無線遙控阻燃型整體提升腳手架防火與力學性能分析

蒲 洋

上海建工一建集團有限公司 上海 200120

在高層建筑施工領域，腳手架體系是關乎安全、經濟、施工進度的重要設備。在高層和超高層建筑的施工中，整體提升腳手架體系的應用非常廣泛[1]?？傮w上說，目前使用的整體提升腳手體系還存在阻燃性能差、防火安全性差、模塊化程度低、現場組裝工作量大、重復利用率低等值得改進的地方[2]。

針對上述問題，本文對現有的整體提升腳手架體系提出一系列優化措施，設計出一種新型無線遙控阻燃型整體提升腳手架體系，并對其進行防火和力學性能試驗分析。無線遙控阻燃型整體提升腳手架體系的應用，為超高層建筑的施工帶來了良好的社會效益和經濟效益。

1 無線遙控阻燃型整體提升腳手架

阻燃型整體提升腳手架體系由標準模塊、提升裝置、附墻裝置、控制系統、防墜裝置、全封閉系統、防傾裝置及非標部件等組成[3-4]。無線遙控阻燃型整體提升腳手架主要針對標準模塊、全封閉系統、控制系統進行優化。

1.1標準模塊

對腳手架體系按照水平和垂直2個維度進行分片，按片區進行零部件標準化設計，對標準零部件進行拼裝形成標準化模塊。整體提升腳手架體系由標準模塊根據具體工程施工面的尺寸，從水平方向和豎直方向2個維度拼接組裝而成。通過模塊化解決互換性問題，同時通過各零部件和模塊的高度標準化減少非標部件比例，從而提高產品的重復利用比率。

整體提升腳手架體系按照其組裝位置和自身結構特點分為中部標準模塊、角部標準模塊和底部桁架模塊3種形式，如圖1所示。中部標準模塊包括鋼結構骨架、走道板、側網等。從結構受力特點考慮，設計出2種骨架。一種是內側單立桿，外側豎向槽鋼，兩者用槽鋼橫桿相連。另一種是內側雙立桿，其余同上。主要荷載為施工人員操作活荷載的部位，采用單立桿骨架傳力。機位與附墻斜拉桿部位，荷載比較集中，采用雙立桿骨架。豎向立桿采用φ48 mm×3.5 mm規格鋼管，相對應的外側豎向槽鋼和橫桿通常采用5#槽鋼。底部桁架模塊除上述各部件外，還包括角鋼斜撐、底部閘板、吊梁以及吊點等。一般來說，模塊縱向維度的尺寸為3.6 m，橫向維度的尺寸為5.3 m。兩個雙立桿骨架之間距離為0.8 m，中間布置架體爬升機位。單側立桿骨架之間距離為1.5 m，中間為走道板和側網。模塊立桿上下兩端設計成連接接頭。走道板與骨架的橫桿連接。側網兩側與骨架的外側豎向槽鋼連接，上下與相鄰側網連接。

圖1 整體提升腳手架標準化模塊

模塊化架體通過立柱和豎向槽鋼兩端的連接件與相鄰的模塊連接在一起。其中，立桿的連接件為法蘭與螺栓連接，豎向槽鋼為夾片螺栓連接，最下面與底部模塊連接。爬升吊點設置在底部模塊的下部，位于架體的重心位置。各模塊吊裝時，按照規范要求通過拉桿與墻體拉結牢固。提升系統鉤掛到底部桁架模塊上，底部桁架模塊將架體的全部荷載通過附墻拉桿傳到附墻件上，附墻件與建筑結構連接形成傳力路徑。通過重心吊點提升，進一步保證架體在提升過程中良好的平穩性，比傳統的偏心提升更安全，更不會發生傾斜。在層高不同，外形也不同的兩個項目之間的體型轉換，只需要按照標準模塊的高度和寬度尺寸，結合具體結構的施工作業面情況進行拼接組合。

1.2全封閉系統

對腳手板、底部閘板和側網進行全方位標準化設計，各封閉部件均采用金屬材料制作，從而獲得可靠的強度、美觀的外形和良好的防火性能。側網由4#角鋼邊框與1 mm×10 mm×10 mm鍍鋅鐵絲網組成，提高側網強度和防穿透能力。走道板采用4#角鋼邊框與4 mm×22 mm×30 mm的菱形鋼板網片組成，鋼板網片周邊點焊到角鋼框上，提高走道板強度和防墜物能力。底部閘板由槽鋼與厚2.5 mm的花紋鋼板組成，腳手架底部與建筑物之間的空隙采用厚2.5 mm的軋花鋼板作為隔離翻板。隔離翻板上開條形孔，遠離墻面的孔端適度擴圓孔。翻板的限位栓穿過條形開孔固定在底部腳手板上，保證條形開孔在限位栓的作用下不脫離，只能沿條形孔滑動，從而實現隔離翻板的伸出與縮回，提高底部閘板設計制造精度，實現底部良好的封閉性能。

1.3控制系統

對升降控制系統進行優化，通過研究無線控制系統，完成了無線控制硬件系統的選型和控制軟件的開發，研發出用無線控制的總控設備和遙控設備。各分控箱通過串聯線路接入總控箱，通過遙控器與各控制箱進行指令等信息交互。

在提升過程中，腳手架上不留操作人員。操作人員在結構樓面上，通過遙控器發出指令，控制腳手架體系的提升與停止。控制人員根據總控箱數據及腳手架體系各部位的具體情況，判斷架體提升是否正常。出現異常情況，則暫停提升操作，解決異常問題之后，再行提升。在無線控制下，架體高度偏差能控制在20 mm范圍內，符合相關規范要求的相鄰架體之間豎向偏差不超過30 mm的要求。

2 防火性能分析

2.1數值模擬

本文建立3層腳手架有限元模型，每層步距1.8 m，上下層鋪設竹笆走道板，中間層分別為竹笆走道板和鋼板網片走道板，分析當下層走道板發生火災時，中間層走道板材質對上層腳手架溫度的影響，如圖2所示。假設流場的初始狀態為靜止，模擬區域內溫度為20 ℃，壓力為1個標準大氣壓（101.325 kPa）。

圖2 燃燒性能數值分析模型

采取恒定熱釋放速率火源，竹材最大熱釋放速率為300 kW/m2，模擬中考慮20%的余量，故設定火源熱釋放速率為360 kW/m2。邊界條件為熱厚邊界條件，即圍護結構傳熱按一維傳熱處理，并且假定外壁面溫度與環境溫度相同并保持不變。在大渦模擬中壁面速度采用滑移模型，壁面速度取鄰近網格節點速度的3/4。應急響應時間為300 s，考慮一定的余量，設定模擬時間為400 s。

圖3（a）和圖3（b）分別為中層走道板為竹笆和鋼板網片的腳手架橫向剖面溫度分布圖。從圖3（a）可以看出，火源附近溫度較高，超過600 ℃，中間層竹笆腳手板附近溫度超過300 ℃，熱流量大于16 kW/m2。竹材超過280 ℃即熱解，且竹材最小引燃熱流量為10～13 kW/m2。因此，當下層竹笆腳手架著火時，相鄰層腳手架及其附屬可燃物在火災發生后極有可能被點燃，從而造成立體蔓延。從圖3（b）中可以看出，火源附近溫度較高，超過600 ℃，距著火層3.6 m處的第3層竹笆腳手板附近，溫度在250 ℃左右，火源正上方處熱流量低于5 kW/m2。因此，在中間層為鋼笆的條件下，距著火層3.6 m處的第3層竹木模板等施工材料在400 s內較難被點燃。

圖3 火源橫向剖面溫度分布示意

2.2實體火災試驗

本文進行腳手架的全尺寸實體火災試驗，觀察不同風速條件下，竹笆腳手架體系和改進的阻燃型腳手架體系預防火災蔓延的可行性，可以得出以下結論：

1）自然風（2.0 m/s）條件下，當竹笆腳手板上存在較多可燃物時，其上方的竹笆腳手板能被引燃。

2）自然風（2.0 m/s）條件下，腳手架外圍的綠網和防塵網都被點燃，但明火很快熄滅，火災蔓延風險較??；在強制送風（8.0 m/s）條件下，綠網和防塵網都很快被點燃，帶火的熔融液滴灑落到本層和下層竹笆腳手板，將竹笆腳手板引燃，造成火災水平和向下蔓延。

3）自然風（2.0 m/s）和強制送風（8.0 m/s）條件下，采用阻燃型腳手架體系，鋼板網上層的架體不會引燃，能阻止或延緩火災向上蔓延。此外，鋼板網能阻擋上層著火源燃燒掉落的固體殘留物，可阻止腳手架火災向下蔓延。

4）阻燃型腳手架體系布置方案采用鋼板網片層作為走道板，能夠有效降低腳手架發生火災后，火勢通過該層向上或向下蔓延的風險。

3 力學性能分析

3.1架體模型建立

根據腳手架的實際結構，材料選用Q235，整體腳手架結構構件等選用一般梁單元模擬?？紤]相鄰單元間的相互作用，選取三機位兩跨度的腳手架單元，水平方向選取2榀單元（共8 800 mm）進行分析，豎直方向選取10步11排、高19.8 m單元（1.8 m×10步＋1.8 m扶手）進行分析。

整體提升腳手架體施工過程中分為以下3個工況。

1）工作工況：腳手架在6級～8級風作用下工作。

2）爬升工況：腳手架在6級風作用下爬升。

3）臺風工況：腳手架在10級風作用下，清除架體上部堆載，拆除頂端懸臂部分防風布并增加拉結措施。

本文通過改變荷載條件和邊界條件，分析不同工況下整體提升腳手架體的應力與變形響應。

1）工作工況：底部由附墻拉桿固定在結構上，中部與墻體設置1道硬拉結，約束架體的水平位移。

2）爬升工況：提升動力裝置固定到底部橫梁上，架體導軌與滾輪連接。

3）臺風工況：在原有硬拉結齊全的情況下，利用每層錨桿、預留孔洞、立柱對硬拉結進行加固。

架體荷載有3類：恒荷載、施工活荷載以及風荷載。

1）恒荷載為材料自重，鍍鋅圍板取8.2 kg/m2，鋼絲網片10.8 kg/m2，花紋鋼板取33.4 kg/m2，由模型自動計算。

2）風荷載按照式（1）計算[5]：

施工荷載按最上面3層走道板同時作業計算，分為工作工況、爬升工況和臺風工況。工作工況每層2 kN/m2，爬升工況每層0.5 kN/m2，臺風工況每層荷載為0。

3.2結果分析

3.2.1 工作狀態

在6級、8級風作用下，架體應力如圖4所示，6級風作用下架體最大拉應力為90.4 MPa，最大壓應力為84.5 MPa，8級風作用下架體最大拉應力為193.4 MPa，最大壓應力為183.0 MPa，均小于Q235型材強度設計值。因此，腳手架在工作狀態承載力滿足要求。

圖4 工作狀態6級、8級風架體應力包絡圖

在6級和8級風作用下，架體結構的變形如圖5所示，最大變形分別為11.2、23.3 mm，都發生在爬架最頂端中部，小于規范要求架體長度的1/300＝29.3 mm，因此腳手架在工作狀態變形滿足要求。

圖5 工作狀態6級、8級風變形包絡圖

3.2.2 爬升狀態

在6級風作用下，架體結構的應力如圖6所示，最大拉應力為58.7 MPa，最大壓應力為57.3 MPa。架體結構的變形如圖7所示，最大變形為10.0 mm。腳手架承載力和變形滿足要求。

圖6 爬升狀態6級風下架體應力包絡圖

圖7 爬升狀態6級風下架體變形包絡圖

3.2.3 臺風狀態

腳手架在10級風作用下，拆除頂端懸臂部分防風布并增加拉結措施后，架體結構應力如圖8所示，最大拉應力194.5 MPa，最大壓應力193.4 MPa。架體結構變形如圖9所示，最大變形為8.7 mm。腳手架承載力和變形滿足要求。

圖9 10級風作用下架體變形包絡圖

前述所做的力學分析，驗證了阻燃型組合式整體提升腳手架體系的力學性能，為這種新型腳手架體系的應用提供了必要的支撐。

4 工程應用

4.1工程概況

北外灘白玉蘭廣場項目位于上海市虹口區，是一個由五星級酒店、高智能化甲級辦公樓和復合型商業組成的超大規模的超高層建筑群。其中，辦公樓地面以上66層、高319.5 m，地下4層、高20.9 m，結構形式為鋼筋混凝土剪力墻核心筒＋勁性外框架＋勁性桁架，標準層高4.5 m，外包尺寸24 m×24 m。

4.2無線遙控阻燃式整體提升腳手架的應用情況

辦公塔樓外圍結構施工時，安裝附著升降腳手架作為圍護體系，從第4層開始安裝搭設（標高為18.00 m），其架體布置為10步11排、高19.8 m（1.8 m×10步＋1.8 m扶手），步距1.8 m，兩立桿間橫距≤1.5 m，寬度0.8 m，架體距結構邊線0.4 m，上下附著支承點支承在鋼結構梁上。

因辦公塔樓4個角部從4層至65層變化較大，故在布置附著升降腳手架提升機位時不在4個角部設置機位，其余4個面分別各布置10臺提升機位，形成4個獨立腳手架體系。兩機位間距（跨度）≤6.8 m，腳手架搭設最大跨度為4 400 mm，架體全高與支承跨度的乘積不大于110 m2（本次布置最大乘積為87.12 m2）。架體平面布置如圖10所示，腳手架立面如圖11所示。附著升降腳手架從第4層逐層提升至65層（標高為300.75 m），待結構施工完畢后附著升降腳手架在65層進行高空拆除。

圖10 機位平面布置

5 結語

新型腳手架體系標準化率高，外觀良好，防火性能強，防護強度高，安全性能好，社會和經濟效益良好[6]：

1）采用了模塊化設計方法，實現了腳手架體系雙維度的標準化設計與組裝，增強了在超高結構施工中的適應性，節省了大量材料，腳手架體系部件的重復使用率達95%以上，裝拆工效提高1倍。

圖11 腳手架立面示意

2）研發出基于火源隔離設計方法的標準化腳手架系統，提高了整體提升腳手架體系的防火阻燃能力，確保了超高空施工的防火安全性，增強了施工空間的封閉性。

3）研發出基于無線遙控控制方法的整體腳手架體系提升系統，提高了整體腳手架體系提升施工的智能化水平，確保了超高空施工安全。

4）改變了傳統的腳手架體系提升控制系統的控制線并聯接線方式，降低了接線的復雜程度，減少了接線工作量，且降低了火災發生的風險。

5）提高了機械化施工水平，降低了勞動力投入，加快了結構施工速度，降低了施工對周圍環境的影響。