异型卡式脚手架防坠落装置的设计与强度校验

吴碧金，王化峰，苏永新，钟文辉

(1.集美大学海洋装备与机械工程学院，福建 厦门 361021；2.厦门宝嘉达信息科技有限公司，福建 厦门 361004；3.福建省南铝铝模科技有限公司，福建 南平 353000)

0 引言

附着式升降脚手架通过附着支承结构附着在建筑结构上，在其上设置一定高度的外部脚手架，能够依靠自身配备的升降设备，根据施工需求在建筑结构上对脚手架进行升降。由于附着式升降脚手架具有操作简便、施工效率高、节省材料、施工成本低、改善施工环境、绿色环保等特点，近年来，已经被广泛地应用于高层建筑施工中[1]。在建筑脚手架安全技术规范中，规定了自动升降脚手架必须具备防倾覆、防坠落功能[2]。但在实际施工过程中，仍然时有发生脚手架坠落、倾覆等安全事故，造成人员伤亡和财产损失。防坠落装置作为脚手架的重要装置，起着非常重要的作用，因此，对其进行不断地改进以适应行业的发展是十分必要的[3]。附着式升降脚手架的防坠落装置常用的基本类型有摆针式、钢吊杆式、星轮式和楔块式[4-6]。但这些防坠落装置都有自身的缺陷，如：摆针式防坠落装置由于其结构尺寸原因导致制动距离过大；钢吊杆式防坠落装置易受到安装的影响而造成防坠距离过大；星轮式防坠落装置内设有弹簧，易受到施工现场如水泥、砂浆的侵蚀，以及弹簧自身失效而产生安全隐患。针对现有的附着式升降脚手架防坠落装置存在的不足，设计了一种异型卡式防坠落装置[7]。该装置的主要构件为多爪转子和异型卡子。

1 异型卡式防坠落装置的结构和工作原理

1.1 异型卡式脚手架防坠落装置的主要结构

附着式升降脚手架主要由架体、竖向主框架、水平支承框架、附墙支承装置、防坠落装置、提升装置和防护钢网7个部分组成，如图1所示(图中尺寸单位为mm)。

异型卡式防坠落装置安装在附墙支承装置内，如图2所示。防坠落装置由多爪转子、异型卡子、侧限位板、上限位板、销轴组成，如图3所示。多爪转子和异型卡子可以绕着销轴转动，多爪转子可以设计成4～6爪。异型卡子结构设计要点如下：

1)设有传动部和制动部，连接于销轴处，另一端分别延伸成“L”形；

2)传动部的内侧面拱起，形成配重；

3)制动部的外侧面远离销孔处，设计成曲面，以保证与多爪转子的爪子接触是面接触。

4)传动部和制动部中心线之间的夹角为90°～95°，如图4所示。

1.2 异型卡式脚手架防坠落装置的工作原理

升降脚手架具有三种工况：提升工况、下降工况和坠落工况。

1)提升工况

当升降脚手架的架体6处于提升工况时(慢速)，横拨杆7带动多爪转子1逆时针转动，其爪子沿异型卡子的弧形轨迹从右向左做配合运动。图5a)是多爪转子与异型卡子初始接触位置；图5b)—图5c)中，当多爪转子逆时针转动约20°，推动异型卡子逆时针转动约21°；图5d)中，当多爪转子继续逆时针转动约20°，此时异型卡子由于自重作用顺时针转动约10°；图5e)中，多爪转子继续逆时针转动，脱离弧形轨迹，而异型卡子在自重作用下与侧限位板配合回到初始位置，继续下一个循环运动。架体慢速提升过程中，多爪转子和异型卡子不会相互卡住，即防坠落装置不会影响架体持续慢速提升。

2)下降工况

当升降脚手架架体6处于下降工况时(慢速)，横拨杆7带动多爪转子1顺时针转动，其爪子沿异型卡子的弧形轨迹从左向右做配合运动。图6a)是多爪转子与异型卡子初始位置；图6b)～图6c)中当多爪转子顺时针转动约20°，推动异型卡子逆时针转动约10°；图6d)中，当多爪转子顺逆时针转动约20°，此时异型卡子由于自重作用顺时针转动约21°；图6e)中多爪转子继续顺时针转动脱离弧形轨迹，而异型卡子在自重作用下与侧限位板配合回到初始位置，继续下一个循环运动。架体慢速下降过程中，多爪转子和异型卡子不会相互卡住，即防坠落装置不会影响架体持续慢速下降。

3)坠落工况

当升降脚手架架体6处于坠落工况时(急速)，横拨杆7带动多爪转子1顺时针转动，其爪子沿异型卡子的弧形轨迹从左向右快速运动。图7a)是多爪转子与异型卡子初始位置；图7b)中，当多爪转子快速顺时针转动，多爪转子的前一个爪子碰撞异型卡子，推动异型卡子快速逆时针转动，异型卡子来不及复位，就被多爪转子的下一个爪子卡住；异型卡子被推动着继续快速逆时针转动，直至异型卡子传动部的外侧面与上限位板接触(限制向上转动)。异型卡子制动部的圆弧曲面与多爪转子的下一个爪子面面接触，多爪转子与异型卡子相互卡死，如图7c)所示。如此，防坠落装置卡住架体，阻止架体继续下降。

此防坠装置属于一次性产品。在发生坠落工况时，防坠装置发挥防坠作用后，整个防坠装置(包括多爪转子、异型卡子和上下限位板)报废，必须安装新的防坠装置。

2 异型卡式防坠落装置有限元分析

为了研究防坠落装置在升降脚手架坠落时的安全性能，借助Ansys有限元软件对脚手架主要构件进行应力校验。

1)多爪转子和异型卡子的材料为ZG310-570；屈服应力为310 MPa;抗拉强度为570 MPa[8]。

2)加载载荷

为保证防坠落装置的安全可靠性，验算防坠落装置承载力时，将一个机位整个架体的全部竖向载荷加载到单个附着支座上，则整个架体的全部竖向载荷为[9]：

N1=γ0γ3(γG∑NGik+γQ∑NQik)。

式中：N1为单个附着支座所承受的最大竖向载荷设计值，kN；γ0为结构系数，取1.1；γ3为冲击系数，取1.5；γG为恒载分项系数，取1.2；γQ为活载分项系数，取1.4；∑NGik为单个支座所承受的竖向恒载标准值总和，取30 kN；∑NQik为单个支座所承受的施工载标准值总和，根据JG/546—2019规定， ∑NQik=21.6 kN

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

3)有限元模型的建立

根据多爪转子和异型卡子的结构形状，为避免实体单元带来的奇异应力和局部应力集中，采用板壳单元进行模拟。当升降脚手架发生坠落时，多爪转子与异型卡子发生接触，销联结部位为轴对称约束，限制法向位移。根据接触后的受力情况建立有限元模型如表1所示。

表1 有限元模型

4)有限元分析结果

防坠落装置有限元分析结果如图9所示。

由图9a)可知：多爪转子的最大应力为199 MPa，发生在爪的根部。

由图9b)可知：异型卡子的最大应力为98 MPa，发生在制动部的圆弧外侧。

多爪转子和异型卡子的最大应力都远小于材料许用应力，满足要求。

3 结语

设计了一种结构特殊的异型卡式防坠落装置，并通过有限元分析进行了强度校验。验证结果表明该防坠落装置是安全可靠的。该防坠落装置具有以下特点。

1)安全可靠。异型卡子设计为弧形配重，保证异型卡子复位时总是向制动部偏转；设置了侧限位板，限制异型卡子向下转动位置，使得异型卡子复位位置一致，以保证工作时异型卡子与多爪转子可靠接触。异型卡子制动部的外侧面远离销孔处，设计成曲面，当架体坠落时，异型卡子与多爪转子形成面接触而相互卡死，强度大，可靠性高。

2)动作快而准确。多爪转子转动时，爪子的运动轨迹为弧形，配合侧限位板的限位，使得异型卡子运动过程摆动幅度小，定位快而准确。

3)防尘保护。所设置的上限位板和侧限位板，不仅限制异型卡子的摆动位置，还可以起到防尘和保护装置的作用。