異型卡式腳手架防墜落裝置的設計與強度校驗

吳碧金，王化峰，蘇永新，鐘文輝

(1.集美大學海洋裝備與機械工程學院，福建 廈門 361021；2.廈門寶嘉達信息科技有限公司，福建 廈門 361004；3.福建省南鋁鋁?？萍加邢薰?，福建 南平 353000)

0 引言

附著式升降腳手架通過附著支承結構附著在建筑結構上，在其上設置一定高度的外部腳手架，能夠依靠自身配備的升降設備，根據施工需求在建筑結構上對腳手架進行升降。由于附著式升降腳手架具有操作簡便、施工效率高、節省材料、施工成本低、改善施工環境、綠色環保等特點，近年來，已經被廣泛地應用于高層建筑施工中[1]。在建筑腳手架安全技術規范中，規定了自動升降腳手架必須具備防傾覆、防墜落功能[2]。但在實際施工過程中，仍然時有發生腳手架墜落、傾覆等安全事故，造成人員傷亡和財產損失。防墜落裝置作為腳手架的重要裝置，起著非常重要的作用，因此，對其進行不斷地改進以適應行業的發展是十分必要的[3]。附著式升降腳手架的防墜落裝置常用的基本類型有擺針式、鋼吊桿式、星輪式和楔塊式[4-6]。但這些防墜落裝置都有自身的缺陷，如：擺針式防墜落裝置由于其結構尺寸原因導致制動距離過大；鋼吊桿式防墜落裝置易受到安裝的影響而造成防墜距離過大；星輪式防墜落裝置內設有彈簧，易受到施工現場如水泥、砂漿的侵蝕，以及彈簧自身失效而產生安全隱患。針對現有的附著式升降腳手架防墜落裝置存在的不足，設計了一種異型卡式防墜落裝置[7]。該裝置的主要構件為多爪轉子和異型卡子。

1 異型卡式防墜落裝置的結構和工作原理

1.1 異型卡式腳手架防墜落裝置的主要結構

附著式升降腳手架主要由架體、豎向主框架、水平支承框架、附墻支承裝置、防墜落裝置、提升裝置和防護鋼網7個部分組成，如圖1所示(圖中尺寸單位為mm)。

異型卡式防墜落裝置安裝在附墻支承裝置內，如圖2所示。防墜落裝置由多爪轉子、異型卡子、側限位板、上限位板、銷軸組成，如圖3所示。多爪轉子和異型卡子可以繞著銷軸轉動，多爪轉子可以設計成4～6爪。異型卡子結構設計要點如下：

1)設有傳動部和制動部，連接于銷軸處，另一端分別延伸成“L”形；

2)傳動部的內側面拱起，形成配重；

3)制動部的外側面遠離銷孔處，設計成曲面，以保證與多爪轉子的爪子接觸是面接觸。

4)傳動部和制動部中心線之間的夾角為90°～95°，如圖4所示。

1.2 異型卡式腳手架防墜落裝置的工作原理

升降腳手架具有三種工況：提升工況、下降工況和墜落工況。

1)提升工況

當升降腳手架的架體6處于提升工況時(慢速)，橫撥桿7帶動多爪轉子1逆時針轉動，其爪子沿異型卡子的弧形軌跡從右向左做配合運動。圖5a)是多爪轉子與異型卡子初始接觸位置；圖5b)—圖5c)中，當多爪轉子逆時針轉動約20°，推動異型卡子逆時針轉動約21°；圖5d)中，當多爪轉子繼續逆時針轉動約20°，此時異型卡子由于自重作用順時針轉動約10°；圖5e)中，多爪轉子繼續逆時針轉動，脫離弧形軌跡，而異型卡子在自重作用下與側限位板配合回到初始位置，繼續下一個循環運動。架體慢速提升過程中，多爪轉子和異型卡子不會相互卡住，即防墜落裝置不會影響架體持續慢速提升。

2)下降工況

當升降腳手架架體6處于下降工況時(慢速)，橫撥桿7帶動多爪轉子1順時針轉動，其爪子沿異型卡子的弧形軌跡從左向右做配合運動。圖6a)是多爪轉子與異型卡子初始位置；圖6b)～圖6c)中當多爪轉子順時針轉動約20°，推動異型卡子逆時針轉動約10°；圖6d)中，當多爪轉子順逆時針轉動約20°，此時異型卡子由于自重作用順時針轉動約21°；圖6e)中多爪轉子繼續順時針轉動脫離弧形軌跡，而異型卡子在自重作用下與側限位板配合回到初始位置，繼續下一個循環運動。架體慢速下降過程中，多爪轉子和異型卡子不會相互卡住，即防墜落裝置不會影響架體持續慢速下降。

3)墜落工況

當升降腳手架架體6處于墜落工況時(急速)，橫撥桿7帶動多爪轉子1順時針轉動，其爪子沿異型卡子的弧形軌跡從左向右快速運動。圖7a)是多爪轉子與異型卡子初始位置；圖7b)中，當多爪轉子快速順時針轉動，多爪轉子的前一個爪子碰撞異型卡子，推動異型卡子快速逆時針轉動，異型卡子來不及復位，就被多爪轉子的下一個爪子卡住；異型卡子被推動著繼續快速逆時針轉動，直至異型卡子傳動部的外側面與上限位板接觸(限制向上轉動)。異型卡子制動部的圓弧曲面與多爪轉子的下一個爪子面面接觸，多爪轉子與異型卡子相互卡死，如圖7c)所示。如此，防墜落裝置卡住架體，阻止架體繼續下降。

此防墜裝置屬于一次性產品。在發生墜落工況時，防墜裝置發揮防墜作用后，整個防墜裝置(包括多爪轉子、異型卡子和上下限位板)報廢，必須安裝新的防墜裝置。

2 異型卡式防墜落裝置有限元分析

為了研究防墜落裝置在升降腳手架墜落時的安全性能，借助Ansys有限元軟件對腳手架主要構件進行應力校驗。

1)多爪轉子和異型卡子的材料為ZG310-570；屈服應力為310 MPa;抗拉強度為570 MPa[8]。

2)加載載荷

為保證防墜落裝置的安全可靠性，驗算防墜落裝置承載力時，將一個機位整個架體的全部豎向載荷加載到單個附著支座上，則整個架體的全部豎向載荷為[9]：

N1=γ0γ3(γG∑NGik+γQ∑NQik)。

式中：N1為單個附著支座所承受的最大豎向載荷設計值，kN；γ0為結構系數，取1.1；γ3為沖擊系數，取1.5；γG為恒載分項系數，取1.2；γQ為活載分項系數，取1.4；∑NGik為單個支座所承受的豎向恒載標準值總和，取30 kN；∑NQik為單個支座所承受的施工載標準值總和，根據JG/546—2019規定， ∑NQik=21.6 kN

代入以上數據：N1=1.1×1.5×(1.2×30+1.4×21.6)=109 kN。

3)有限元模型的建立

根據多爪轉子和異型卡子的結構形狀，為避免實體單元帶來的奇異應力和局部應力集中，采用板殼單元進行模擬。當升降腳手架發生墜落時，多爪轉子與異型卡子發生接觸，銷聯結部位為軸對稱約束，限制法向位移。根據接觸后的受力情況建立有限元模型如表1所示。

表1 有限元模型

4)有限元分析結果

防墜落裝置有限元分析結果如圖9所示。

由圖9a)可知：多爪轉子的最大應力為199 MPa，發生在爪的根部。

由圖9b)可知：異型卡子的最大應力為98 MPa，發生在制動部的圓弧外側。

多爪轉子和異型卡子的最大應力都遠小于材料許用應力，滿足要求。

3 結語

設計了一種結構特殊的異型卡式防墜落裝置，并通過有限元分析進行了強度校驗。驗證結果表明該防墜落裝置是安全可靠的。該防墜落裝置具有以下特點。

1)安全可靠。異型卡子設計為弧形配重，保證異型卡子復位時總是向制動部偏轉；設置了側限位板，限制異型卡子向下轉動位置，使得異型卡子復位位置一致，以保證工作時異型卡子與多爪轉子可靠接觸。異型卡子制動部的外側面遠離銷孔處，設計成曲面，當架體墜落時，異型卡子與多爪轉子形成面接觸而相互卡死，強度大，可靠性高。

2)動作快而準確。多爪轉子轉動時，爪子的運動軌跡為弧形，配合側限位板的限位，使得異型卡子運動過程擺動幅度小，定位快而準確。

3)防塵保護。所設置的上限位板和側限位板，不僅限制異型卡子的擺動位置，還可以起到防塵和保護裝置的作用。