淺析建筑施工腳手架垮塌的原因

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摘要：本文作者列舉了腳手架垮塌案的教訓(xùn),分析了腳手架垮塌的力學(xué)原因，供大家參考。 

關(guān)鍵詞：建筑施工；腳手架；垮塌；原因  abstract: in this paper, the author enumerates the scaffolding collapse case lesson, and analyzes the scaffold collapse mechanical reasons, for your reference.  key words: construction; scaffold; collapse; reason  中圖分類號(hào):tu392 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a 文章編號(hào)：2095-2104（2012）  由于腳手架的構(gòu)建和使用不當(dāng),造成了許多腳手架垮塌事故,發(fā)生了大量的人身傷亡和設(shè)備損壞事故,對(duì)人們的生命和財(cái)產(chǎn)造成了不可估量的損失。  1．建筑工程施工中腳手架垮塌的重大事故案例  近年來,在建筑工程施工過程中發(fā)生的重大安全責(zé)任事故層出不窮,有的是建筑工地上的施工升降機(jī)發(fā)生墜落,有的是在建筑工地上的塔機(jī)倒塌和腳手架垮塌,有的是在建筑施工過程中建筑物垮塌,有的是在開挖建筑物的基坑時(shí),由于邊坡塌滑造成工程事故。由于現(xiàn)場(chǎng)施工者施工組織混亂和施工過程操作不當(dāng)造成的重大安全事故屢見不鮮,而一般的工程事故則比比皆是。下面僅針對(duì)腳手架垮塌事故,列舉一些重大事故案例引以為誡。  1.1 2004年5月12日上午9時(shí)20分,位于河南安陽信益電子玻璃有限責(zé)任公司剛剛竣工的68m高煙囪施工工程,在準(zhǔn)備拆除煙囪四周腳手架時(shí),腳手架突然從63 m高處垮塌, 30名正在施工的民工全部翻下墜落,造成21人死亡, 9人受傷的嚴(yán)重事故。  1.2 2005年9月5日晚10時(shí)10分,位于北京西單的西西工程4號(hào)地綜合樓工地發(fā)生腳手架垮塌,造成3人死亡, 21人受傷的嚴(yán)重事故。  1.3 2007年7月1日上午8點(diǎn)30分左右,杭州市桐廬縣經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)一建筑工地發(fā)生腳手架垮塌事故,正在腳手架上作業(yè)的4名建筑工人墜落后, 1人死亡, 3人受傷。  1.4 2008年5月9日14時(shí)45分許,位于黑龍江省牡丹江市太平路時(shí)代廣場(chǎng)附近,一墻體裝修工程的腳手架突然垮塌,當(dāng)場(chǎng)造成3人死亡, 3人受傷的重大事故。  1.5 2008年7月11日上午11時(shí)許,施工中的重慶軌道交通兩路口換乘車站工程高約20 m的腳手架突然發(fā)生垮塌, 20余名工人被埋,由此造成1人死亡、15人受傷,數(shù)人輕傷的嚴(yán)重事故。  以上事實(shí),應(yīng)該足以引起與建筑工程施工過程相關(guān)的方方面面的各類人員的重視,以人為本,科學(xué)構(gòu)建和使用腳手架,保證建筑施工人員的生命安全,堅(jiān)決杜絕腳手架垮塌事故的不斷發(fā)生。  2．腳手架垮塌的力學(xué)原因分析  如此之多的建筑施工腳手架垮塌事故不時(shí)發(fā)生,必須究明深層次的力學(xué)原因,采取相應(yīng)的對(duì)策,防止事故的頻繁發(fā)生。  2.1 建筑腳手架的幾何組成不合理  建筑工程上常用的腳手架,在《結(jié)構(gòu)力學(xué)》中可視為桿系結(jié)構(gòu)。桿系結(jié)構(gòu)是由若干個(gè)桿件互相聯(lián)結(jié)所組成的體系,并與地基聯(lián)結(jié)成一整體,用來承受荷載的作用。桿系結(jié)構(gòu)必須保持自己原有的幾何形狀和位置,才能確保承受荷載和體系穩(wěn)定。水利水電與土建工程中使用的腳手架,如果幾何形狀和位置可以改變,當(dāng)工人在腳手架上施工時(shí),腳手架就可能失去穩(wěn)定而垮塌,造成工傷事故。在上述列舉的數(shù)例腳手架垮塌事故中,有的就是因?yàn)楣と嗽诖罱_手架時(shí),沒有按照幾何不變體系的組成規(guī)律來搭建,從而致使腳手架垮塌。當(dāng)然,腳手架也可能是按照幾何不變體系的組成規(guī)律搭建的,但是,腳手架是由若干個(gè)連接件拼接起來的,在腳手架承載荷載時(shí),也可能由于一個(gè)或者幾個(gè)連接件的損壞,使腳手架體系由原來的幾何不變體系而改變成幾何可變體系招致腳手架垮塌的。  那么,什么是幾何不變體系呢?結(jié)構(gòu)力學(xué)中把桿件組成的體系分為兩類:一類體系是在任何情況下,它原有的幾何形狀和位置都不改變,稱為幾何不變體系；一類是稍微受到外界的干擾,體系的幾何形狀和位置就要發(fā)生很大的改變,這類體系稱為幾何變體系。在建筑工程中使用的腳手架,只能是幾何不變體系,不能使用幾何可變體系。有的腳手架的垮塌,是由于組成腳手架的體系是幾何可變的原因。  怎樣才能組成幾何不變的腳手架體系呢,這必須基于組成平面幾何不變體系的3個(gè)規(guī)則。在結(jié)構(gòu)體系中,把組成結(jié)構(gòu)體系的單個(gè)構(gòu)件看作剛片(在空間體系中則視為剛體)。簡(jiǎn)單說來,剛片(或剛體)就是受力后不變形的固體。組成平面幾何不變體系的3個(gè)簡(jiǎn)單規(guī)則如下。  2.1.1 兩剛片的組成規(guī)則  規(guī)則一:兩剛片用不全交于一點(diǎn)也不全平行的3根鏈桿相聯(lián)結(jié),則所組成的體系是幾何不變的,如圖1(b)和(c)所示。也可用一個(gè)鉸(或者虛鉸)和一根不通過該鉸的鏈桿聯(lián)結(jié)兩個(gè)剛片組成幾何不變體系,如圖1(a)所示。  2.1.2 三剛片的組成規(guī)則  規(guī)則二:三剛片用不在同一直線上的三個(gè)鉸(或者虛鉸)依次兩兩相聯(lián),則所組成的體系是幾何不變的,如圖2(a), (b)和(c)所示。    2.1.3 二元體規(guī)則  在剛片上的a, b二點(diǎn)分別聯(lián)出不在一條直線上的兩根鏈桿ac與bc,使其相交于c,組成一個(gè)新的結(jié)點(diǎn)c,這種構(gòu)造就稱為二元體,如圖3(a)所示的a-c-b。二元體為一幾何不變的單元。規(guī)則三:在一個(gè)剛片(或體系)上增加或拆除二元體,不影響原剛片(或體系)的幾何性質(zhì),如圖3所示。  應(yīng)用以上三條簡(jiǎn)單規(guī)則,就可以組成幾何不變的腳手架。再復(fù)雜的幾何不變體系,都可以按照兩個(gè)剛片、三個(gè)剛片或者按照二元體組成規(guī)則構(gòu)建成幾何不變體系,反復(fù)應(yīng)用上述三條規(guī)則,就可逐步組成更為復(fù)雜的幾何不變的腳手架體系。對(duì)已構(gòu)建的腳手架,也可以應(yīng)用這3個(gè)規(guī)則進(jìn)行幾何組成分析,看腳手架是否是幾何不變體系。在垮塌的腳手架中,有的就是由于腳手架是幾何可變體系(或者某個(gè)構(gòu)件破壞失效后使腳手架成為幾何可變體系)致使腳手架垮塌的。  2.2 由于組成腳手架桿件材料的強(qiáng)度不足致使腳手架垮塌強(qiáng)度就是材料抵抗破壞的能力。如果一個(gè)構(gòu)件的強(qiáng)度是足夠的,構(gòu)件就不會(huì)破壞,反之,強(qiáng)度不夠,構(gòu)件就會(huì)發(fā)生破壞。在前述的腳手架垮塌造成的重大事故中,有的就是由于承擔(dān)腳手架荷重的一個(gè)桿件或者幾個(gè)桿件的強(qiáng)度不足而造成的。分析桿件的強(qiáng)度必須從構(gòu)件的受力和材料的力學(xué)性能兩方面入手,才能得到正確的結(jié)論。分析的載體是腳手架體系和腳手架中的構(gòu)件,這里可以是腳手架中的桿件。其分析過程如下:構(gòu)件的外力分析→構(gòu)件的內(nèi)力分析→構(gòu)件的應(yīng)力分析→材料的強(qiáng)度指標(biāo)。最后,得出桿件的強(qiáng)度條件如下:  式中σmax和τmax分別代表構(gòu)件工作時(shí)在簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)下的最大正應(yīng)力和最大切應(yīng)力,單位mpa;[σ]和[τ]分別代表腳手架構(gòu)件材料的許用正應(yīng)力和許用切應(yīng)力,單位mpa。腳手架的突然垮塌,從力學(xué)角度上可以簡(jiǎn)單地認(rèn)為是承擔(dān)腳手架荷重的某個(gè)桿件內(nèi)的最大工作應(yīng)力超過了材料的許用正應(yīng)力,致使該構(gòu)件破壞失效后造成的。很多建筑工程施工技術(shù)人員和管理人員沒有充分認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)。工程中的腳手架可以看作為一桁架系統(tǒng),如果某個(gè)桿件的強(qiáng)度不足而致使該根桿件喪失承載能力,就會(huì)引起腳手架體系中各個(gè)桿件應(yīng)力變化的連鎖反映,那么,其余桿件的內(nèi)部應(yīng)力急劇增大而致使其余桿件破壞,最終致使整個(gè)腳手架突然垮塌。  強(qiáng)度不足引起腳手架垮塌,也可能是由于組成腳手架系統(tǒng)的某個(gè)連接件的破壞,致使該根桿件的聯(lián)結(jié)作用失效引起的。因?yàn)橐粋€(gè)連接件或者幾個(gè)連接件的破壞,可以改變腳手架體系的幾何組成性質(zhì),使原來為幾何組成為不變的腳手架改變?yōu)閹缀谓M成為可變的腳手架,因此,必然會(huì)引起腳手架的突然垮塌。  2.3 由于腳手架的受壓直桿失穩(wěn)會(huì)造成腳手架的突然垮塌  腳手架的突然垮塌,有可能就是由于組成腳手架的某個(gè)受壓直桿突然失穩(wěn)造成腳手架垮塌的。歷史上由于對(duì)受壓直桿突然失穩(wěn)造成破壞認(rèn)識(shí)不清,造成許多大橋坍塌的事故。例如, 1907年北美魁北克圣勞倫斯河上一座長(zhǎng)548 m的鋼橋在施工中突然垮塌；2007年4月5日下午韓國(guó)南部一座正在興建的大橋突然發(fā)生坍塌,正在現(xiàn)場(chǎng)工作的10多名工人當(dāng)場(chǎng)被埋在橋下,造成5死7傷的嚴(yán)重事故,其原因就是某些受壓桿件在穩(wěn)定方面出了問題。所以,腳手架的突然垮塌,有一部分是壓桿失穩(wěn)造成的。所謂壓桿失穩(wěn),就是本來挺直的壓桿,當(dāng)其所受的軸向壓力超過桿件所能承受的某一極限值(臨界力)時(shí),將突然彎曲折斷,致使腳手架突然垮塌。  3．結(jié)論  在上面列舉的數(shù)起腳手架突然垮塌的重大施工安全事故中,這些原因是破壞的起因、是事件發(fā)生的導(dǎo)火索,但是,最終都可以歸結(jié)為腳手架的失穩(wěn)。只有失穩(wěn)破壞才會(huì)直接、突然、沒有緩沖的時(shí)間,其破壞的危害性很大,我們的目的就是要充分認(rèn)識(shí)到腳手架失穩(wěn)垮塌的力學(xué)原因、極大危害性,采取可靠措施,防止和杜絕腳手架的突然垮塌。  參考文獻(xiàn):  [1]干光瑜,秦惠民.材料力學(xué)[j].北京:高等教育出版社, 2002.  [2]李家寶.結(jié)構(gòu)力學(xué)[j].北京:高等教育出版社, 2002.  [3][美] hibbeler (希伯勒)r. 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