能力均較弱。其中木模板、彩鋼板的安全墜落質(zhì)量均小于10g，抗變形能力最差。1.0mm 厚壓型鋼板（高波板）的安全墜落質(zhì)量最大，也不足100g。在施工現(xiàn)場(chǎng)如高層若有雜物墜落現(xiàn)象發(fā)生，例如發(fā)生碎混凝土塊墜落現(xiàn)象，一旦防護(hù)棚頂棚受到?jīng)_擊，產(chǎn)生的變形有大概率超出頂棚的允許撓度。若防護(hù)棚材料為模板、彩鋼瓦等較低強(qiáng)度材料，則大概率產(chǎn)生變形，對(duì)防護(hù)棚的安全性、耐久性、文明施工形象造成負(fù)面影響。因此，安全防護(hù)棚并不是絕對(duì)的安全，其承載能力其實(shí)非常有限。防護(hù)棚只是作為必要的防護(hù)手段，是防止高空墜物物體打擊事故的最后一道防線。只有不斷加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)的安全管理，減少人的不安全行為，物的不安全狀態(tài)，才能從根本上減少、杜絕高空物體打擊現(xiàn)象的出現(xiàn)。

5）在設(shè)置雙層防護(hù)棚，上層頂棚破壞的條件下，各種材質(zhì)的頂棚抗沖擊荷載能力相對(duì)較高。其中模板頂棚可承受2.7kg 重物沖擊；1.0mm厚壓型鋼板（高波板）的承受沖擊能力最強(qiáng)，最高可承受51.78kg 重物沖擊。因此，在雙層防護(hù)棚條件下，在破壞狀態(tài)中頂棚可承受較高沖擊荷載，保證下層防護(hù)棚不被擊穿。因此，在高層建筑中設(shè)置雙層防護(hù)棚，是保障施工人員生命安全的必要措施。

6）需要注意的是，本文是在理想模型條件下按照簡(jiǎn)支梁受力驗(yàn)算了不同材質(zhì)頂棚的抗沖擊能力，且預(yù)設(shè)了多個(gè)假定條件，計(jì)算結(jié)果僅供參考。在工程實(shí)際施工中，安全防護(hù)棚受力情況更為復(fù)雜，防護(hù)棚主桁架一般在頂棚上設(shè)置有龍骨及斜撐作為頂棚的支撐材料；而模板、方木等塊狀頂棚材料在鋪設(shè)中一般也會(huì)在底部增加龍骨，保證防護(hù)性能。這些措施均會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)受力模型及承載力造成影響，但計(jì)算中并未考慮。但從整體來說，安全防護(hù)棚的材料厚度越厚，材料剛度越大，龍骨間距越小，抗沖擊能力越強(qiáng)。

4 不同材質(zhì)防護(hù)頂棚綜合對(duì)比評(píng)價(jià)

綜上，我們對(duì)6 種不同材質(zhì)的防護(hù)頂棚材料的力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比，同時(shí)我們還需對(duì)它們的材料價(jià)格、耐久性、安裝維護(hù)成本、環(huán)保性、周轉(zhuǎn)性能等綜合指標(biāo)進(jìn)行類比分析，不同材質(zhì)條件下的頂棚性能如下。

1）雙層鋪設(shè)的50mm 厚木跳板價(jià)格適中，所允許的高空墜落物最大質(zhì)量較高，能夠滿足防護(hù)要求。但缺點(diǎn)是木板雨天吸水后會(huì)變重，在外界環(huán)境下易風(fēng)化或腐爛，從而降低木厚板的抗沖擊荷載的能力，木跳版在使用3～5 次周轉(zhuǎn)后，就難以到達(dá)安全使用的要求，需及時(shí)更換。綜合考慮，是比較可靠的頂棚防護(hù)材料，在各種條件下均可使用。

2）10mm 厚鋼板價(jià)格最高，承載能力較強(qiáng)，抗沖擊能力與50mm 厚木跳板相仿。但鋼板厚且易腐蝕生銹，維護(hù)成本較高，通用性較差，不推薦使用該材料作為安全防護(hù)棚的硬質(zhì)防護(hù)材料。

3）10mm 厚YB75-200-600 型壓型鋼板（高波板），承載能力最高，約為木跳板的兩倍；壓型鋼板均有鍍鋅層，耐腐蝕，可多次重復(fù)利用，使用年限較長(zhǎng)，質(zhì)量較輕，外觀比較整潔，抗變形能力最強(qiáng)，安全文明施工程度高，缺點(diǎn)是價(jià)格稍高，應(yīng)用較少。壓型鋼板作為一種樓承板材料，具有較高承載力，在安全防護(hù)棚領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。推薦用于對(duì)安全文明施工要求較高的創(chuàng)優(yōu)工程項(xiàng)目。

4）50mm 厚方木滿鋪頂棚，優(yōu)點(diǎn)是后期維修方便，材料通用性高?？箾_擊承載能力一般，價(jià)格適中，耐久性、損耗性較差、環(huán)保型低、文明施工效果差。屬于中規(guī)中矩的頂棚做法，各方面沒有太突出的亮點(diǎn)，在標(biāo)準(zhǔn)化要求高的工程中，不推薦使用。在一般性的工程項(xiàng)目，為節(jié)約成本，可作為木跳板的替代方案使用。

5）木模板防護(hù)頂棚，優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，但承載力最差，耐久性、損耗均較高，因承載力低作為頂棚材料極易破壞，需經(jīng)常更換。安全防護(hù)性能低，不推薦使用。

6）彩鋼瓦頂棚（低波薄壓型鋼板），該頂棚材料價(jià)格便宜、安拆快、通用、環(huán)保性較高，文明施工形象好，是目前大部分工具式防護(hù)棚配備的頂棚材料。但該材料存在致命缺點(diǎn)即材料抗沖擊能力較差，防護(hù)能力不達(dá)標(biāo)；同時(shí)因材料強(qiáng)度低致耐久性差、易變形、易損耗高。因防護(hù)能力較差，存在較大安全隱患，不推薦使用。

5 結(jié)語(yǔ)

安全防護(hù)棚作為保障施工現(xiàn)場(chǎng)工人人身安全的一道重要防線，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備的可靠運(yùn)行、操作人員的安全生產(chǎn)起到重要保護(hù)作用。而防護(hù)棚的頂棚材質(zhì)對(duì)防護(hù)棚的安全性能有決定性的影響。

不同材質(zhì)的硬質(zhì)防護(hù)材料由于自身性質(zhì)不同，在安全承載能力、經(jīng)濟(jì)性、耐久性、環(huán)保性等方面各有不同的特點(diǎn)。隨著安全防護(hù)棚的種類越來越多，工程管理人員還需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，綜合考慮材料的特性，在保證安全性的前提下選擇最合適的防護(hù)材料。