核心筒施工用悬挂式缓冲型高坠防护系统及设计方法与流程

1.本发明属于建筑施工防护领域，具体涉及一种核心筒施工用悬挂式缓冲型高坠防护系统及设计方法。


背景技术：

2.超高层建筑施工时高空坠物和人员坠落是建筑业安全事故发生的最大源头之一，辅助施工的模架结构整体垮塌、建筑材料坠落、人员坠落等事故常有发生，造成了大量的经济损失和人员伤亡，施工时的防护措施非常重要。
3.目前，超高层建筑结构核心筒施工时多采用集成化钢平台、整体爬升模架系统、整体顶升模架系统进行辅助施工。相关研究人员针对这些设备提出了一些先进的锚固措施、防坠措施以及防护措施，但多为主动措施，容错率低，一旦发生事故往往会产生严重后果，因此有必要辅以被动防护措施。柔性防护系统一般由支撑结构、金属拦截网、耗能装置、拉锚结构四个部分组成，通过合理的设计和配置，能够耗散上万千焦冲击能量，已经广泛应用于崩塌落石、雪崩、泥石流、碎屑流等地质灾害防护中，其具有轻质高强、施工便捷、易于维护等特性，非常适合用于超高空的施工作业防护。据此，基于柔性防护系统的设计理念，针对超高层建筑结构核心筒施工防护设计高坠防护系统具有切实可行的技术条件及重大的施工防护意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种核心筒施工用悬挂式缓冲型高坠防护系统及设计方法，以解决高层建筑核心筒施工高坠的问题。
5.为实现本发明目的，采用的技术方案为：一种核心筒施工用悬挂式缓冲型高坠防护系统，包括柔性网片、转换框架、环形挂网绳、一级耗能器、二级耗能器、一级拉力传感器、二级拉力传感器、过绳槽、拉锚绳、升降索、柔性垫；
6.所述转换框架为多边形框架，且每个边均设置有所述环形挂网绳和多个过绳槽，环形挂网绳绕设在两过绳槽之间；柔性网片连接在所有环形挂网绳之间，柔性垫铺设在柔性网片上；每个环形挂网绳均设置有所述一级耗能器和一级拉力传感器；拉锚绳和升降索均为分布在转换框架上的多个，每个拉锚绳上均设置有二级耗能器和二级拉力传感器。
7.本防护系统有两级耗能机制与两级监测机制：当发生高坠事故时，柔性网片拦截坠落体并将力传递至环形挂网绳，环形挂网绳受力向中部收缩并启动与之相连的一级耗能器，从而第一次耗散冲击能量，同时将力传给转换框架，再传至拉锚绳，从而启动拉锚绳上的二级耗能器进行第二次耗能；通过环形挂网绳上的一级拉力传感器和拉锚绳上的二级拉力传感器实时数据可对事故规模进行初步判定。
8.防护系统与核心筒尺寸适配，并采用施工模架系统的预埋锚点，同时可通过升降索与模架系统实现同步升降。
9.作为进一步可选方案，所述柔性网片通过卸扣与环形挂网绳的一侧连接，一级耗
能器和一级拉力传感器分别通过卸扣接入环形挂网绳的另一侧。
10.作为进一步可选方案，所述柔性垫为上下两层，上层的柔度大于下层的柔度，下层的刚度大于上层的刚度。
11.作为进一步可选方案，所述转换框架由四根型钢构件焊接而成，每根型钢构件两端部的下表面分别焊接所述过绳槽。
12.作为进一步可选方案，所述转换框架上固定有多个用于连接拉锚绳和升降索的框架连接件，框架连接件包括两块c型板和将两块c型板固定连接的连接件螺栓，两块c型板的开口相对并紧固在转换框架的上下两侧，上侧的c型板具有连接件耳板。
13.作为进一步可选方案，所述过绳槽包括两块夹板和固定在两夹板之间的槽体，槽体的外周面为内凹的弧形面，两夹板间还固定有位于槽体外的限位板。
14.作为进一步可选方案，所述拉锚绳的上端连接所述二级拉力传感器，二级拉力传感器的上端连接有用于与墙体内预埋件连接的锚固件。
15.作为进一步可选方案，所述锚固件为由两块钢板焊接形成的t型构件，两块钢板分别设置有用于连接墙体内预埋件的锚固件高强螺栓和与二级拉力传感器连接的锚固件连接孔。
16.本发明还提供了一种核心筒施工用悬挂式缓冲型高坠防护系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
17.s1.进行防护系统与模架系统适配设计：
18.设计初始防护高度h1：h1＝a1+a2+a3，其中，a1是二级拉力传感器竖向投影长度，a2是二级耗能器竖向投影长度，a3是拉锚绳竖向投影长度；
19.根据模架系统设计升降索长度l1：l1＝h2，其中，h2是模架系统锚固点到防护系统转换框架的距离；
20.根据核心筒大小设计转换框架的长度c和宽度b：c＝x-t，b＝y-t，其中，x是核心筒的长边长度，y为核心筒的短边长度，t为核心筒与转换框架间的间隙；
21.s2.进行防护系统设计：
22.根据模架系统重量m及模架系统重心到防护系统距离h3确定设计防护能级：es＝mgh3，其中，g为重力加速度；
23.根据转换框架的长度和宽度确定柔性网片的大小，并结合设计防护能级确定柔性网片的网环圈径，柔性网片的顶破破断力fb应该满足：fb＞fc，其中，fc是坠落体与柔性网片的冲击接触力；
24.根据转换框架的长度l3及环形挂网绳最大内力f
1max
、拉锚绳最大内力f
2max
设计转换框架截面大小：
[0025][0026]
其中，m
x
和my分别为f
1max
和f
2max
共同作用下转换框架截面x和y方向所产生的弯矩，为转换框架截面绕强轴的稳定系数，γy是对弱轴的截面塑性发展系数，f为钢材的抗拉、抗压和抗弯强度设计值，根据w
x
和wy并结合所选截面形式，即可确定截面尺寸；
[0027]
根据设计防护能级设计一级耗能器启动力s1和二级耗能器启动力s2,并根据启动
力大小分别选取相应型号的耗能器：
[0028]es
＝4(e1+e2)
[0029]
e1＝n1s1·
δl
1 e2＝n2s2·
δl2[0030]
其中，e1、e2分别为每组一级耗能器和每组二级耗能器最大耗能能级，同一根绳索(拉锚绳或环形挂网绳)上所有耗能器为同一组，n1、n2分别为每组一级耗能器和每组二级耗能器耗能单元个数，δl1、δl2分别为每组一级耗能器和每组二级耗能器耗能单元的最大行程；
[0031]
根据一级耗能器启动力s1和二级耗能器启动力s2选择量程适配的一级拉力传感器和二级拉力传感器。
[0032]
根据转换框架截面大小设计适配的框架连接件与过绳槽，根据拉锚绳内力f2设计适配的锚固件。连接件耳板等开孔板件应进行净截面抗拉强度验算、端部截面抗拉强度验算、抗剪强度验算，螺栓应进行抗剪及抗拉验算。
[0033]
本发明的有益效果是：本防护系统悬挂于核心筒施工模架下方，能随施工模架共同升降，并可与数据采集监测系统相连，可对核心筒施工时的高空坠物和人员坠落进行有效防护并预警。本发明使用轻便快捷、适配性强、防护能力大，可有效防治核心筒施工高坠事故。
附图说明
[0034]
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解的是，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0035]
图1是本发明实施例提供的核心筒施工用悬挂式缓冲型高坠防护系统的结构示意图；
[0036]
图2是本发明实施例提供的核心筒施工用悬挂式缓冲型高坠防护系统中转换框架单边处的连接节点详图；
[0037]
图3是本发明实施例提供的两级耗能和两级监测传力示意图；
[0038]
图4是本发明基于两级耗能和两级监测的事故等级判别图；
[0039]
图5是本发明实施例提供的核心筒施工用悬挂式缓冲型高坠防护系统中过绳槽处的结构示意图；
[0040]
图6是本发明实施例提供的核心筒施工用悬挂式缓冲型高坠防护系统中框架连接件的结构示意图；
[0041]
图7是本发明实施例提供的核心筒施工用悬挂式缓冲型高坠防护系统中锚固件的结构示意图；
[0042]
图8是本发明实施例提供的核心筒施工用悬挂式缓冲型高坠防护系统安装后的状态示意图；
[0043]
图9是本发明实施例相关尺寸标注图；
[0044]
图10是本发明实施例所述防护系统伴随顶升模架系统上升过程示意图；
[0045]
附图标记：1-柔性网片，2-转换框架，3-环形挂网绳，401-一级耗能器，402-二级耗能器，501-一级拉力传感器，502-二级拉力传感器，6-过绳槽，601-槽体，602-夹板，603-限
位板，7-框架连接件，701-连接件螺栓，702-c型板，703-连接件耳板，8-拉锚绳，9-锚固件，901-锚固件高强螺栓，902-锚固件连接孔，10-升降索，11-柔性垫，12-卸扣，13-整体顶升模架系统，14-防护系统，15-核心筒墙体，16-模架系统顶升支座。
具体实施方式
[0046]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。可以理解的是，附图仅仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。附图中显示的连接关系仅仅是为了便于清晰描述，并不限定连接方式。
[0047]
需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件时，它可以是直接连接到另一个组件，或者可能同时存在居中组件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
[0048]
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。
[0049]
图1至图10示出了本发明提供的核心筒施工用悬挂式缓冲型高坠防护系统，包括柔性网片1、转换框架2、环形挂网绳3、一级耗能器401、二级耗能器402、一级拉力传感器501、二级拉力传感器502、过绳槽6、拉锚绳8、升降索10、柔性垫11；
[0050]
所述转换框架2为多边形框架，且每个边均设置有所述环形挂网绳3和多个过绳槽6，环形挂网绳3绕设在两过绳槽6之间；柔性网片1连接在所有环形挂网绳3之间，柔性垫11铺设在柔性网片1上；每个环形挂网绳3均设置有所述一级耗能器401和一级拉力传感器501；拉锚绳8和升降索10均为分布在转换框架2上的多个，每个拉锚绳8上均设置有二级耗能器402和二级拉力传感器502。
[0051]
为了方便安装、拆除、维修和养护，柔性网片1通过卸扣12与环形挂网绳3的一侧连接，一级耗能器401和一级拉力传感器501分别通过卸扣12接入环形挂网绳3的另一侧。柔性网片1可由金属钢丝、纤维材料等编制而成。
[0052]
柔性垫11为上下两层，上层的柔度大于下层的柔度，下层的刚度大于上层的刚度，图中未示出。为了减小人员坠落时的伤害并防止小体积尖锐物体穿过柔性网片1，柔性垫11应满铺在柔性网片1上，图中未铺满示意，并且柔性垫11分为两层，上层柔度较大，可有效减小人员坠落伤害，下层刚度较大，可有效防止小体积尖锐物体穿过柔性垫11并穿过柔性网片1的网环坠落。
[0053]
为了防止转换框架2屈曲、提高系统的承载能力并减轻系统重量，转换框架2由四根型钢构件焊接而成，每根型钢构件两端部的下表面分别焊接所述过绳槽6。型钢构件选用方型、矩型等稳定承载能力较高的截面。
[0054]
为了实现装配式连接，转换框架2通过框架连接件7与拉锚绳8连接，转换框架2上固定有多个用于连接拉锚绳8和升降索10的框架连接件7，框架连接件7包括两块c型板702和将两块c型板702固定连接的连接件螺栓701，两块c型板702的开口相对并紧固在转换框架2的上下两侧，上侧的c型板702具有连接件耳板703。每个框架连接件7连接一拉锚绳8和升降索10。
[0055]
为了方便环形挂网绳3与转换框架2相连，每根型钢构件两端部下表面焊接过绳槽6。过绳槽6包括两块夹板602和固定在两夹板602之间的槽体601，槽体601的外周面为内凹的弧形面，两夹板602间还固定有位于槽体601外的限位板603。为了实现环形挂网绳3受力后绕过绳槽6滑移，槽体601应有足够大的转弯半径，且表面应为光滑弧形；为了防止支撑绳滑移时脱离预设轨道，至少设置一个限位板603；为了避免环形挂网绳3滑移时被割断，夹板602与限位板603的棱边应倒圆角。
[0056]
拉锚绳8的上端连接所述二级拉力传感器502，二级拉力传感器502的上端连接有用于与墙体内预埋件连接的锚固件9。为了利用模架系统的墙体内预埋件进行锚固，锚固件9为由两块钢板焊接形成的t型构件，两块钢板分别设置有用于连接墙体内预埋件的锚固件高强螺栓901和与二级拉力传感器502连接的锚固件连接孔902。
[0057]
为了实现两级耗能，环形挂网绳3带有一级耗能器401，拉锚绳8带有二级耗能器402，当高坠体冲击能量较小时，柔性网片1拦截坠落体并将力传递至环形挂网绳3，环形挂网绳3受力向中部收缩并启动与之相连的一级耗能器401从而实现第一级耗能，此时拉锚绳8上的力较小，与之相连的二级耗能器402不启动；当高坠体冲击能量较大时，柔性网片1拦截坠落体并将力传递至环形挂网绳3，环形挂网绳3受力向中部收缩并启动与之相连的一级耗能器401从而第一次耗散冲击能量，同时将力传给转换框架2再传至拉锚绳8，从而启动拉锚绳8上的二级耗能器402实现二次复合耗能。
[0058]
为了实现两级监测，环形挂网绳3带有一级拉力传感器501，拉锚绳8带有二级拉力传感器502，可根据实时监测数据将高坠事故分为四个等级，并及时响应：当所有一级拉力传感器501测得内力f1均小于一级耗能器401启动力s1时，说明一级耗能器401均未启动，此时发生事故多为小型物件坠落，只需定期清理即可，此类微小事故即为一级事故；当部分一级拉力传感器501测得内力f
1i
约等于一级耗能器401启动力s
1i
，同时所有二级拉力传感器502测得内力f2均小于二级耗能器402启动力s2时，说明部分一级耗能器401启动但未达到极限行程，且二级耗能器402均未启动，此时事故多为中大型物件坠落、大规模小型物件坠落或者少数人坠落，应暂停相关施工工作、及时组织救援、更换启动过的一级耗能器401，此类一般事故即为二级事故；当部分一级拉力传感器501测得内力f
1i
大于一级耗能器401启动力s
1i
，同时部分二级拉力传感器502测得内力f
2i
约等于二级耗能器402启动力s
2i
时，说明部分一级耗能器401到极限行程，同时部分二级耗能器402启动，此时事故多为模架系统部分垮塌坠落、大规模中大型物件坠落或多人坠落，应全面停止施工工作、及时组织进行救援、全面检修模架系统和防护系统14，此类重大事故即为三级事故；当所有一级拉力传感器501测得内力f
1i
均大于一级耗能器401启动力s
1i
，同时部分二级拉力传感器502测得内力f
2i
大于二级耗能器402启动力s
2i
时，说明所有一级耗能器401达到极限行程，同时部分二级耗能器402达到极限行程，此时事故多为模架系统整体垮塌坠落，应紧急抢险救援，此类特别重大事故即为四级事故。
[0059]
为了适配施工模架系统，降低成本，柔性防护系统采用施工模架系统的预埋锚点，并通过升降索10与模架系统同步升降。施工模架系统正常工作时或顶升、爬升时，防护系统14锚固在预埋件上，处于防护状态；施工模架系统顶升或爬升完毕后，将防护系统14锚固点的锚固件高强螺栓901取下，此时防护系统14退出工作，将升降索10与施工模架系统的顶升支架连接，防护系统14随顶升支架整体上升一层并锚固在该层预埋件上重新恢复工作状
选择量程适配的一级拉力传感器501和二级拉力传感器502。
[0071]
最终选取适配的绳索和拉锚连接构件：根据环形挂网绳3最大内力f
2max
＝237kn，选挂网绳规格为1φ22，该规格钢丝绳的最小破断拉力为284kn，根据拉锚绳8最大内力f
2max
＝105.7kn，选钢丝绳规格为1φ18，规格钢丝绳的最小破断拉力为191kn，满足验算要求；根据拉锚绳8内力f2，将规格300
×
300
×
25mm和150
×
150
×
25mm的钢板焊接形成t型锚固件9，并均留有直径为50mm的孔洞，其中一块钢板带有锚固件高强螺栓901用于与预埋件栓接，另一块钢板带有锚固件连接孔902与拉锚绳8上的传感器连接；
[0072]
根据转换框架2截面大小，选取两块能够紧固在250
×
250
×
8mm转换框架2上的c型构件，为了实现环形挂网绳3受力后绕过绳槽6滑移；槽体601选取有足够大的转弯半径，且表面应为光滑弧形；为了避免形挂网绳滑移时被割断，选取250
×
250
×
12mm的夹板602与250
×
80
×
12mm的限位板603，棱边应倒圆角；连接件耳板703等开孔板件经过净截面抗拉强度验算σ＝n/an≤f均满足要求，即端部截面抗拉强度也满足要求，抗剪强度验算通过构造措施加以解决限制，端距e1取100mm，由螺栓直径d0为50mm，可知满足公式e1≥2d0以避免因受螺栓挤压而被剪断，摩擦型高强度螺栓根据钢结构设计标准中的公式和进行抗剪及抗拉验算均满足要求。
[0073]
根据图3所示两级耗能和两级监测传力示意图，进一步说明本发明所述一种核心筒施工用悬挂式耗能型高坠防护系统及其设计方法两级耗能机制与两级监测机制的具体流程：当发生高坠事故时，为了减小人员坠落时的伤害并防止小体积尖锐物体穿过柔性网片1，所述柔性垫11应该满铺在柔性网片1上并分为两层，上层柔度较大，可有效减小人员坠落伤害，下层刚度较大，可有效防止小体积尖锐物体穿过柔性垫11并穿过柔性网片1的网环坠落，柔性垫11与柔性网片1拦截高坠物并将力传递至环形挂网绳3，环形挂网绳3受力向中部收缩并启动与之相连的一级耗能器401从而第一次耗散冲击能量，同时将力传给转换框架2再传至拉锚绳8从而启动拉锚绳8上的二级耗能器402进行第二次耗能；通过环形挂网绳3上的一级拉力传感器501和拉锚绳8上的二级拉力传感器502实时数据可对事故规模进行初步判定。
[0074]
如图10所示，模架系统顶升支座16锚固在核心筒第10层预埋件上，防护系统14锚固在核心筒第8层预埋件上，当模架系统顶升完成后，取下模架系统顶升支座16与防护系统14的锚固件高强螺栓901，挂上升降索10，防护系统14退出工作状态。此时，液压油缸提升模架系统顶升支座16，防护系统14通过升降索10牵引随模架系统顶升支座16上升一层，完成上升后，顶升支座锚固在第11层，防护系统14锚固在第9层，防护系统14重新进入工作状态。
[0075]
本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。