已翻考虑空气阻力的底层水平防护架宽度的研究样本

资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。考虑空气阻力的底层水平防护架宽度的研究摘要:随着中国高层建筑大量增加,施工过程中高处坠物事故越来越多,越来越严重。防止高处坠物的一个可行方法是在建筑底层搭设水平防护架,其宽度成为一个受关心的问题。当前建筑施工中对多层、高层建筑情况下的水平防护架宽度有了一套较为简单的规定,但缺乏理论性研究,且对超高层建筑情况的规定尚不明确。经过理论分析,求出考虑空气阻力影响下,高处坠物散布范围与坠物高度的关系,并给出底层水平防护架宽度取用表格和简化计算公式,以供施工参考。关键词:高处坠物,散布范围,防护宽度,空气阻力,施工中图分类号:TU745.1 文献标志码:A 文章编号:ResearchontheWidthofHorizontalProtectiveScaffoldontheGroundFloorundertheAirResistanceABSTRACT:Withourcountry’smassiveincreaseofhigh-risebuildings,theaccidentsoffallingobjectsduringconstructionarebecomingmoreandmoreserious.Afeasibleapproachtoavoidfallingobjectsistosetupaprotectiveplateonthegroundfloorofthebuilding.Andthewidthofhasattractedconsiderableconcerns.Althoughpeoplehaveworkedoutsomebasicrulesforthewidthofaprotectiveplateofmultiple-layerorhigh-risebuildingsforpresentconstruction,butthoseruleslacktheoreticalresearch,andtherearestillsomeshortageofclearanddefiniteregulationsforasuperhigh-risebuilding.Forconstructionreference,thisarticleisgoingtofindtherelationbetweenthespreadingrangeandheightoffallingobjects,andfigureouttheconstructiondatatableandsimplifiedcalculatingformulaofthewidthoftheprotectiveplatebywayoftheoreticalanalysiswhileconsideringtheinfluenceofairresistance.KEYWORDS:Fallingobjects,Spreadingrange,thewidthoftheprotectiveplate,Airresistance,Construction1绪论随着中国改革开放的深入,多层建筑已不能满足国家发展的需要,高层建筑如雨后春笋大量出现,超高层建筑也越来越多,对高处作业的重视程度也越来越高。高处作业往往伴随着高处坠物等安全隐患,除了从源头上预防的措施外,一些紧急情况出现后的防护措施也必不可少,在建筑首层搭设水平防护架便是其中之一。高处坠物对底层一定范围内的活动的影响最为严重,搭设防护架能够一定程度上防止高处坠落物体对活动人或物的危害。而防护架的宽度确定则是一个比较关键的问题。如果架体太宽,会浪费空间资源,给公共活动带来不便,同时给施工单位搭设架体和拆除架体增加工作量;架体太窄同样不好,不能起到防护作用,形同虚设。本附录着重从对高处坠物的坠落半径的已有研究成果入手,进行更进一步的理论分析,得到出对应一定高处作业需设置的建筑首层防护架的宽度的计算表格,并提供简化公式,以供施工作业选取。2已有规范标准的规定对于高处作业,当前有两个国家标准,分别是《建筑施工高处作业安全技术规范》JGJ80-1991[文献1]和《高处作业分级》GB/T3608-[文献2]。另外,还有一些地方的施工安全技术规范[文献3],其中的高处作业防护均是以前述两个国家标准为依据。《建筑施工高处作业安全技术规范》主要从总体上对高处作业的各种情况进行了构造和一些计算的较为详细的规定,是一个总体性的规范。《高处作业分级》则着重对高处作业的定义,引起坠落的原因,可能坠落范围半径等进行了规定和标准化。本附录目的是为了确定建筑施工时,建筑首层的防护架的宽度,因此主要以《高处作业分级》为依据进行整理。《高处作业分级》中将基础高度分为四个区段,各个区段对应一个可能坠落范围半径,如表1。表1高处作业可能坠落范围半径分段表(单位:米)基础高度hb2≤hb≤55＜hb≤1515＜hb≤30hb＞30可能坠落范围半径R3456注:基础高度hb是指以作业位置为中心,6m为半径,划出的垂直于水平面的柱形空间内的最低处与作业位置的高度差。在施工中,根据可能导致高处坠物的位置的高度(多层建筑,高层建筑还是超高层建筑均适用),按上表中规定,对可能坠落范围半径进行选择,以此为依据搭建防护架。3国内关于坠落半径的研究现状高空坠落物,不论是人为还是非人为产生的,都有可能具备一定的初速度。再加上坠落物的性质、质量、大小、形态等也会对坠落过程产生明显影响。因而使得对坠落物坠落过程的模拟研究变得比较复杂。对防护架真正有意义是坠落物的散布范围(或坠落距离),而现实中发生的高空坠落事件,必然会在环境中留下痕迹,这些痕迹必将能够得出更加客观、科学的结论。《高处作业分级》中关于可能坠落范围半径的具体数字的规定,就是在统计分析了许多高处坠落事故案例的基础上作出的。由此可知该规范使用的是物理痕迹研究法(PhysicalTracesMeasures,简称”痕迹法”)。痕迹法,首先由美国著名的社会学家、环境-行为学家韦布(Webb)等人于1968年提出。根据她们的定义,物理痕迹(PhysicalTraces)是指一些非刻意为研究(比较和推断)而生成的参数,它们可能给敏锐的调查者留下发掘线索的机会。痕迹法,就是经过观察使用者在环境中的行为活动所遗留下来的物理痕迹来达到研究目的。痕迹法在科学研究中应用得不少,但在高空坠物散布范围上的应用却不多见。因为高空坠物散布范围的研究意义相对比较狭窄,在建筑行业中,主要在房屋间距,城市规划[文献4]和建筑施工的底层防护中有使用。4建筑施工中实际做法纵观中国的高层建筑发展历程,1980年以前,中国就有高层建筑,但数量不多,可是在1980年到1983年这几年间,高层建筑却大量出现,数量超过之前所有高层建筑的数量综合。高处作业事故相应也增多,为了将防护措施标准化,需要制定相应的高处作业相关安全技术系列规范。于是便有了《高处作业分级》,从1983年4月首次实施。之后的在建筑施工中,底层水平防护架防护架的宽度一直使用施工时最新版《高处作业分级》中对于可能坠落范围半径的规定,并无专项施工方案。在实际建筑施工中,一般取最大宽度6米。对于高层建筑,超高层建筑施工,水平防护架需要按一定竖向距离多搭设几层,架体宽度也一般取为6米。水平防护架一般从首层或第四层开始搭设,往上每隔几层搭设一道。对于临街面,水平防护架需搭设在首层,且为双层防护,宽度宜将人行道完全覆盖。临街面房屋(或者裙房)高度有限制,且人行通道宽度一般小于6米,故防护架宽度取6米与人行通道宽度较小值。对于最大宽度6米,一是因为《高处作业分级》中规定的可能坠落范围半径最大值为6米,二是因为脚手架钢管一般长度为6米。将架体宽度取为米,既能够满足规范要求,又能够提高钢管利用率,不用截断或者搭接。5考虑空气阻力的坠物散落半径研究痕迹法研究坠物问题比较客观,研究因素相对比较全面。但痕迹法也有自身缺陷,比如研究时间周期长,受环境因素影响多,研究受区域影响较为严重,而且不能得出理论性的成果。鉴于此,本文将对高处坠物的散布范围从理论方面进行研究,主要考虑对坠落物体影响最大的空气阻力。5.1高处坠物落地水平距离与坠落高度关系推导当前考虑空气阻力的抛体运动的研究主要集中在自由落体,或者从地面(近似)斜上抛后落回地面(如图1)[文献7]的情况。而本附录研究内容为从离地面某一高度h处斜向下45°抛出小物体落地(如图2)的情形。图1斜上抛运动示意图图245°斜下抛运动示意图高处坠物属于低速运动,空气阻力与速度成一次方关系,即F=-kv,其中k为空气阻力系数。物体质量为m,抛出角度为斜向下45°,抛出高度为h,坠落位置与抛出位置水平距离为s。设初始条件为:x0=0,y0=0,v0x=v0,v0y=v0。建立如图2所示直角坐标系0xy,由牛顿第二定律F=ma,分别建立x方向和y方向的运动微分方程: (1) (2)解微分方程(1)和(2),得到 (3) (4)其中,c1、c2、c3、c4为常数。分别将(3)和(4)对时间t求一阶导数,得到 (5) (6)将初始条件x0,y0,v0x,v0y带入方程(3)到(6),可求得将c1,c2,c3,c4分别带入方程(3)和(4),得到 (7) (8)当坠落物落地时,y=-h,由(8)可得 (9)整理可得 (10)方程(10)为超越方程,无法求出t与h之间的解析表示式,将展开,可得 (11)将(11)代入(10),得 (12)化简,得 (13)解方程(13),得 (14)将方程(14)代入方程(7),可得(15)方程(15)即是考虑空气阻力影响下,高处坠物的散落半径范围x与坠落高度h的关系。5.2数据分析设g=9.8m/s2,由于所研究物体为施工过程中不慎坠落的小物体,质量、体积都不会太大,取m=1kg,k=0.1kg/m。经试算得知,当坠物高度h在5m以下时,水平初速度可取为v0=2.5m/s;h在5m到15m之间时,v0=2m/s;h大于15m时,v0=1.8m/s。坠物高度h取2m到800m,能够相应坠物落地水平距离s的值,见表2。表2坠物落地水平距离s与坠物高度h关系表(单位:m)h510152025306080100s2.992.993.513.513.844.125.375.966.43h130160190210300400480500800s77.457.888.628.9398.998.27计算中发现,当h=480m时,s达到极值,为9m。能够发现,当h在30m以下时,计算结果与《高处作业分级》中规定数据吻合良好,30m以上高度中,计算结果也与实际较为相符合。为方便计算在作业高度在30m以上时的坠物落地水平距离,将方程(15)进行简化,取g=9.8m/s2,m=1kg,k=0.1kg/m,v0=1.8m/s,得 (16)6结论综上所述,当前建筑施工底层水平防护架的宽度要求已经有了一个相对明确的体系,以提供参考,而且在实际施工中也有了相当的经验累积,证明规范参考值较为可靠。而在考虑空气阻力影响下进行理论推导得出的关系式也与规范和实际符合得较好,证明理论分析有效。因此本附录将表1和表2作为水平防护架宽度确定依据,最终结论如表3,推荐施工作业时参考使用。表3底层水平防护架宽度取用表(单位:m)基础高度hb计算得到可能坠落范围半径R0最终确定可能坠落范围半径R水平初速度取值(m/s)2≤hb≤52.99(hb=5)32.55＜hb≤102.99(hb=10)4210＜hb≤153.51(hb=15)4215＜hb≤203.51(hb=20)51.820＜hb≤253.84(hb=25)51.825＜hb≤304.12(hb=30)51.830＜hb≤806(hb=80)61.880＜hb≤1307(hb=130)71.8130＜hb≤2108(hb=210)81.8hb＞2109(hb=