鋁合金附著式升降腳手架創新設計研究

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

隨著我國經濟的不斷發展，城市用地越來越緊缺，近年來，高層和超高層建筑已經成為新建建筑的主要形式。在施工設備方面，傳統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并依附于建筑物主體，便可隨著工程結構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而下降。鋁爬架與傳統鋼爬架相比具有很多明顯的優點，如節能、安全、經濟和高效率。節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，結構穩定性和安全性比全鋼爬架更高，經濟指架體輕、運輸成本低、使用過程中低消耗、利用率高、節約成本，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，為了更好地發展和推廣，本文用鋁爬架對比傳統鋼爬架，對鋁爬架的創新設計進行了更加具體的分析研究。

1 架體基本構成

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構均采用鋁合金型材制作，包括豎向主框架、水平支撐桁架、架體結構、剪刀撐、防護網等，導軌支座(含防傾裝置、防墜裝置、卸荷裝置)、升降動力系統等采用鋼材制作，架體基本構成見圖1。

2 架體輕量化設計分析

2.1 內力計算方法

利用結構力學求解器對鋁合金附著式升降腳手架架體進行內力和變形計算，作用荷載按規范要求取值，內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 鋁合金架體基本構成

圖2 桿件編碼

桿強度驗算按式(1)計算，桿的穩定性驗算按式(2)計算，外力桿穩定承載力驗算按式(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 分析結果

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

表1 豎向主框架各工況桿件內力

經過驗算得出，升降工況下鋁合金附著式升降腳手架架體桿件強度、穩定性和撓度均遠低于規范要求，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 防護網外力桿創新分析

一體擠壓成型兩側對稱布置C型卡槽的豎向外力桿，通過M14的螺栓及連接桿實現相互之間的連接，將梯形防護網直接插裝到卡槽內，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鋼爬架的對比如圖3所示。

(a)梯形防護網

(b)米字框防護網

圖4 米字框防護網

圖5 梯形網片的搭接方式

1)防護網采用梯形網，與傳統的米字框防護網(見圖4)相比，安裝方便、自重小，同時結構科學、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系數，梯形網的搭接方式如圖5所示。

2)外力桿為一體擠壓成型兩側對稱布置C型卡槽的豎立桿(見圖6)，可以將防護網直接插裝到卡槽內，提高了架體的整體性，使作業環境更加封閉，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

4.1 提升系統

附著式升降腳手架根據動力系統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，電動葫蘆是目前市場應用最多的動力系統，原因是操作簡單、可靠，適應復雜的施工現場，經濟效益高。由于鋁合金附著式升降腳手架的架體輕量化設計，相比傳統鋼爬架大大減少了提升所需動能，節約能耗近50%，提高了經濟效益。

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，升降到位后需要轉移葫蘆。偏心提升式由于電動葫蘆設置在架體外側，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萬達廣場項目及青島蘭東安置區二期項目的應用(見圖7)，得出架體安裝用工量為傳統鋼爬架的50%，架體提升時機位重量為1.0～1.2 t，充分體現出了鋁合金附著式升降腳手架重量輕、能耗低、承載力大、結構穩定的特點。

圖6 豎立桿

圖7 青島蘭東安置區二期項目圖

6 結 語

鋁合金附著式升降腳手架對比傳統鋼爬架，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，節約能源，實現綠色環保無污染，極大地改善了生產作業環境，提升了工地形象。同時對防護網和外力桿進行結構創新優化設計，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，有效做到節能、節材、降低成本。

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