施工升降機Ⅱ型附墻架結(jié)構(gòu)安裝安全性研究

謝貽東，楊明翰，劉佳歡

在施工機械中，施工升降機用于沿導(dǎo)軌架做垂直運輸，其結(jié)構(gòu)由導(dǎo)軌架、吊籠、外籠、傳動系統(tǒng)、附墻架、電纜裝置等組成。其中附墻架是按照一定間距連接升降機導(dǎo)軌架與建筑物的重要側(cè)向支撐構(gòu)件［1］。學(xué)者們在多年的建筑起重機械的研究和檢測工作中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)施工升降機附墻架安裝不規(guī)范的情況，這些不規(guī)范的安裝整改困難，同時在相關(guān)標準及說明書上沒有針對在施工現(xiàn)場條件限制的情況下附墻架的安裝給予技術(shù)指導(dǎo)和說明，因此給施工升降機的管理方、使用方、產(chǎn)權(quán)單位及第三方檢測機構(gòu)帶來了困惑。本文旨在總結(jié)施工升降機附墻架在現(xiàn)實安裝中存在的各種不同情況，并運用傳統(tǒng)計算方法和現(xiàn)代設(shè)計分析手段，探究附墻架的結(jié)構(gòu)安全性。

1 問題與解決思路

施工升降機附墻架基本有六種型號，如圖1（a）-（f）所示。

上述6種型式的附墻架，最常用的為II型附墻架，根據(jù)近10年對北京市施工現(xiàn)場使用的施工升降機檢測情況來看，絕大部分均采用II型附墻架，因此本文重點研究II型附墻架在非正常安裝過程中的結(jié)構(gòu)安全。具體存在問題總結(jié)如下：

（1）附墻架支撐桿接長，接頭處的焊接強度（見圖2）；

（2）附墻架支撐桿接長后，未安裝斜支撐，或者安裝的斜支撐不規(guī)范（見圖3）；

（3）附墻架斜支撐未安裝（見圖3、4）。

圖1 6種型號附墻架

圖2 多處焊接接長的附墻架支撐桿

圖3 附墻架超長支撐桿

圖4 附墻架斜支撐未安裝

對于問題（1）和問題（2），本文通過對附墻架的受力分析、焊縫的強度驗算以及支撐桿的穩(wěn)定性驗算，評價出支撐桿焊縫焊接質(zhì)量及長度對施工升降機安全的影響。對于問題（3），本文運用

計算機三維建模技術(shù)建立附墻架的三維模型，通過ANSYS軟件進行有限元分析，從而分析出該問題的潛在危害。

2 II型附墻架結(jié)構(gòu)安裝安全性研究

2.1 支撐桿接長處接頭焊接問題的安全性研究

施工現(xiàn)場的場地以及樓層結(jié)構(gòu)千差萬別，導(dǎo)致施工升降機在安裝時會遇到各種情況，施工升降機與樓面的距離是最為典型的問題，通常情況下，采用Ⅱ型附墻架的施工升降機，其導(dǎo)軌架中心線距離墻面錨固點的距離為2900～3600mm之間，超出此長度，支撐桿需接長。

2.1.1 附墻架受力計算

根據(jù)附墻架受力（經(jīng)驗）計算公式：

式中 F——附墻架作用在建筑物上的力，kN；

L——附著點距離吊籠中心線的距離，mm；

S——附墻架兩支撐管中心線的距離，mm。

本文選取3個不同L值進行受力計算，S取1430mm，結(jié)果見表1。

表1 不同附著點與吊籠中心線距離下附墻架的受力情況

2.1.2 焊縫強度的計算

附墻架支撐管所用的材料通常為Q235，直徑為Φ76mm，壁厚為4.5mm。采用手工電弧焊進行接長焊接。根據(jù)對接焊縫截面應(yīng)力的驗算公式：

式中 N——軸心拉力或壓力，kN；

l ——焊縫計算長度，mm；

δ ——焊縫計算厚度，mm；

［σh］——對接焊縫的許用正應(yīng)力，MPa。

施工升降機在現(xiàn)場安裝過程中，當(dāng)支撐管長度不夠，需要接長時，通常由工人現(xiàn)場將鋼管對接焊接，無相應(yīng)的焊接工藝處理，如打坡口等。因此在計算焊縫截面應(yīng)力時，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，采用以下假定：

（1）考慮到采用手工電弧焊、工人素質(zhì)、未打坡口以及鋼管材料壁厚的制造誤差等，取焊縫計算厚度δ為4mm；

（2）考慮附墻架的斜支撐未安裝，且N=F/2。因此可計算出焊縫的截面應(yīng)力，詳見表2。

表2 焊縫截面應(yīng)力

由計算結(jié)果可以得出：σ＜125MPa，因此支撐管接長處焊縫的截面應(yīng)力滿足要求，能夠保證附墻架的結(jié)構(gòu)安全。

2.2 II型附墻架結(jié)構(gòu)安裝安全性研究

2.2.1 載荷計算

根據(jù)GB26557—2011 《吊籠有垂直導(dǎo)向的人貨兩用施工升降機》中所規(guī)定的載荷情況，選取Ia工況：最大工作載荷工況。本文研究的施工升降機的型號為：SC200/200TD，相關(guān)參數(shù)如表3所示。

表3 SC200/200TD型施工升降機相關(guān)參數(shù)

（1）標準節(jié)風(fēng)載荷P0。

當(dāng)風(fēng)向和標準節(jié)縱軸線或標準節(jié)表面垂直時，風(fēng)載荷按（1）、（2）、（3）式計算：

式中 P0—— 工作狀態(tài)作用在每個標準節(jié)上的最大風(fēng)載荷，N；

C——風(fēng)力系數(shù)；

P1——風(fēng)力系數(shù)，取250N/m2；

A—— 標準節(jié)垂直于風(fēng)向的實體迎風(fēng)面積，m2；

η ——擋風(fēng)折減系數(shù)，取0.25；

A0——構(gòu)件迎風(fēng)面積的外形輪廓面積，m2；

φ——結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面充實率。

則計算結(jié)果P0=230N。

（2）傳動機構(gòu)風(fēng)載荷P2。

運用式（1）計算傳動機構(gòu)風(fēng)載荷，取C=1.2，則計算結(jié)果P2=230N。

（3）吊籠風(fēng)載荷P3。

運用式（1）計算吊籠風(fēng)載荷，取C=1.2，P3=2812.8N。

（4）載重、吊籠、傳動小車的垂直載荷G。運用式（4）和（5）計算載重、吊籠、傳動小車的垂直載荷：

式中 G——垂直載荷，N；

G1——載重、吊籠、小車的自重，N；

μ——沖擊系數(shù)；

v——額定提升速度，m/s。

則計算結(jié)果P3=55369.6N。

（5）載重、吊籠、小車的偏心彎矩計算M。

垂直載荷對標準節(jié)中心引起的彎矩為M，設(shè)定垂直方向為Z軸，向上為正，平行于吊籠長度方向為X軸，垂直于吊籠長度方向為Y軸。

根據(jù)GB/T10054-2005 《施工升降機》對載荷重心位置的規(guī)定，可計算

MX=動載荷系數(shù)×（載重+吊籠自重）×吊籠載重力臂+動載荷系數(shù)×傳動小車自重×傳動小車力臂。

將MX、My引起的彎矩等效作用在標準節(jié)4個主肢的頂端，且方向為垂直方向，則：

2.2.2 附墻架三維建模

運用Pro/E 5.0三維建模技術(shù)，對附墻架和標準節(jié)分別建立三維模型，然后裝配成裝配體。本文重點研究4種狀態(tài)：

（1）支撐桿長度為1.5m的標準附墻架且安裝斜支撐（見圖5）；

圖5 標準附墻架模型

（2）支撐桿長度為1.5m的標準附墻架不安裝斜支撐（見圖6）；

（3）支撐桿長度為4m的標準附墻架且安裝斜支撐（見圖7a）；

（4）支撐桿長度為4m的標準附墻架不安裝斜支撐（見圖7b）。

圖6 標準附墻架無斜支撐模型

圖7 加長附墻架模型

圖8 附墻架結(jié)構(gòu)安裝模型

2.2.3 II型附墻架結(jié)構(gòu)安裝安全性研究有限元分析

將附墻架結(jié)構(gòu)安裝模型另存為.igs文件，導(dǎo)入ANSYS分析軟件，進行相關(guān)設(shè)置以及約束、加載、網(wǎng)格劃分和分析計算，附墻架4種不同狀態(tài)最后得到的應(yīng)力和應(yīng)變?nèi)鐖D9～16所示。

圖9 標準附墻架應(yīng)力分布圖

圖10 標準附墻架形變分布圖

圖11 無斜支撐標準附墻架應(yīng)力分布圖

圖12 無斜支撐標準附墻架形變分布圖

圖13 加長標準附墻架應(yīng)力分布圖

圖14 加長標準附墻架形變分布圖

圖15 加長無斜支撐附墻架應(yīng)力分布圖

圖16 加長無斜支撐附墻架形變分布圖

2.2.4 II型附墻架結(jié)構(gòu)安裝安全性研究結(jié)論

通過對附墻架建模和有限元分析，4種不同附墻架安裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變情況如表4所示。

通過表4可得出如下結(jié)論：

（1）4種附墻架結(jié)構(gòu)支撐桿根部應(yīng)力均較小，最大17.4MPa，但無斜撐桿的大于有斜撐桿；

（2）4種附墻架結(jié)構(gòu)變截面危險點的最大應(yīng)力均在80MPa內(nèi)，且變化不明顯；

（3）4種附墻架結(jié)構(gòu)分析模型形變變化情況明顯，無斜支撐的比有斜支撐的大，加長附墻架的比標準附墻架變化大，但標準長度附墻架有無斜支撐變化不大，分別為2.01mm和2.76mm，加長附墻架有無斜支撐變化明顯，分別為2.85mm和7.22mm。

表4 4種不同附墻架安裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變情況表

3 結(jié)論

通過對施工升降機II型附墻架結(jié)構(gòu)安裝安全性研究，可得出以下結(jié)論：

（1）對于標準長度附墻架，安裝和不安裝斜支撐，附墻架支撐桿根部截面應(yīng)力變大，但整體應(yīng)力值較小，均在20MPa以下；同時，形變變化也較小，由2.01mm增加到2.76mm，因此在樓層較低、非特殊場合下，標準長度附墻架不安裝斜支撐能夠保證安全使用。

（2）對于加長附墻架，安裝和不安裝斜支撐，附墻架支撐桿根部截面應(yīng)力變大，但整體應(yīng)力值較小，均在20MPa以下；但形變非常大，由2.85mm增加到7.22mm，因此對于加長附墻架，斜撐桿必須安裝。

［1］ GB26557—2011. 吊籠有垂直導(dǎo)向的人貨兩用施工升降機［S］.

［2］ 濮良貴，紀名剛. 機械設(shè)計（第七版）［M］. 北京：高等教育出版社，2001.

［3］ 吳宗澤. 機械設(shè)計實用手冊（第三版）［M］. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.652-679.

［4］ 韓先征，等. Pro/ENGINEER Wildfire 5.0應(yīng)用實踐［M］. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

［5］ 喬建軍，等. Pro/ENGINEER Wildfire 5.0動力學(xué)與有限元分析從入門到精通［M］. 北京：機械工業(yè)出版社，2010.