汪軍慶 婁志

0 前言

近年來，隨著職業(yè)化、專業(yè)化改革不斷加速，消防救援隊伍處置特種災(zāi)害事故的能力水平顯著提高，參與處置高空、山岳、深井、孤島等繩索技術(shù)救援日益增多，在此類救援行動中如果能夠有效應(yīng)用多功能腳架，能進(jìn)一步優(yōu)化技術(shù)操作、提高救援效率[1]。

然而，通過相關(guān)調(diào)研以及對全國多個消防救援總隊、森林消防總隊、機(jī)動支隊發(fā)放填寫的調(diào)查問卷統(tǒng)計結(jié)果表明（如圖1），當(dāng)前國內(nèi)消防救援隊伍普遍對于多功能腳架認(rèn)知較為片面，僅對三腳架這一種應(yīng)用模式較為了解；尤其是對于多功能腳架功能原理、受力分析、配置形式等基本知識掌握不夠，對操作使用過程中的風(fēng)險評估、架設(shè)方法、注意事項(xiàng)等知識技能不具備；各總隊（支隊）建設(shè)的繩索救援技術(shù)（山岳救援、高空救援等）專業(yè)隊均配備了多功能腳架系統(tǒng)，但相關(guān)人員缺乏系統(tǒng)的學(xué)習(xí)培訓(xùn)，對于各類復(fù)雜環(huán)境的腳架系統(tǒng)不同應(yīng)用形式不甚了解，不能有效地結(jié)合實(shí)戰(zhàn)需求匹配應(yīng)用場景，靈活制定系統(tǒng)架設(shè)方案的能力水平不足。因此，本文以典型多功能腳架（Arizona Vortex）為例，分析了腳架系統(tǒng)的應(yīng)用原理、功能配置、受力情況，并結(jié)合三腳架、兩腳架、獨(dú)腳架的架設(shè)特點(diǎn)歸納出對應(yīng)適用場景，總結(jié)了系統(tǒng)架設(shè)的方法步驟，針對性提出了實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用建議。

圖1 調(diào)查問卷部分題目結(jié)果統(tǒng)計

1 多功能腳架概述

多功能腳架（Multipod）是一種泛指的通用稱呼，一般指可根據(jù)不同場景需要或任務(wù)需求以多種方式靈活組裝應(yīng)用的成套腳架裝備。

1.1 功能用途

多功能腳架的基本原理是提供高處的錨結(jié)構(gòu)點(diǎn)改變荷載運(yùn)動路徑，可以實(shí)現(xiàn)兩個功能：

一是使荷載移動到更高位置，增大技術(shù)操作有效凈空，更便捷地翻越邊緣或越過障礙，簡化技術(shù)操作。比如開展豎井類受限空間救援時，架設(shè)腳架系統(tǒng)能夠極大地降低出入口通行難度。

二是避開巖角、鋒利邊緣等風(fēng)險點(diǎn)、摩擦點(diǎn)，增加提拉效率，提高系統(tǒng)安全性。相關(guān)研究表明，當(dāng)繩索在巖石或混凝土邊緣轉(zhuǎn)折90°時，摩擦可能導(dǎo)致提拉牽引力增至約荷載重力的兩倍，不僅影響行動效率，也會產(chǎn)生安全風(fēng)險[2]。

1.2 應(yīng)用類型

多功能腳架主要有兩種應(yīng)用類型：

一是用作便攜式錨定裝置（Portable Anchor System），即錨框架，直接使用腳架設(shè)置錨，比如直接將繩索固定在腳架頂部的錨結(jié)構(gòu)點(diǎn)建立繩索行進(jìn)通道，或使用固定于腳架支腿的絞盤通過腳架頂部錨結(jié)構(gòu)點(diǎn)（滑輪）進(jìn)行下放或提拉。錨框架的特征是連接荷載的繩索終止（錨定）于腳架系統(tǒng)上[3]。

二是用作人工高位定向裝置（Artificial High Directional），即定向框架，荷載繩索通過腳架頂部的錨結(jié)構(gòu)點(diǎn)重新定向（改變繩索位置），比如在邊緣提拉時將荷載繩索穿過腳架頂部的滑輪改變繩索運(yùn)行路徑。定向框架的特征是連接荷載的繩索終止（錨定）于腳架系統(tǒng)外的錨。

1.3 基本配置

不同型號的多功能腳架配置有所差異，但通常包含支桿、連接頭、底腳、固定帶、安全插銷以及配套裝備包等部件。

支桿是組裝成腳架支腿的主體部分，通常配備多根外支桿與內(nèi)支桿，一般為可拆卸拼接的套管結(jié)構(gòu)，輕便牢固、組裝便捷、長度易調(diào)，既便于攜帶、運(yùn)輸，也能根據(jù)需要靈活選擇應(yīng)用方式。

連接頭安裝于支腿頂部，既可用于連接組合多條支腿，也可單獨(dú)使用，常見的連接頭包括A 型框架連接頭、獨(dú)腳架（極柱）連接頭、圓盤式連接頭和組合式連接頭等。

底腳安裝于支腿底部，用于不同地形條件下腳架支腿底部的穩(wěn)固，通常配備有平頭底腳（用于較平整的硬地面，如混凝土、瀝青路面等）、尖頭底腳（用于軟地面或不規(guī)整的硬地面，如土地、沙地、凹凸不平的巖石）和半包圍底腳（用于柱狀物、邊角等特殊結(jié)構(gòu)處，如梁、柱、樹木）等。

固定帶主要用于輔助固定腳架底腳，通常為可調(diào)節(jié)的扎（扁）帶或輔繩（帶抓結(jié)）。

此外，其他部件還包括用于連接固定的安全插銷，用于收納、存儲、攜行裝備的包囊，某些型號的多功能腳架可能還會配備配套使用的滑輪和絞盤等部件。

2 腳架受力特點(diǎn)

從評估系統(tǒng)穩(wěn)定性的角度分析系統(tǒng)與部件的受力特點(diǎn)是腳架應(yīng)用的基礎(chǔ)。

2.1 系統(tǒng)受力特點(diǎn)

系統(tǒng)受力是指腳架整體受到外部作用的合力，通常按照腳架應(yīng)用類型分為兩種：

一是在錨框架中，系統(tǒng)受力為荷載繩索的拉力（不考慮其他摩擦），方向沿著荷載繩索，位置在掛接荷載端繩索與框架直接相連處，如圖2。需注意的是在使用固定于腳架支腿的絞盤時，由于絞盤固定于支腿上，成為了腳架系統(tǒng)的一部分共同受到外部作用力，故此情形下系統(tǒng)合力并非兩條繩索合力（兩條繩索受力的矢量和，位于兩繩之間），而是腳架整體受到的外部作用力，即荷載繩索拉力，方向由荷載繩索與腳架的最后（直接）連接處指向荷載[4]。

圖2 錨框架系統(tǒng)受力

二是在定向框架中，系統(tǒng)受力為荷載繩索拉力與牽拉繩索拉力的合力，這種合力不是直觀可見的，而是腳架系統(tǒng)受到外部承載連接共同作用形成的力，其方向?yàn)榛喼休S線方向，大小為荷載繩索拉力與牽拉繩索拉力在滑輪中軸線方向的分力之和（可通過三角函數(shù)計算得出），位置在頂部滑輪與框架連接處，如圖3。

圖3 定向框架系統(tǒng)受力

3 典型救援場景架設(shè)方式

2.2 部件受力特點(diǎn)

影響腳架系統(tǒng)穩(wěn)定性的部件主要是支腿（支桿）以及輔助固定的繩索、扎帶。

支腿（支桿）為剛性部件，既可以沿著支腿（長軸）方向承受較大的壓力（壓縮）或拉力（拉伸），還能在一端固定時承受一定的剪切力（與支腿長軸垂直），剪切力會產(chǎn)生使支腿圍繞固定端旋轉(zhuǎn)的力矩，即扭矩，如圖4。

圖4 支腿受力分析

在實(shí)際使用中（尤其是獨(dú)腳架形式），支腿大多處于底腳固定的傾斜狀態(tài)，此時可將系統(tǒng)受到的合力分解為沿支腿方向的壓力與垂直于支腿方向的剪切力，按照剛性部件的受力特點(diǎn)應(yīng)盡量使支腿承受的壓力較大、剪切力較小，因此，應(yīng)使支腿方向盡量與系統(tǒng)合力方向平行。此外，為了使扭矩減小，也應(yīng)盡可能縮短支腿長度（力臂）。

繩索、扎帶屬于柔性部件，在腳架系統(tǒng)中主要用于牽拉，沿其承載方向承受拉力（無法承受壓力），因此，主要用于輔助固定腳架系統(tǒng)以保持穩(wěn)定。

多功能腳架可以應(yīng)用于各類城市工業(yè)環(huán)境與山岳戶外環(huán)境，在實(shí)戰(zhàn)救援中應(yīng)根據(jù)不同的環(huán)境特點(diǎn)合理選擇最優(yōu)架設(shè)方式。下文結(jié)合實(shí)際環(huán)境架設(shè)測試分析常用架設(shè)方式的主要特點(diǎn)、受力情況、適用場景及注意點(diǎn)。

3.1 等長三腳架

等長三腳架也稱為標(biāo)準(zhǔn)三腳架，使用三條支腿且支腿長度相同，三條支腿形成的腳周線（底腳兩兩連接圍成的三角形）形狀近似等邊三角形，如圖5。

圖5 等長三腳架實(shí)際應(yīng)用

等長三腳架三條支腿相互支撐，在系統(tǒng)受到的合力在腳周線以內(nèi)時，無論是作為錨框架還是定向框架，均相對穩(wěn)定，只需對支腿底腳進(jìn)行連接固定，這種應(yīng)用方式操作簡單，系統(tǒng)不易傾覆，安全性相對較高；而在某些情況下，如果系統(tǒng)受到的合力在腳周線以外時（比如附近無法設(shè)置適合的錨點(diǎn)只能在較遠(yuǎn)處設(shè)置時），則需要在系統(tǒng)受到的合力相對應(yīng)的另一側(cè)（框架移動趨勢相對的另一側(cè)）使用繩索等輔助器材對腳架系統(tǒng)頂端（連接頭）進(jìn)行輔助固定。

等長三腳架是最基礎(chǔ)的使用形式，通常應(yīng)用于相對開闊、寬敞，周圍無障礙物、具備充足操作空間的場景或環(huán)境中，如周邊開闊的有限空間入口（井口、洞穴、坑道、密閉設(shè)備出入口等）。使用時需注意，盡量使系統(tǒng)合力靠近腳架系統(tǒng)中心位置（腳周線三角形的中心）。

3.2 畫架式三腳架

畫架式三腳架是在等長三腳架的基礎(chǔ)上將一條支腿延長，使腳架系統(tǒng)頂端偏向一側(cè)，腳周線形狀近似為等腰三角形，使用時荷載通?？拷鼉蓷l等長支腿一側(cè)或在兩條等長支腿外側(cè)，如圖6。

圖6 畫架式三腳架實(shí)際應(yīng)用

雖然與等長三腳架類似均使用了三條支腿，但畫架式三腳架只有作為錨框架使用且系統(tǒng)受到的合力在腳周線以內(nèi)時才比較穩(wěn)定，此時可以只固定支腿底腳；若作為錨框架使用但系統(tǒng)受到的合力在腳周線以外，則需要在荷載相對應(yīng)的另一側(cè)（框架移動趨勢相對的另一側(cè)）使用繩索等輔助器材對腳架系統(tǒng)頂端（連接頭）進(jìn)行輔助固定；而如果用作定向框架，系統(tǒng)受到的合力幾乎均在腳周線以內(nèi)且指向長支腿一側(cè)，并存在使框架向長支腿一側(cè)移動（傾覆）的趨勢，此時不能只使用捆扎帶固定底腳或在腳架系統(tǒng)頂端（連接頭）進(jìn)行固定，而應(yīng)使用螺栓等器材將支腿底腳固定。

畫架式三腳架中荷載可設(shè)置于靠近腳架系統(tǒng)的一側(cè)或外側(cè)，因此，畫架式三腳架常用于操作空間相對受限，等長三腳架無法應(yīng)用的場景或環(huán)境中，比如平臺邊緣、懸崖邊緣或周邊存在障礙物的有限空間入口（墻邊的坑道、洞口）等。使用時需注意腳架應(yīng)用類型以及荷載位置不同時應(yīng)采取相對應(yīng)的輔助固定措施。

3.3 A 型兩腳架（A 型框架）

A 型兩腳架也稱為標(biāo)準(zhǔn)A 型框架，由兩條等長支腿配合輔助固定器材組合架設(shè)而成，通常情況下，荷載繩索位于兩條支腿之間，如圖7。

圖7 A 型框架實(shí)際應(yīng)用

兩腳架自身不具有穩(wěn)定性，必須配合繩索等輔助固定器材架設(shè)，無論是作為錨框架還是定向框架，都應(yīng)盡量使系統(tǒng)合力保持在兩條支腿形成的平面內(nèi)。此外，與三腳架系統(tǒng)類似，A 型框架支腿底腳也應(yīng)使用捆扎帶連接固定或利用地形限制、使用螺栓等器材將其限位固定。

A 型框架功能類似于畫架式三腳架，區(qū)別在于使用繩索替換了畫架式三腳架的長支腿并配合其他輔助固定器材架設(shè)，通常應(yīng)用于荷載位于腳架系統(tǒng)外側(cè)或操作空間相對有限的場景，如平臺或懸崖邊緣等周圍地形受限的有限空間入口。由于少使用一條支腿，A 型框架受力情況相對更復(fù)雜，但裝備攜行重量更輕。使用時需注意，由于輔助固定的繩索只能承受拉力而不能承受壓力，因此在兩腳架兩側(cè)均應(yīng)設(shè)置輔助固定，并且由于荷載一側(cè)需要相對更大的操作空間以便擔(dān)架、人員通過，故荷載一側(cè)通常使用兩邊斜拉的方式進(jìn)行固定。

3.4 側(cè)向式A 型兩腳架

側(cè)向式A 型框架由兩條長度不等的支腿配合輔助固定器材組合架設(shè)而成，通常情況下荷載繩索與兩條支腿形成的平面大致平行（繩索不穿過兩條支腿之間），荷載位于靠近較短支腿一側(cè)，如圖8。

圖8 側(cè)向式A 型框架實(shí)際應(yīng)用

側(cè)向式A 型框架在前后方向均使用支腿支撐（可承受壓力與拉力的剛性部件），因此需要在腳架兩側(cè)使用繩索等輔助固定器材，盡量保持支腿處于垂直平面內(nèi)，避免框架向左右兩側(cè)偏移傾覆。此外，架設(shè)時盡量使系統(tǒng)合力接近于兩條支腿底腳連線中間位置。同樣，支腿底腳也需要使用捆扎帶連接固定或利用地形限制、使用螺栓等器材將其限位固定。

側(cè)向式A 型框架功能也類似于畫架式三腳架，區(qū)別在于只使用一條短支腿替代了畫架式三腳架的兩條短支腿。由于其受力特點(diǎn)（前后側(cè)均為剛性部件）及繩索輔助固定方式（設(shè)置于腳架系統(tǒng)靠后的兩邊），側(cè)向式A 型框架通?？蓱?yīng)用于荷載位于腳架系統(tǒng)外側(cè)且前方不便設(shè)置繩索等輔助固定的場景，如前方?jīng)]有合適錨點(diǎn)的平臺或懸崖邊緣等；此外，不同于A 型框架兩條等長支腿向前傾斜的設(shè)置形式，側(cè)向式A 型框架前短后長的設(shè)置形式可以跨過平臺邊緣的欄桿、扶手或女兒墻等結(jié)構(gòu)使用，避免障礙物對支腿形成側(cè)向擠壓。

3.5 獨(dú)腳架（塔架）

獨(dú)腳架也稱為塔架或極柱，使用一條支腿配合繩索等輔助固定器材架設(shè)，支腿頂端可以使用連接頭，也可以使用配套尺寸的圓盤分力板，如圖9。

圖9 獨(dú)腳架實(shí)際應(yīng)用

獨(dú)腳架只使用一條支腿，必須配合繩索等輔助固定器材方可架設(shè)。輔助固定時至少應(yīng)使用三條繩索，繩索之間角度約120 度為宜；也可以使用四條繩索，繩索之間角度約90 度為宜。支腿通常情況下會向荷載一側(cè)傾斜，設(shè)置時應(yīng)盡量保持支腿與系統(tǒng)合力在同一方向，同時應(yīng)避免支腿向左右兩側(cè)偏移。此外，需注意利用地形限制或使用螺栓等器材將支腿限位固定。

獨(dú)腳架適用場景與畫架式三腳架類似，但由于只使用一條支腿，裝備攜行重量大幅降低，因此在交通不便或需要長距離徒步行進(jìn)的山岳戶外環(huán)境救援中優(yōu)勢明顯。但獨(dú)腳架受力情況較為復(fù)雜，架設(shè)使用的專業(yè)技術(shù)能力需求較高，且對現(xiàn)場錨結(jié)構(gòu)有相應(yīng)要求。

3.6 小結(jié)

結(jié)合上述幾類多功能腳架架設(shè)方式的特點(diǎn)及適用場景，三腳架系統(tǒng)技術(shù)要求相對較低，架設(shè)更簡單、穩(wěn)定性更好，但需要的剛性部件（支腿、底腳等）較多、重量較大，裝備攜行負(fù)擔(dān)較大，在交通不便、需要遠(yuǎn)距離徒步前往的救援現(xiàn)場存在一定困難；獨(dú)腳架系統(tǒng)正好相反，所需的剛性部件最少，重量相對較輕、攜行方便，但技術(shù)要求高，需要準(zhǔn)確分析受力情況、設(shè)置輔助固定方式以保證其穩(wěn)定性，并且由于獨(dú)腳架系統(tǒng)需要多條繩索輔助固定，因此一定程度上受現(xiàn)場環(huán)境條件（如錨設(shè)置）限制；兩腳架系統(tǒng)則相較于前兩者之間。整體來看，腳架系統(tǒng)的應(yīng)用形式需要結(jié)合救援需求與現(xiàn)場情況綜合分析確定。

4 應(yīng)用方法步驟

4.1 架設(shè)前

一是確定使用方式（應(yīng)用場景、應(yīng)用模式），通過圖紙、畫稿簡單設(shè)計。

二是進(jìn)行受力情況預(yù)分析：a.評估腳架系統(tǒng)受力的方向及大?。籦.分析腳架系統(tǒng)在整個作業(yè)過程（負(fù)載前、負(fù)載過程中、荷載移除后）的運(yùn)動趨勢或可能發(fā)生的情況[5]。

三是確定輔助固定的方式（選用的裝備器材、固定的方法等）。

4.2 架設(shè)時

腳架系統(tǒng)架設(shè)過程中，主要是注意輔助固定的方式，常用繩索、扁帶、扎帶、螺栓等，這些固定設(shè)備通常應(yīng)具備強(qiáng)度高、重量輕、小直徑、低延伸率。支腿固定的常見方式如下：

一是使用配套的捆扎帶、繩索等器材在每兩根支腿之間進(jìn)行固定。

二是使用螺栓將支腿固定在堅硬表面。

三是使用扁帶、繩索等器材將支腿捆綁固定于堅固的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

四是利用自然或人工的地形地貌、結(jié)構(gòu)位置楔入支腿（主要為尖腳），注意此固定方式通常只是單方向，比如在支腿因壓縮而產(chǎn)生移動的場景中應(yīng)用時，無法應(yīng)對拉伸產(chǎn)生的移動。

由于支腿這類剛性部件承受荷載時受到扭矩作用可能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，因此腳架系統(tǒng)頂端（連接頭）必須使用繩索等器材進(jìn)行輔助固定，在固定時應(yīng)特別注意輔助繩索角度，若角度不符合要求則輔助繩受力會大幅增加，可能導(dǎo)致繩索斷裂、腳架系統(tǒng)崩潰。通常要求符合以下兩個原則：

一是輔助繩與垂直方向形成的角度不小于30 度。

二是輔助繩與支腿形成的角度應(yīng)大于支腿與系統(tǒng)受到合力形成的角度，如圖10。在某些場景中會使用多根輔助繩進(jìn)行固定或者需要固定多條支腿，此時描述的角度是輔助繩平面與支腿的角度或輔助繩與支腿平面的角度。

圖10 輔繩角度大于合力角度

4.3 架好后

腳架系統(tǒng)架設(shè)完畢應(yīng)測試強(qiáng)度及穩(wěn)定性，施加測試負(fù)載檢查所有組件是否正常運(yùn)行及是否滿足安全要求，可從以下兩方面測試：

一是作為錨框架使用時，在受力方向能夠承受靜態(tài)荷載。（不包括安全冗余）。

二是作為定向框架使用時，在受力方向能夠承受靜態(tài)荷載乘以荷載系數(shù)（頂端定滑輪角度產(chǎn)生的放大效應(yīng)）。

此外需注意，對支撐結(jié)構(gòu)或表面進(jìn)行評估，確保其強(qiáng)度及穩(wěn)定性。

5 實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用建議

一是多功能腳架應(yīng)優(yōu)先選擇經(jīng)過相關(guān)認(rèn)證（如EN795:2012/B、CEN/TS 16415:2013 等）的成型產(chǎn)品（強(qiáng)度更有保證、應(yīng)用場景多樣、組裝固定便捷），在實(shí)戰(zhàn)中如遇緊急且必要的情況，也可依據(jù)多功能腳架的架設(shè)原理，利用液壓頂桿、拉梯、樹木等材料設(shè)置，但務(wù)必對系統(tǒng)強(qiáng)度及穩(wěn)定性進(jìn)行充分評估。

二是工作繩從腳架系統(tǒng)頂部滑輪經(jīng)過，保護(hù)繩可直接在地面設(shè)置，或利用腳架系統(tǒng)設(shè)置較低位置的定向使其避開地面以減少磨繩風(fēng)險，但應(yīng)注意：一是在避免磨繩的情況盡量接近地面，二是要盡量收緊避免松弛。

三是一條支腿最多組裝不超過四根支桿（如三條外腿一條內(nèi)腿），所有支腿必須完全插入或伸出連接頭，腳架內(nèi)支桿（可調(diào)節(jié)的支桿）應(yīng)盡量設(shè)置于中部，便于調(diào)整腳架系統(tǒng)的高度。同時，插銷的插入位置和方向需要注意，同時檢查確保插銷完全插入且球鎖正常鎖定。

四是在救援現(xiàn)場組裝腳架系統(tǒng)時，可以先對部分組件進(jìn)行預(yù)組裝，再到使用位置完成全部組裝，也可以在遠(yuǎn)離危險邊緣區(qū)域組裝完畢后，再整體移至使用位置。無論使用何種方法，均需注意使用輔繩連接好相應(yīng)部件或者整個腳架（輔繩可以連接至后方錨），直到腳架系統(tǒng)完全架設(shè)穩(wěn)妥，以防腳架在安裝過程中發(fā)生翻滾或者掉落。