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摘要：本文作者列举了脚手架垮塌案的教训，分析了脚手架垮塌的力学原因，供大家参考。
关键词：建筑施工；脚手架；垮塌；原因
中图分类号：TU392 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
由于脚手架的构建和使用不当，造成了许多脚手架垮塌事故，发生了大量的人身伤亡和设备损坏事故，对人们的生命和财产造成了不可估量的损失。
1.建筑工程施工中脚手架垮塌的重大事故案例
近年来，在建筑工程施工过程中发生的重大安全责任事故层出不穷，有的是建筑工地上的施工升降机发生坠落，有的是在建筑工地上的塔机倒塌和脚手架垮塌，有的是在建筑施工过程中建筑物垮塌，有的是在开挖建筑物的基坑时，由于边坡塌滑造成工程事故。由于现场施工者施工组织混乱和施工过程操作不当造成的重大安全事故屡见不鲜，而一般的工程事故则比比皆是。下面仅针对脚手架垮塌事故，列举一些重大事故案例引以为诫。
1.1 2004年5月12日上午9时20分，位于河南安阳信益电子玻璃有限责任公司刚刚竣工的68m高烟囱施工工程，在准备拆除烟囱四周脚手架时，脚手架突然从63 m高处垮塌， 30名正在施工的民工全部翻下坠落，造成21人死亡， 9人受伤的严重事故。
1.2 2005年9月5日晚10时10分，位于北京西单的西西工程4号地综合楼工地发生脚手架垮塌，造成3人死亡， 21人受伤的严重事故。
1.3 2007年7月1日上午8点30分左右，杭州市桐庐县经济开发区一建筑工地发生脚手架垮塌事故，正在脚手架上作业的4名建筑工人坠落后， 1人死亡， 3人受伤。
1.4 2008年5月9日14时45分许，位于黑龙江省牡丹江市太平路时代广场附近，一墙体装修工程的脚手架突然垮塌，当场造成3人死亡， 3人受伤的重大事故。
1.5 2008年7月11日上午11时许，施工中的重庆轨道交通两路口换乘车站工程高约20 m的脚手架突然发生垮塌， 20余名工人被埋，由此造成1人死亡、15人受伤，数人轻伤的严重事故。
以上事实，应该足以引起与建筑工程施工过程相关的方方面面的各类人员的重视，以人为本，科学构建和使用脚手架，保证建筑施工人员的生命安全，坚决杜绝脚手架垮塌事故的不断发生。
2.脚手架垮塌的力学原因分析
如此之多的建筑施工脚手架垮塌事故不时发生，必须究明深层次的力学原因，采取相应的对策，防止事故的频繁发生。
2.1 建筑脚手架的几何组成不合理
建筑工程上常用的脚手架，在《结构力学》中可视为杆系结构。杆系结构是由若干个杆件互相联结所组成的体系，并与地基联结成一整体，用来承受荷载的作用。杆系结构必须保持自己原有的几何形状和位置，才能确保承受荷载和体系稳定。水利水电与土建工程中使用的脚手架，如果几何形状和位置可以改变，当工人在脚手架上施工时，脚手架就可能失去稳定而垮塌，造成工伤事故。在上述列举的数例脚手架垮塌事故中，有的就是因为工人在搭建脚手架时，没有按照几何不变体系的组成规律来搭建，从而致使脚手架垮塌。当然，脚手架也可能是按照几何不变体系的组成规律搭建的，但是，脚手架是由若干个连接件拼接起来的，在脚手架承载荷载时，也可能由于一个或者几个连接件的损坏，使脚手架体系由原来的几何不变体系而改变成几何可变体系招致脚手架垮塌的。
那么，什么是几何不变体系呢？结构力学中把杆件组成的体系分为两类：一类体系是在任何情况下，它原有的几何形状和位置都不改变，称为几何不变体系；一类是稍微受到外界的干扰，体系的几何形状和位置就要发生很大的改变，这类体系称为几何变体系。在建筑工程中使用的脚手架，只能是几何不变体系，不能使用几何可变体系。有的脚手架的垮塌，是由于组成脚手架的体系是几何可变的原因。
怎样才能组成几何不变的脚手架体系呢，这必须基于组成平面几何不变体系的3个规则。在结构体系中，把组成结构体系的单个构件看作刚片（在空间体系中则视为刚体）。简单说来，刚片（或刚体）就是受力后不变形的固体。组成平面几何不变体系的3个简单规则如下。
2.1.1 两刚片的组成规则
规则一：两刚片用不全交于一点也不全平行的3根链杆相联结，则所组成的体系是几何不变的，如图1（b）和（c）所示。也可用一个铰（或者虚铰）和一根不通过该铰的链杆联结两个刚片组成几何不变体系，如图1（a）所示。
2.1.2 三刚片的组成规则
规则二：三刚片用不在同一直线上的三个铰（或者虚铰）依次两两相联，则所组成的体系是几何不变的，如图2（a）， （b）和（c）所示。
2.1.3 二元体规则
在刚片上的A， B二点分别联出不在一条直线上的两根链杆AC与BC，使其相交于C，组成一个新的结点C，这种构造就称为二元体，如图3（a）所示的A-C-B。二元体为一几何不变的单元。规则三：在一个刚片（或体系）上增加或拆除二元体，不影响原刚片（或体系）的几何性质，如图3所示。
应用以上三条简单规则，就可以组成几何不变的脚手架。再复杂的几何不变体系，都可以按照两个刚片、三个刚片或者按照二元体组成规则构建成几何不变体系，反复应用上述三条规则，就可逐步组成更为复杂的几何不变的脚手架体系。对已构建的脚手架，也可以应用这3个规则进行几何组成分析，看脚手架是否是几何不变体系。在垮塌的脚手架中，有的就是由于脚手架是几何可变体系（或者某个构件破坏失效后使脚手架成为几何可变体系）致使脚手架垮塌的。
2.2 由于组成脚手架杆件材料的强度不足致使脚手架垮塌强度就是材料抵抗破坏的能力。如果一个构件的强度是足够的，构件就不会破坏，反之，强度不够，构件就会发生破坏。在前述的脚手架垮塌造成的重大事故中，有的就是由于承担脚手架荷重的一个杆件或者几个杆件的强度不足而造成的。分析杆件的强度必须从构件的受力和材料的力学性能两方面入手，才能得到正确的结论。分析的载体是脚手架体系和脚手架中的构件，这里可以是脚手架中的杆件。其分析过程如下：构件的外力分析→构件的内力分析→构件的应力分析→材料的强度指标。最后，得出杆件的强度条件如下： 式中σmax和τmax分别代表构件工作时在简单应力状态下的最大正应力和最大切应力，单位MPa；[σ]和[τ]分别代表脚手架构件材料的许用正应力和许用切应力，单位MPa。脚手架的突然垮塌，从力学角度上可以简单地认为是承担脚手架荷重的某个杆件内的最大工作应力超过了材料的许用正应力，致使该构件破坏失效后造成的。很多建筑工程施工技术人员和管理人员没有充分认识到这一点。工程中的脚手架可以看作为一桁架系统，如果某个杆件的强度不足而致使该根杆件丧失承载能力，就会引起脚手架体系中各个杆件应力变化的连锁反映，那么，其余杆件的内部应力急剧增大而致使其余杆件破坏，最终致使整个脚手架突然垮塌。
强度不足引起脚手架垮塌，也可能是由于组成脚手架系统的某个连接件的破坏，致使该根杆件的联结作用失效引起的。因为一个连接件或者几个连接件的破坏，可以改变脚手架体系的几何组成性质，使原来为几何组成为不变的脚手架改变为几何组成为可变的脚手架，因此，必然会引起脚手架的突然垮塌。
2.3 由于脚手架的受压直杆失稳会造成脚手架的突然垮塌
脚手架的突然垮塌，有可能就是由于组成脚手架的某个受压直杆突然失稳造成脚手架垮塌的。历史上由于对受压直杆突然失稳造成破坏认识不清，造成许多大桥坍塌的事故。例如， 1907年北美魁北克圣劳伦斯河上一座长548 m的钢桥在施工中突然垮塌；2007年4月5日下午韩国南部一座正在兴建的大桥突然发生坍塌，正在现场工作的10多名工人当场被埋在桥下，造成5死7伤的严重事故，其原因就是某些受压杆件在稳定方面出了问题。所以，脚手架的突然垮塌，有一部分是压杆失稳造成的。所谓压杆失稳，就是本来挺直的压杆，当其所受的轴向压力超过杆件所能承受的某一极限值（临界力）时，将突然弯曲折断，致使脚手架突然垮塌。
3.结论
在上面列举的数起脚手架突然垮塌的重大施工安全事故中，这些原因是破坏的起因、是事件发生的导火索，但是，最终都可以归结为脚手架的失稳。只有失稳破坏才会直接、突然、没有缓冲的时间，其破坏的危害性很大，我们的目的就是要充分认识到脚手架失稳垮塌的力学原因、极大危害性，采取可靠措施，防止和杜绝脚手架的突然垮塌。
参考文献：
[1]干光瑜，秦惠民.材料力学[J].北京：高等教育出版社， 2002.
[2]李家宝.结构力学[J].北京：高等教育出版社， 2002.
[3][美] Hibbeler （希伯勒）R. C.工程力学[J].董春敏，金云平，等译.北京：电子工业出版社， 2006.
关键词：建筑施工；脚手架；垮塌；原因
中图分类号：TU392 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
由于脚手架的构建和使用不当，造成了许多脚手架垮塌事故，发生了大量的人身伤亡和设备损坏事故，对人们的生命和财产造成了不可估量的损失。
1.建筑工程施工中脚手架垮塌的重大事故案例
近年来，在建筑工程施工过程中发生的重大安全责任事故层出不穷，有的是建筑工地上的施工升降机发生坠落，有的是在建筑工地上的塔机倒塌和脚手架垮塌，有的是在建筑施工过程中建筑物垮塌，有的是在开挖建筑物的基坑时，由于边坡塌滑造成工程事故。由于现场施工者施工组织混乱和施工过程操作不当造成的重大安全事故屡见不鲜，而一般的工程事故则比比皆是。下面仅针对脚手架垮塌事故，列举一些重大事故案例引以为诫。
1.1 2004年5月12日上午9时20分，位于河南安阳信益电子玻璃有限责任公司刚刚竣工的68m高烟囱施工工程，在准备拆除烟囱四周脚手架时，脚手架突然从63 m高处垮塌， 30名正在施工的民工全部翻下坠落，造成21人死亡， 9人受伤的严重事故。
1.2 2005年9月5日晚10时10分，位于北京西单的西西工程4号地综合楼工地发生脚手架垮塌，造成3人死亡， 21人受伤的严重事故。
1.3 2007年7月1日上午8点30分左右，杭州市桐庐县经济开发区一建筑工地发生脚手架垮塌事故，正在脚手架上作业的4名建筑工人坠落后， 1人死亡， 3人受伤。
1.4 2008年5月9日14时45分许，位于黑龙江省牡丹江市太平路时代广场附近，一墙体装修工程的脚手架突然垮塌，当场造成3人死亡， 3人受伤的重大事故。
1.5 2008年7月11日上午11时许，施工中的重庆轨道交通两路口换乘车站工程高约20 m的脚手架突然发生垮塌， 20余名工人被埋，由此造成1人死亡、15人受伤，数人轻伤的严重事故。
以上事实，应该足以引起与建筑工程施工过程相关的方方面面的各类人员的重视，以人为本，科学构建和使用脚手架，保证建筑施工人员的生命安全，坚决杜绝脚手架垮塌事故的不断发生。
2.脚手架垮塌的力学原因分析
如此之多的建筑施工脚手架垮塌事故不时发生，必须究明深层次的力学原因，采取相应的对策，防止事故的频繁发生。
2.1 建筑脚手架的几何组成不合理
建筑工程上常用的脚手架，在《结构力学》中可视为杆系结构。杆系结构是由若干个杆件互相联结所组成的体系，并与地基联结成一整体，用来承受荷载的作用。杆系结构必须保持自己原有的几何形状和位置，才能确保承受荷载和体系稳定。水利水电与土建工程中使用的脚手架，如果几何形状和位置可以改变，当工人在脚手架上施工时，脚手架就可能失去稳定而垮塌，造成工伤事故。在上述列举的数例脚手架垮塌事故中，有的就是因为工人在搭建脚手架时，没有按照几何不变体系的组成规律来搭建，从而致使脚手架垮塌。当然，脚手架也可能是按照几何不变体系的组成规律搭建的，但是，脚手架是由若干个连接件拼接起来的，在脚手架承载荷载时，也可能由于一个或者几个连接件的损坏，使脚手架体系由原来的几何不变体系而改变成几何可变体系招致脚手架垮塌的。
那么，什么是几何不变体系呢？结构力学中把杆件组成的体系分为两类：一类体系是在任何情况下，它原有的几何形状和位置都不改变，称为几何不变体系；一类是稍微受到外界的干扰，体系的几何形状和位置就要发生很大的改变，这类体系称为几何变体系。在建筑工程中使用的脚手架，只能是几何不变体系，不能使用几何可变体系。有的脚手架的垮塌，是由于组成脚手架的体系是几何可变的原因。
怎样才能组成几何不变的脚手架体系呢，这必须基于组成平面几何不变体系的3个规则。在结构体系中，把组成结构体系的单个构件看作刚片（在空间体系中则视为刚体）。简单说来，刚片（或刚体）就是受力后不变形的固体。组成平面几何不变体系的3个简单规则如下。
2.1.1 两刚片的组成规则
规则一：两刚片用不全交于一点也不全平行的3根链杆相联结，则所组成的体系是几何不变的，如图1（b）和（c）所示。也可用一个铰（或者虚铰）和一根不通过该铰的链杆联结两个刚片组成几何不变体系，如图1（a）所示。
2.1.2 三刚片的组成规则
规则二：三刚片用不在同一直线上的三个铰（或者虚铰）依次两两相联，则所组成的体系是几何不变的，如图2（a）， （b）和（c）所示。
2.1.3 二元体规则
在刚片上的A， B二点分别联出不在一条直线上的两根链杆AC与BC，使其相交于C，组成一个新的结点C，这种构造就称为二元体，如图3（a）所示的A-C-B。二元体为一几何不变的单元。规则三：在一个刚片（或体系）上增加或拆除二元体，不影响原刚片（或体系）的几何性质，如图3所示。
应用以上三条简单规则，就可以组成几何不变的脚手架。再复杂的几何不变体系，都可以按照两个刚片、三个刚片或者按照二元体组成规则构建成几何不变体系，反复应用上述三条规则，就可逐步组成更为复杂的几何不变的脚手架体系。对已构建的脚手架，也可以应用这3个规则进行几何组成分析，看脚手架是否是几何不变体系。在垮塌的脚手架中，有的就是由于脚手架是几何可变体系（或者某个构件破坏失效后使脚手架成为几何可变体系）致使脚手架垮塌的。
2.2 由于组成脚手架杆件材料的强度不足致使脚手架垮塌强度就是材料抵抗破坏的能力。如果一个构件的强度是足够的，构件就不会破坏，反之，强度不够，构件就会发生破坏。在前述的脚手架垮塌造成的重大事故中，有的就是由于承担脚手架荷重的一个杆件或者几个杆件的强度不足而造成的。分析杆件的强度必须从构件的受力和材料的力学性能两方面入手，才能得到正确的结论。分析的载体是脚手架体系和脚手架中的构件，这里可以是脚手架中的杆件。其分析过程如下：构件的外力分析→构件的内力分析→构件的应力分析→材料的强度指标。最后，得出杆件的强度条件如下： 式中σmax和τmax分别代表构件工作时在简单应力状态下的最大正应力和最大切应力，单位MPa；[σ]和[τ]分别代表脚手架构件材料的许用正应力和许用切应力，单位MPa。脚手架的突然垮塌，从力学角度上可以简单地认为是承担脚手架荷重的某个杆件内的最大工作应力超过了材料的许用正应力，致使该构件破坏失效后造成的。很多建筑工程施工技术人员和管理人员没有充分认识到这一点。工程中的脚手架可以看作为一桁架系统，如果某个杆件的强度不足而致使该根杆件丧失承载能力，就会引起脚手架体系中各个杆件应力变化的连锁反映，那么，其余杆件的内部应力急剧增大而致使其余杆件破坏，最终致使整个脚手架突然垮塌。
强度不足引起脚手架垮塌，也可能是由于组成脚手架系统的某个连接件的破坏，致使该根杆件的联结作用失效引起的。因为一个连接件或者几个连接件的破坏，可以改变脚手架体系的几何组成性质，使原来为几何组成为不变的脚手架改变为几何组成为可变的脚手架，因此，必然会引起脚手架的突然垮塌。
2.3 由于脚手架的受压直杆失稳会造成脚手架的突然垮塌
脚手架的突然垮塌，有可能就是由于组成脚手架的某个受压直杆突然失稳造成脚手架垮塌的。历史上由于对受压直杆突然失稳造成破坏认识不清，造成许多大桥坍塌的事故。例如， 1907年北美魁北克圣劳伦斯河上一座长548 m的钢桥在施工中突然垮塌；2007年4月5日下午韩国南部一座正在兴建的大桥突然发生坍塌，正在现场工作的10多名工人当场被埋在桥下，造成5死7伤的严重事故，其原因就是某些受压杆件在稳定方面出了问题。所以，脚手架的突然垮塌，有一部分是压杆失稳造成的。所谓压杆失稳，就是本来挺直的压杆，当其所受的轴向压力超过杆件所能承受的某一极限值（临界力）时，将突然弯曲折断，致使脚手架突然垮塌。
3.结论
在上面列举的数起脚手架突然垮塌的重大施工安全事故中，这些原因是破坏的起因、是事件发生的导火索，但是，最终都可以归结为脚手架的失稳。只有失稳破坏才会直接、突然、没有缓冲的时间，其破坏的危害性很大，我们的目的就是要充分认识到脚手架失稳垮塌的力学原因、极大危害性，采取可靠措施，防止和杜绝脚手架的突然垮塌。
参考文献：
[1]干光瑜，秦惠民.材料力学[J].北京：高等教育出版社， 2002.
[2]李家宝.结构力学[J].北京：高等教育出版社， 2002.
[3][美] Hibbeler （希伯勒）R. C.工程力学[J].董春敏，金云平，等译.北京：电子工业出版社， 2006.