劉福平

（山西省工程機(jī)械有限公司，山西太原 030003）

1 研究背景

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，城市中高層建筑數(shù)量逐年增加，全鋼爬架因具有節(jié)能、安全、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，在高層建筑的建設(shè)過程中，起到了舉足輕重的作用，對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展依然需要進(jìn)行細(xì)致的研究。

爬架設(shè)計(jì)主要從“架體輕量化、架體通過性、架體結(jié)構(gòu)受力優(yōu)化”這3 點(diǎn)著手考慮，其中全鋼爬架結(jié)構(gòu)由架體構(gòu)架、水平支承桁架、豎向主框架、附著支撐結(jié)構(gòu)、提升機(jī)構(gòu)、同步控制系統(tǒng)這6個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。現(xiàn)對(duì)此6 個(gè)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行探討。

2 各結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)解析

2.1 架體構(gòu)架

架體構(gòu)架由鋼腳手板、立桿、Z 字型/三角形斜撐、外防護(hù)網(wǎng)、斜腹桿、兜底橫桿等組成，整體具有施工作業(yè)平臺(tái)，施工通道和外防護(hù)的功能。

（1）其中鋼腳手板兼作走道板、縱向水平桿、橫向水平桿使用。其主肢截面形式主要有：矩形管、角鋼、C 型鋼或折彎一體化型材，使用較為廣泛的為矩形管，其具結(jié)構(gòu)形式有良好的受力特性，相同重量下其具有相對(duì)角鋼和C 型鋼更高的強(qiáng)度。面板一般選用花紋鋼板、鋼網(wǎng)板或軋制折彎鋼板，其中花紋板的使用較為廣泛，其具有密封性好、防滑、美觀的特點(diǎn)，鋼網(wǎng)板為施工初期較多采用的一種材料，僅用于人員臨時(shí)走動(dòng)，以及防止較大的物體從架體內(nèi)掉落，但其易損壞，對(duì)于體積嬌小的物體防護(hù)性較差。折彎鋼板使用也較為常見，其形成的龍骨具有較好的受力性能，但其凹槽內(nèi)容易堆積混凝土及雜物，且不易清理。

鋼腳手板是架體縱向和橫向構(gòu)件，承受并傳遞垂直荷載（自重荷載和施工荷載）、縱向水平拉壓力、橫向支座反力和風(fēng)荷載。其中在縱向連接中，一般使用螺栓在腳手板端部進(jìn)行連接；橫向連接中，立桿與鋼腳手板主肢的連接孔進(jìn)行連接。此項(xiàng)連接中容易出現(xiàn)以下3 點(diǎn)問題：①腳手板兩側(cè)主肢桿無抗拉能力。②腳手板接合面處抗彎能力弱。③面板抗側(cè)壓能力較弱時(shí)，兩側(cè)主肢桿抵抗水平荷載增大。

針對(duì)這3 點(diǎn)問題，通過以下4 種方式改進(jìn)：①增加縱向連接板，提高腳手板端部接合面處連接的強(qiáng)度。②端部的連接螺栓靠近主肢桿。③立桿布置時(shí)靠近橫桿。④適當(dāng)增強(qiáng)面板的剛度。

（2）架體構(gòu)架中的立桿分為外立桿和內(nèi)立桿，其中外立桿承受垂直荷載（自重荷載和施工荷載）與水平風(fēng)荷載，內(nèi)立桿承受垂直荷載（自重荷載和施工荷載）。

立桿在安裝時(shí)存在以下問題：①立桿的截面，長(zhǎng)細(xì)比限定了架體的最大步距，通常架體步距不大于2m，但因立桿上存在連接孔，在一定程度上減弱了立桿的承載能力。②內(nèi)立桿和外立桿未成對(duì)組裝，將使外排架體局部下沉，使其內(nèi)側(cè)立桿支點(diǎn)跨距增大，承載時(shí)將產(chǎn)生較大撓度。

故在設(shè)計(jì)安裝時(shí)，架體內(nèi)外立桿大部分選取成對(duì)布置，并增設(shè)Z 字型/三角形斜撐，將Z 字型/三角形設(shè)置在鋼腳手板下方，連接內(nèi)、外排架體，形成半剛架結(jié)構(gòu)，并可將外立桿的荷載傳遞至內(nèi)立桿上。

而且Z 字型/三角形斜撐因在架體每步加設(shè)，若隔1~2 步安裝，在立桿截面較小、架體懸高較大、支座安裝數(shù)量少、未設(shè)置臨時(shí)拉結(jié)桿的情況下，架體的水平剛度差。少裝Z 字型/三角形斜撐時(shí)，外排架體的荷載僅靠下部Z 字型/三角形斜撐橫向集中傳遞到內(nèi)排架體，容易出現(xiàn)較大的安全隱患。只有當(dāng)內(nèi)外立桿、鋼腳手板、Z 字型/三角形斜撐都安裝到位后，才能構(gòu)成整體的幾何不變體系，架體在各個(gè)方向中都有受力較好的桁架體系，整體的受力更合理，各個(gè)部件均參與到了受理體系中。

（3）架體構(gòu)架中外防護(hù)網(wǎng)主要是起外立面防護(hù)作用，在《建筑施工高處作業(yè)安全技術(shù)規(guī)程》（JGJ 80—2016）中要求，外防護(hù)網(wǎng)應(yīng)能承受任意方向1kN 的荷載，其既能阻擋物料墜落，又能阻擋人員墜落。

外防護(hù)網(wǎng)安裝方式通常有嵌裝式網(wǎng)片和外平鋪式網(wǎng)片兩種形式。其中嵌裝式網(wǎng)片是嵌入相鄰?fù)饬U之間，此種安裝方式一定程度上有助于架體的穩(wěn)定性，也可增強(qiáng)網(wǎng)片自身的抗風(fēng)能力，但嵌裝網(wǎng)片的寬度、斜桿角度也隨立桿間距變化，將使用較多寬度不等的非標(biāo)件，不利于標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)和周轉(zhuǎn)應(yīng)用。而外平鋪式網(wǎng)片用戶是將網(wǎng)片安裝至立桿外部，即外防護(hù)網(wǎng)包裹住立桿安裝，此種安裝方式即可設(shè)計(jì)幾種標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)片寬度，在不同尺寸面上進(jìn)行組合拼裝，但因其安裝至立桿外部，導(dǎo)致網(wǎng)片和鋼腳手板之間出現(xiàn)了立桿寬度的縫隙，需要增設(shè)擋腳板封堵此縫隙。

兩種網(wǎng)片安裝方式各有利弊，從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性考慮，嵌入式網(wǎng)片更合理；從標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)考慮，外平鋪式網(wǎng)片更有優(yōu)勢(shì)。

2.2 水平支承桁架

水平支承桁架是爬架整體的一個(gè)穩(wěn)固節(jié)點(diǎn)，根據(jù)架體結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，內(nèi)、外排架體構(gòu)架分別承受自重荷載、施工荷載并向下傳遞到架體下部，再傳遞到豎向主框架，因此在內(nèi)、外排架體下部設(shè)置水平支承桁架，如圖1 所示。

圖1 水平支承桁架結(jié)構(gòu)形式

其中水平支承桁架布置時(shí)，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑施工工具式腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ 202—2010），規(guī)定在架體相鄰立桿節(jié)點(diǎn)上安裝斜腹桿，因此全步高的長(zhǎng)桿式斜腹桿完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。現(xiàn)除了全步高式斜腹桿的水平支承桁架還另有片式桁架組成的水平支承桁架，片式桁架布置更美觀，但荷載通過立桿傳遞可能未傳至桁架節(jié)點(diǎn)，使用時(shí)須根據(jù)實(shí)際工況對(duì)桁架設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算。

2.3 豎向主框架

豎向主框架是附著式升降腳手架中最主要的受力構(gòu)件，多數(shù)豎向主框架為剛架結(jié)構(gòu)，由機(jī)位立桿、Z 字型斜撐組成，節(jié)點(diǎn)一般為焊接或螺栓連接，還一并安裝了防傾覆導(dǎo)軌，提升桁架及鋼腳手板等構(gòu)件。

爬架在使用時(shí)，架體多種類、多方向、多工況的組合荷載均匯集在豎向主框架上，故豎向主框架的構(gòu)造直接影響爬架的整體強(qiáng)度。

在豎向主框架設(shè)計(jì)中，連同防傾覆導(dǎo)軌一同設(shè)計(jì)，防傾覆導(dǎo)軌在使用、升降、墜落工況中，將架體的豎向荷載、水平荷載傳遞到附著支座上。其中導(dǎo)軌一般設(shè)計(jì)為階梯檔桿式，軌身一般為6.3#~8#槽鋼或φ48×3.5 鋼管，檔桿為 φ28 圓鋼、檔桿間距一般為100~150mm。檔桿兩端采用環(huán)形焊縫與槽鋼腹板或鋼管外徑焊接。因防傾覆導(dǎo)軌與豎向主框架設(shè)置為一體，故防傾覆導(dǎo)軌的背桿也可參與豎向主框架內(nèi)立桿的強(qiáng)度計(jì)算。

導(dǎo)軌與背桿的組合形式常見的有兩種：①平面式組合，導(dǎo)軌與背桿緊貼放置，背桿常常選用大截面矩形管，增強(qiáng)整體的抗彎能力。②空間是組合，導(dǎo)軌離開背桿150mm 左右，中間設(shè)置連續(xù)的三角桁架，組成空間桁架形式，此形式的導(dǎo)軌與背桿往往可以選擇截面較小的材料即可滿足抗彎的需求。

2.4 附著支撐結(jié)構(gòu)

附著支撐結(jié)構(gòu)是爬架荷載傳遞至建筑物的一個(gè)重要構(gòu)件，支撐著整個(gè)爬架的重量，且與導(dǎo)軌共同作用形成防傾覆裝置，也一并設(shè)計(jì)有停層裝置和防墜落裝置，其作用可見至關(guān)重要。因其承受多工況、多點(diǎn)位、多方向的荷載，故設(shè)計(jì)時(shí)主要從組成附著支座的結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度、穩(wěn)定承載力、連接強(qiáng)度和與建筑物連接的穿墻螺栓強(qiáng)度等方向進(jìn)行考慮。

在工程應(yīng)用中，常見支座主肢水平拉彎，說明其抗彎能力不足，應(yīng)增厚或加固；也偶見支座主肢在垂直面內(nèi)壓彎，說明橫桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，應(yīng)增大截面或增加撐拉構(gòu)件。在較為不利的受力條件與結(jié)構(gòu)形式下，可增設(shè)剛性撐拉構(gòu)件，多為剛性撐拉桿，對(duì)附著進(jìn)行輔助受力。

2.5 提升機(jī)構(gòu)

爬架是可依靠自身的升降裝置進(jìn)行爬升和降落的，故也應(yīng)設(shè)計(jì)一套可靠的傳力構(gòu)造，現(xiàn)從提高爬架“通過性”的方向考慮，一般都采用偏心式提升，偏心提升給將電動(dòng)葫蘆和鏈條等升降設(shè)備放置在架體外面提供了可行性，從而提高架體的通過性。但偏心提升特別考驗(yàn)導(dǎo)軌下部的抗彎能力，較中心式提升，其需要較大截面的立桿滿足抗彎需求，且必須保證提升架的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。為此，可采取增設(shè)副立桿與提升架連接，有效減小對(duì)導(dǎo)軌下側(cè)的彎矩，提高偏心提升的穩(wěn)定性。

現(xiàn)在爬架采取的動(dòng)力一般為電動(dòng)葫蘆，故電動(dòng)葫蘆的選取也至關(guān)重要，除了要保證電動(dòng)葫蘆鏈條的抗拉強(qiáng)度外，也應(yīng)從電機(jī)占用空間小，鏈條容易整理，葫蘆齒輪運(yùn)行平滑、負(fù)載持續(xù)時(shí)間、宜采用軸銷連接這幾方面進(jìn)行選用。對(duì)于偏心式使用的電動(dòng)葫蘆，先較常用的為帶中節(jié)點(diǎn)的循環(huán)鏈電動(dòng)葫蘆，以及近幾年剛剛面世的單鏈循環(huán)電動(dòng)葫蘆，這些都是針對(duì)附著式升降腳手架設(shè)計(jì)的專用電動(dòng)葫蘆。

2.6 同步控制系統(tǒng)

爬架提升時(shí)，一般為整體提升，故爬架各提升機(jī)位的同步性能也至關(guān)重要。應(yīng)選用一套配備限制荷載和限制水平高差的同步控制系統(tǒng)。當(dāng)只有兩機(jī)位同時(shí)升降時(shí)，可采用限制水平高差的同步控制系統(tǒng)；當(dāng)多機(jī)位同時(shí)升降時(shí)，采用限制荷載的控制系統(tǒng)。

其中荷載限制控制系統(tǒng)應(yīng)具備荷載自動(dòng)監(jiān)測(cè)和超欠載報(bào)警、自動(dòng)停機(jī)的功能，相鄰兩機(jī)位荷載變化值超過初始狀態(tài)的15%，應(yīng)具有聲光報(bào)警功能，超過初始狀態(tài)的30%，應(yīng)具有全部機(jī)位自動(dòng)停機(jī)的功能；分控箱和荷載檢測(cè)單元應(yīng)能實(shí)時(shí)采集各機(jī)位的荷載數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)娇偪刂葡?，從總控制箱能發(fā)出控制指令，具備急停、單機(jī)手動(dòng)、多機(jī)手動(dòng)控制功能，自如的控制爬架的升降，確保升降時(shí)的安全性能。

3 結(jié)語

全鋼爬架應(yīng)用越來越廣，通過對(duì)全鋼爬架結(jié)構(gòu)的分析，將能更好地幫助工作人員理解爬架，從而更好地使用爬架。

爬架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性是爬架安全使用的主要因素，同時(shí)也應(yīng)配備更好的爬架管理方法和維護(hù)保養(yǎng)制度，通過爬架設(shè)計(jì)者和使用者共同努力，使爬架發(fā)揮最好的防護(hù)性能，為我國(guó)的建筑行業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展做出更好的貢獻(xiàn)。