鋁合金附著式升降腳手架創(chuàng)新設計研究

王 策，曲淑英

(工程力學國家級虛擬仿真實驗教學中心(煙臺大學)，山東 煙臺 264005)

0 前 言

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，城市用地越來越緊缺，近年來，高層和超高層建筑已經(jīng)成為新建建筑的主要形式。在施工設備方面，傳統(tǒng)的懸挑式腳手架的缺陷隨著建筑高度的增加越來越明顯，隨之而來的附著式升降腳手架因其施工方便等優(yōu)勢而得到廣泛應用[1]。鋁合金作為一種建筑材料，有著比鋼材更明顯的優(yōu)勢[2-3]，鋁合金附著式腳手架作為一種建筑設備，可以更好地滿足易拆卸、便于維護等需求。其僅需要搭設一定高度的附著式支撐機構(gòu)并依附于建筑物主體，便可隨著工程結(jié)構(gòu)的施工逐層爬升至封頂，在主體施工完成后也可以為滿足外墻裝飾作業(yè)而下降。鋁爬架與傳統(tǒng)鋼爬架相比具有很多明顯的優(yōu)點，如節(jié)能、安全、經(jīng)濟和高效率。節(jié)能是指架體所用材料減少，安全是指減小了爬架整體自重，但是承載力有所提升，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性比全鋼爬架更高，經(jīng)濟指架體輕、運輸成本低、使用過程中低消耗、利用率高、節(jié)約成本，效率高指的是安裝容易簡單、操作快捷、效率高、縮短安裝工期、減少大量的人力物力、有助于加快施工進度。目前，鋁合金附著式升降腳手架得到了廣泛的應用，為了更好地發(fā)展和推廣，本文用鋁爬架對比傳統(tǒng)鋼爬架，對鋁爬架的創(chuàng)新設計進行了更加具體的分析研究。

1 架體基本構(gòu)成

以山東新活新材料科技有限公司設計的鋁合金-鋼組合式附著升降腳手架設計圖紙為計算模型，選取兩個標準跨距架體進行計算，即3機位2跨，主導軌間距6 m。架體豎向高度13.5 m，長度6 m，寬度0.65 m。豎向主框架最支撐跨度為6.0 m，立桿縱向間距2.0 m，立桿橫距0.65 m。

該鋁合金-鋼組合式附著升降腳手架主體結(jié)構(gòu)均采用鋁合金型材制作，包括豎向主框架、水平支撐桁架、架體結(jié)構(gòu)、剪刀撐、防護網(wǎng)等，導軌支座(含防傾裝置、防墜裝置、卸荷裝置)、升降動力系統(tǒng)等采用鋼材制作，架體基本構(gòu)成見圖1。

2 架體輕量化設計分析

2.1 內(nèi)力計算方法

利用結(jié)構(gòu)力學求解器對鋁合金附著式升降腳手架架體進行內(nèi)力和變形計算，作用荷載按規(guī)范要求取值，內(nèi)力計算時取荷載效應基本組合，變形計算時取荷載效應標準組合。架體計算模型和桿件編號如圖2所示。

圖1 鋁合金架體基本構(gòu)成

圖2 桿件編碼

桿強度驗算按式(1)計算，桿的穩(wěn)定性驗算按式(2)計算，外力桿穩(wěn)定承載力驗算按式(3)計算，導軌撓度驗算按式(4)計算。

桿強度驗算：

(1)

桿穩(wěn)定性驗算：

(2)

外力桿承載力驗算：

(3)

導軌撓度驗算：

(4)

2.2 分析結(jié)果

根據(jù)《建筑施工工具式腳手架安全技術規(guī)程》(JGJ 202—2010)考慮荷載基本組合，對結(jié)構(gòu)進行承載能力驗算，豎向主框架各工況桿件內(nèi)力如表1所示。

表1 豎向主框架各工況桿件內(nèi)力

經(jīng)過驗算得出，升降工況下鋁合金附著式升降腳手架架體桿件強度、穩(wěn)定性和撓度均遠低于規(guī)范要求，證明采用全新的鋁合金材料，使得腳手架重量比普通鋼爬架減少50%的同時，各項承載力性能指標與全鋼爬架持平。

3 防護網(wǎng)外力桿創(chuàng)新分析

一體擠壓成型兩側(cè)對稱布置C型卡槽的豎向外力桿，通過M14的螺栓及連接桿實現(xiàn)相互之間的連接，將梯形防護網(wǎng)直接插裝到卡槽內(nèi)，這種新型組合方式，連接方便、快捷、可靠，提高了架體的整體性、安全性，有效減少了架體的重量，新型組合方式與傳統(tǒng)鋼爬架的對比如圖3所示。

(a)梯形防護網(wǎng)

(b)米字框防護網(wǎng)

圖4 米字框防護網(wǎng)

圖5 梯形網(wǎng)片的搭接方式

1)防護網(wǎng)采用梯形網(wǎng)，與傳統(tǒng)的米字框防護網(wǎng)(見圖4)相比，安裝方便、自重小，同時結(jié)構(gòu)科學、安全可靠，使整個架體具有足夠的剛度和強度，提高了工人的安全作業(yè)系數(shù)，梯形網(wǎng)的搭接方式如圖5所示。

2)外力桿為一體擠壓成型兩側(cè)對稱布置C型卡槽的豎立桿(見圖6)，可以將防護網(wǎng)直接插裝到卡槽內(nèi)，提高了架體的整體性，使作業(yè)環(huán)境更加封閉，有效防范高空墜物。安裝完成后的架體定型化、標準化，外觀更加簡潔。

4 動力系統(tǒng)

4.1 提升系統(tǒng)

附著式升降腳手架根據(jù)動力系統(tǒng)的不同可分為電動液壓式、葫蘆式、齒輪齒條式和渦輪蝸桿式等多種形式。本鋁合金附著式升降腳手架采用電動葫蘆動力提升系統(tǒng)，電動葫蘆是目前市場應用最多的動力系統(tǒng)，原因是操作簡單、可靠，適應復雜的施工現(xiàn)場，經(jīng)濟效益高。由于鋁合金附著式升降腳手架的架體輕量化設計，相比傳統(tǒng)鋼爬架大大減少了提升所需動能，節(jié)約能耗近50%，提高了經(jīng)濟效益。

4.2 提升位置

附著式升降腳手架按提升位置不同可分為中心提升和偏心提升兩種。本設計采用偏心提升，是指提升設備安裝在靠近建筑物側(cè)進行升降工作，一般采用倒掛葫蘆，葫蘆跟隨架體進行升降，升降到位后需要轉(zhuǎn)移葫蘆。偏心提升式由于電動葫蘆設置在架體外側(cè)，不會影響工人在架體上走動，有利于加快施工進度。

5 工程應用

鋁合金附著式升降腳手架通過在甘肅省天水秦州區(qū)萬達廣場項目及青島蘭東安置區(qū)二期項目的應用(見圖7)，得出架體安裝用工量為傳統(tǒng)鋼爬架的50%，架體提升時機位重量為1.0～1.2 t，充分體現(xiàn)出了鋁合金附著式升降腳手架重量輕、能耗低、承載力大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特點。

圖6 豎立桿

圖7 青島蘭東安置區(qū)二期項目圖

6 結(jié) 語

鋁合金附著式升降腳手架對比傳統(tǒng)鋼爬架，架體輕、但承載力提高，能夠降低運輸成本、減少能耗、提高利用率、兼具防銹特征，無需表面噴涂防銹處理，節(jié)約能源，實現(xiàn)綠色環(huán)保無污染，極大地改善了生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，提升了工地形象。同時對防護網(wǎng)和外力桿進行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新優(yōu)化設計，提高架體的整體性、安全性，使操作更加方便快捷，同時合理地采用動力系統(tǒng)，有效做到節(jié)能、節(jié)材、降低成本。

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