裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)施工升降工作平臺研究

鄒小鋒（上海家樹建筑工程有限公司，上海 201108）

1 施工升降工作平臺構(gòu)造及有限元模型

1.1 升降工作平臺構(gòu)造

升降工作平臺技術(shù)組成部分有多種形式，構(gòu)成不同的類型，形成各自的技術(shù)特點(diǎn)。根據(jù)導(dǎo)柱數(shù)量分為單柱腿和雙柱腿 2 種形式，根據(jù)水平工作平臺級數(shù)分為單級和多級。整機(jī)裝備由導(dǎo)柱裝置、水平工作平臺裝置、附墻裝置和動力裝置4 部分模塊組成，如圖 1 所示。本文結(jié)合工程項(xiàng)目選用的升降工作平臺，主要針對典型的升降工作平臺裝備施工工藝進(jìn)行討論并建立有限元模型。

圖1 單柱單級升降工作平臺結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 有限元模型的建立

1.2.1 建模方案分析

實(shí)際施工平臺結(jié)構(gòu)有一定的復(fù)雜性，既包括豎向?qū)Ъ茕摳駱?gòu)柱框架、水平標(biāo)準(zhǔn)節(jié)三角桁架、機(jī)械提升機(jī)傳動機(jī)構(gòu)、安全鎖機(jī)構(gòu)，還包括電機(jī)、控制箱這樣的電器部分。實(shí)際工作過程中平臺上載荷的作用位置、平臺高度都在不斷變化，自然條件（如風(fēng)載荷）也將對施工平臺結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。在建立有限元模型時無法將所有這些因素都考慮進(jìn)去，因此在保證計(jì)算的準(zhǔn)確性前提下分析 1 臺升降工作平臺時必須對其進(jìn)行一定的簡化，建模簡化需做到模型能夠反映施工平臺結(jié)構(gòu)的真實(shí)力學(xué)特性。在建立模型過程中，對于焊接、鉚接及螺栓連接等均采用節(jié)點(diǎn)合并技術(shù)處理。由于主要對施工平臺整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，故可忽略一些微小結(jié)構(gòu)造成的局部應(yīng)力集中對整機(jī)結(jié)構(gòu)性能的影響，進(jìn)行以下簡化。

(1) 忽略水平工作平臺裝置、導(dǎo)柱裝置上所有螺栓、螺栓孔、銷孔及倒角等對分析影響不大的微小結(jié)構(gòu)。

(2) 忽略各水平工作平臺腳踏鋼絲網(wǎng)、拉桿等，忽略非承載構(gòu)件的影響，并將自重以荷載形式作用于平臺。

(3) 不考慮焊縫材料特性的變化，認(rèn)為焊接處的材料特性與相鄰結(jié)構(gòu)的材料特性相同。事實(shí)證明，良好的焊縫質(zhì)量可以減少應(yīng)力集中。

(4) 忽略雙柱或多柱子平臺微小傾斜引起的位移影響，認(rèn)為工作平臺水平。

(5) 由于提升機(jī)對本文的結(jié)構(gòu)分析影響不大，故在建模時對其進(jìn)行簡化，將其質(zhì)量轉(zhuǎn)化到提升機(jī)安裝架，以保證整機(jī)質(zhì)量不減少。

(6) 附墻裝置與預(yù)制混凝土外墻之間等均采用可靠連接，視其為剛性簡化。

1.2.2 單元選擇及單元特性

采用大型通用有限元分析軟件 ANSYS 建立升降工作平臺的三維空間模型。導(dǎo)架裝置和工作平臺裝置主體部位均采用方形鋼管焊接及螺栓連接而成，其余均為圓鋼筋單元與主體方管單元焊接而成，因此方管可采用 BEAM 188 梁單元進(jìn)行模擬。導(dǎo)架裝置和水平工作平臺裝置內(nèi)部桁架腹桿為圓形，與主體框架焊接而成，可傳遞軸力和彎矩，所以可選用 PIPE 16 單元模擬。由于水平作業(yè)平臺裝置中腳踏板為鋼絲網(wǎng)，對施工平臺整體受力無影響，因此鋼絲網(wǎng)折算為荷載加載予施工平臺，單元截面類型及實(shí)常數(shù)如表 1 所示。

表1 單元截面類型及實(shí)常數(shù)

1.2.3 基本假設(shè)

根據(jù)升降工作平臺的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作狀況，對其進(jìn)行以下基本假設(shè)。

(1) 升降工作平臺整機(jī)結(jié)構(gòu)在線彈性范圍內(nèi)工作。

(2) 整機(jī)升降工作平臺的豎向?qū)Ъ軜?biāo)準(zhǔn)節(jié)及水平工作平臺標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間均采用螺栓可靠連接。由于針對整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，故假定螺栓強(qiáng)度足夠，不發(fā)生破壞。簡化后的各個結(jié)構(gòu)件之間可視為剛性連接。

1.2.4 有限元模型

有限元模型見圖 2。

圖2 有限元模型

2 施工升降工作平臺結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

2.1 工況荷載及邊界條件

根據(jù)規(guī)范的規(guī)定以及升降工作平臺在施工現(xiàn)場使用情況，升降工作平臺荷載可分為以下幾類：① 額定載荷均布；② 125% 額定載荷均布；③ 平臺伸縮梁（外伸 1.5 m）；④ 橫向載荷作用（包括風(fēng)載荷及人為造成的橫向載荷）；⑤ 集中力偏置。

本文主要針對以下 4 種荷載組合工況進(jìn)行靜力分析：工況 1：①④⑤ 組合；工況 2：①③④⑤ 組合；工況 3：②④⑤ 組合；工況 4：②③④⑤ 組合。

2.2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.2.1 結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值和應(yīng)變值

根據(jù)預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)施工應(yīng)用功能需求，升降工作平臺將以雙柱和單柱、單級和雙級等兩兩組合成 4 種形式。經(jīng)計(jì)算，根據(jù)荷載工況設(shè)置，工況 1 至工況 4 均為滿載工況，不同類型升降工作平臺在不同偏置荷載作用下，工作平臺的最大應(yīng)力值和位移值呈現(xiàn)明顯的差異。同類型施工平臺在相同荷載偏置作用下（工況 1、工況 3）的最大應(yīng)力值呈現(xiàn)較小區(qū)別，工況 2 和工況 4 作業(yè)下的應(yīng)力值也非常接近。

以多級升降工作平臺為例，在工況 1 作用下集中荷載對最大應(yīng)力值影響較小，最大應(yīng)力為 69.1 MPa；而在工況 2 作用下施工平臺的最大應(yīng)力增至 171 MPa，變化顯著（圖 3）。圖 4 為雙柱多級升降工作平臺在工況 2 下局部應(yīng)力云圖，在 4 個集中荷載作用下，最大應(yīng)力都集中發(fā)生于平臺伸縮梁懸臂固端。對圖 4 水平工作平臺空間三角桁架應(yīng)力云圖觀察，可以看出，桁架結(jié)構(gòu)腹桿呈現(xiàn)不同顏色單色系桿，說明空間桁架單元腹桿均有應(yīng)力分布，且以軸向力為主。

圖3 雙柱多級工況 1 和工況 2 最大應(yīng)力對比曲線

圖4 雙柱多級工況 2 局部應(yīng)力云圖

由圖 5～圖 7 可以看出，在 4 種工況條件下，升降工作平臺的最大應(yīng)力值及最大變形量隨著集中荷載改變而引起不同程度改變。圖 5 比較了不同均布額定荷載作用下最大應(yīng)力變化曲線，圖 7 比較了集中荷載作用下單柱和雙柱最大應(yīng)力變化曲線，可以得出，改變集中荷載和額定荷載，最大應(yīng)力變化顯著?？傮w說來，升降工作平臺對集中荷載、均布荷載以及荷載偏置都比較敏感，且單柱的荷載敏感性明顯強(qiáng)于雙柱。

圖5 雙柱單級和雙柱多級最大應(yīng)力關(guān)系曲線

圖6 雙柱單級額定荷載作用下最大應(yīng)力關(guān)系曲線

圖7 雙柱多級單柱多級最大應(yīng)力關(guān)系曲線

由圖 8 可以看出，最大應(yīng)力發(fā)生于導(dǎo)柱裝置與附著裝置連接處，根據(jù)應(yīng)力云圖導(dǎo)柱上端應(yīng)力為 33.6～ 60.5 MPa，下端應(yīng)力為 20.0 ～ 33.6 MPa，附墻裝置上端應(yīng)力明顯大于下端。由此可知，附著裝置承擔(dān)了導(dǎo)柱傳遞來的部分彎矩和部分軸力，附著裝置對導(dǎo)柱受力具有分散內(nèi)力的作用；同時也可以認(rèn)為，附著裝置將對預(yù)制混凝土剪力墻墻面產(chǎn)生一定的作用力。

圖8 雙柱多級升降工作平臺在工況 1 時的局部應(yīng)力云圖

2.2.2 各工況下附墻結(jié)點(diǎn)的反作用力

附著裝置連接節(jié)點(diǎn)以固定支座假定，其對豎向?qū)е芰Ξa(chǎn)生了很好的作用。然而，鑒于附著裝置連接在未完全拼裝或未澆筑成型的預(yù)制外觀剪力墻，剪力墻是否牢固可靠將是下一步驗(yàn)算的重點(diǎn)。根據(jù) GB 500019—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的荷載組合的規(guī)定，本文將提取升降工作平臺在 4 種工況下的各附墻節(jié)點(diǎn)反向力，并提取節(jié)點(diǎn)不同反向力最大值，進(jìn)行組合得到不同工況下的最大反向力。

由計(jì)算結(jié)果顯示，各類型升降工作平臺附墻結(jié)點(diǎn)在各工況下反作用力呈現(xiàn)明顯的相似性，各結(jié)點(diǎn)彎矩的大小明顯遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軸力或者剪力的大小，可以進(jìn)行鉸接點(diǎn)假定。各結(jié)點(diǎn)受力以 Y 向軸力和 X 向水平剪力為主，Z 向剪力除局部特殊點(diǎn)外普遍偏小。

3 升降工作平臺瞬態(tài)動力學(xué)分析

主要對高空作業(yè)施工平臺在以下幾種可能出現(xiàn)的瞬態(tài)沖擊的特殊工況進(jìn)行分析：① 工作平臺啟動和制動；② 突然向工作平臺內(nèi)施加載荷（碰撞）；③ 工作平臺受移動載荷作用。

3.1 突然啟動和緊急制動的動力響應(yīng)分析

升降工作平臺、水平工作平臺在地面突然起升、空中突然卸載及空中啟動或制動時，產(chǎn)生一定的動態(tài)沖擊載荷。啟動過程中，當(dāng)動力裝置啟動經(jīng)過較短時間加速，提升機(jī)以全速提升滿載的懸吊平臺離地時，動載荷沖擊比較大。升降工作平臺如遇控制線路斷電或者主電源斷電等情況，制動系統(tǒng)在極短的時間內(nèi)打開，完成對工作平臺制動。在此過程中將產(chǎn)生極大的動載荷動機(jī)。突然啟動和緊急制動，輕則對裝置產(chǎn)生磨損，重則引發(fā)工程事故。

為了能精確模擬該工況下動力響應(yīng)，本文選取了雙柱多級升降工作平臺整機(jī)裝備作為研究對象，利用 ANSYS 分析了高空作業(yè)升降工作突然離地和緊急制動工況下的瞬態(tài)動力響應(yīng)，研究了特殊位置處位移、速度和加速度隨時間的變化情況，并對起升動載系數(shù)、動力響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值進(jìn)行了分析研究。

3.1.1 啟動制動的動力學(xué)模型

升降工作臺突然啟動和緊急制動實(shí)質(zhì)是動力系統(tǒng)（制動系統(tǒng)）使工作平臺的當(dāng)前速度在較短的時間內(nèi)達(dá)到目標(biāo)速度的過程，速度在較短的時間發(fā)生變化而引起較大的慣性加速度。因而，該過程模擬的關(guān)鍵是選取合適的加速度時間變化規(guī)律，并計(jì)算出在此過程中整體結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。

(1) 突然啟動動力模型。建立雙柱多級升降工作平臺沖擊加載有限元模型，加載示意圖見圖 9。預(yù)加速階段外激勵作用（啟動載荷沖擊）時間和穩(wěn)態(tài)加速度段作用時間 ，其大小與起升速度有關(guān)，起升速度越大，t1和 t2越小，結(jié)構(gòu)受到的動態(tài)沖擊效應(yīng)就越顯著。

圖9 突然啟動慣性加速度加載示意圖

建立雙柱多級升降工作平臺沖擊加載有限元模型，見圖 10。預(yù)加速階段外激勵作用（啟動載荷沖擊）時間 和穩(wěn)態(tài)加速度段作用時間 ，其大小與起升速度有關(guān)，起升速度越大，t1和 t2越小，結(jié)構(gòu)受到的動態(tài)沖擊效應(yīng)就越顯著。從圖 9 以及參數(shù)的設(shè)置可以看出，用有限元法模擬升降工作平臺啟動過程的動力響應(yīng)時，預(yù)加速階段和穩(wěn)態(tài)加速階段實(shí)際上非常短暫的，而兩者的時間分配比與動力系統(tǒng)的性能有關(guān)。在這極短的時間內(nèi)，整個結(jié)構(gòu)裝置會產(chǎn)生一個初始變形，變形程度的大小主要取決于這階段時間的大小。

圖10 升降工作平臺啟制動工況有限元模型

(2) 緊急制動動力模型。根據(jù)升降工作平臺操作手冊規(guī)定，制動加速度為 0.1～1.0 g 之間，加載示意圖見圖 11。制動階段的慣性加速度和作用時間與工作平臺的運(yùn)行速度和制動系統(tǒng)的動力性能有直接的關(guān)系。為了便于求解分析，本節(jié)選取多關(guān)鍵點(diǎn)為研究對象，分別為上下施工平臺的平臺中心節(jié)點(diǎn)和左側(cè)端節(jié)點(diǎn)為研究對象。研究其受到啟動和制動慣性載荷瞬態(tài)沖擊后的位移隨時間變化情況；同時得出啟動和制動工況下整機(jī)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力和最大位移，作為設(shè)計(jì)的依據(jù)。

圖11 緊急制動慣性加速度加載示意圖

3.1.2 啟動和制動瞬態(tài)動力學(xué)分析

根據(jù)升降工作平臺操作手冊，突然啟動工況將主要進(jìn)行正常額定均布荷載和 125% 額定荷載為測試依據(jù)。將以靜力學(xué)分析的基本荷載類型為基礎(chǔ)，即荷載工況分為：① 額定載荷均布；② 125% 額定載荷。在啟動制動過程中，一般不進(jìn)行施工作業(yè)，因此集中荷載偏置較小可忽略不計(jì)算。

緊急制動階段，將分為 2 種工況，即：① 滿載制動；② 空載制動。

對雙柱多級升降工作平臺在啟動和制動階段分別進(jìn)行模擬，因此，啟動和制動兩階段再對平臺單級動載和雙級動載 2 種情形分別討論，并求得二者間相互影響。基于 ANSYS 模擬升降工作平臺在啟動階段的瞬態(tài)動力分析，方便、計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，并且能夠有效地預(yù)測節(jié)點(diǎn)動力特性的變化趨勢，從而使結(jié)構(gòu)位移的變化有很好的可控性。升降工作平臺啟動和制動階段的位移響應(yīng)曲線與加速度響應(yīng)曲線具有很高的一致性，且與力學(xué)模型有關(guān)。力學(xué)模型的假定與起升速度有直接關(guān)系，是影響動載系數(shù)的主要因素。啟動、制動速度越大，慣性加速度作用的時間越短，進(jìn)而產(chǎn)生的沖擊載荷就越大，導(dǎo)致動載系數(shù)變大。因此，在施工過程中合理地控制啟動、制動速度，是減小沖擊載荷，延長設(shè)備使用壽命，提高操作人員舒適度的最有效辦法。從安全性考慮，上下平臺間影響較小，各工況最大響應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，整機(jī)結(jié)構(gòu)安全。

3.2 平臺碰撞的動力響應(yīng)分析

升降工作平臺在實(shí)際裝配式建筑外立面施工過程中，常會遇到空中加載、空中卸載以及外物碰撞的情況。如果重物由一定高度落入水平工作平臺內(nèi)，重物無疑對水平工作平臺產(chǎn)生很大的沖擊動載荷。該沖擊載荷常以局部區(qū)域集中的形式加載于升降工作平臺，輕則引起升降工作平臺在一定范圍內(nèi)的振動，重則會對各部件結(jié)構(gòu)造成破壞，例如水平工作平臺桿件破壞、連接部位損壞、整體傾翻等。因此，對這種工況下的動力響應(yīng)進(jìn)行研究是十分必要的。

3.2.1 整體結(jié)構(gòu)有限元模型

建立升降工作平臺整機(jī)有限單元模型，需要處理單元選擇。

本文主要模擬整體結(jié)構(gòu)在突然加載工況下的動力響應(yīng)。為了保證計(jì)算準(zhǔn)確、減小計(jì)算規(guī)模并使模型能夠反映工作的真實(shí)力學(xué)特性，在建模時需要對該升降工作平臺的實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理假定。本模型以上文有限元模型為基礎(chǔ)，具體如下：①選用 Solide 45 單元模擬重物，選用 SHELL 63、SHELL 93 等單元模擬腳踏板；②碰撞接觸模擬基于該例碰撞接觸，無法明確接觸的準(zhǔn)確位置，而接觸面與目標(biāo)面劃分成不同的網(wǎng)格，同時支持大應(yīng)變和大轉(zhuǎn)動。

3.2.2 有限元分析結(jié)果

運(yùn)用 ANSYS 進(jìn)行模擬，對上述 3 種情況下結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力以及碰撞后的動力響應(yīng)特征進(jìn)行求解分析，求解結(jié)果顯示，碰撞對整機(jī)結(jié)構(gòu)受力性能影響較大。模擬的工況均為正常作業(yè)過程中頻繁出現(xiàn)的工況，根據(jù)計(jì)算得到的最大應(yīng)力和最大位移以及動力特性曲線可以看出，正常作業(yè)產(chǎn)生的沖擊都可以滿足整機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度要求。根據(jù)動力響應(yīng)趨勢可以得出，質(zhì)量塊越大、碰撞高度越高，平臺受到的沖擊越大，容易使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)危險。

碰撞破壞一般先發(fā)生于局部構(gòu)件破壞。根據(jù)靜力計(jì)算得出水平工作平臺為空間桁架結(jié)構(gòu)，腹桿鋼筋以軸力為主，空間桁架結(jié)構(gòu)各桿件都有內(nèi)力分布，局部破壞后將引發(fā)整個機(jī)構(gòu)坍塌事故。目前，國內(nèi)發(fā)生的升降工作平臺事故大多由碰撞導(dǎo)致。因此，在裝配式建筑外立面施工過程中，做好升降工作平臺防碰防撞工作是安全施工的首要前提。

4 典型升降工作平臺

4.1 附墻裝置移動式升降工作平臺

通過升降工作平臺結(jié)構(gòu)及施工技術(shù)，可將固定于剪力墻的附墻裝置改進(jìn)為移動式的附墻裝置。通過改變爬升框架構(gòu)造，可提高最上附墻點(diǎn)以上柱導(dǎo)軌架的懸臂高度，同時采用多層作業(yè)平臺，施工人員可同時在不同樓層間作業(yè)面操作。升降工作平臺構(gòu)造圖如圖 12 所示。

圖12 附墻裝置移動式升降工作平臺示意圖

4.2 拉索式升降工作平臺

為適應(yīng)不同建筑體型結(jié)構(gòu)需要，當(dāng)前出現(xiàn)改變工作平臺與立柱連接方式的一種拉索式升降工作平臺。工作平臺采用爬升式提升機(jī)攀爬懸掛機(jī)構(gòu)垂下的鋼絲繩完成作業(yè)工作。其懸掛機(jī)構(gòu)主要有帶配重的杠桿式、夾鉗式及設(shè)于結(jié)構(gòu)本身吊耳等形式，特殊工程的懸掛機(jī)構(gòu)可在設(shè)計(jì)軌道上進(jìn)行滑動，以滿足工程需要。其特征在于提升點(diǎn)平臺用多條加強(qiáng)拉索穿過提升機(jī)安裝架將平臺標(biāo)準(zhǔn)節(jié)對稱拉緊，并能通過緊索器調(diào)節(jié)拉索的預(yù)緊力，將多組單提升點(diǎn)平臺通過螺栓連接形成拉索式高處作業(yè)平臺。

4.3 折疊式升降工作平臺

針對雙柱多級升降工作平臺爬升至較高的裝配式建筑外立面，而空中出現(xiàn)碰撞無法繼續(xù)上爬，工作效率低下且不適應(yīng)不同體量建筑物外立面施工需要的問題。可以將水平工作平臺改進(jìn)設(shè)計(jì)為折疊可調(diào)節(jié)式，從而適用更多建筑體型要求，如圖 13 所示。包括分別固定于地面及建筑物側(cè)面的一對多級水平作業(yè)平臺，水平工作平臺可沿著導(dǎo)柱相對移動。通過收縮或伸展折疊水平工作平臺，使得其長度能夠滿足不同寬度建筑物的施工需要。

圖13 折疊可調(diào)節(jié)式雙柱多級升降工作平臺

5 工程示范

寶山區(qū)某大型居住社區(qū) 0218-02 地塊租賃房項(xiàng)目，1 號、2 號樓 16 層，建筑物高度為 48.32 m；3 號樓 17 層，建筑物高度為 51.22 m；4 號樓 13 層，建筑物高度為 40.82 m；5 號樓 19 層，建筑物高度為 62.22 m；6 號樓 18 層，建筑物高度為 62.22 m；標(biāo)準(zhǔn)層層高均為 2.90 m。項(xiàng)目最大難點(diǎn)為采用 PC 結(jié)構(gòu)施工，懸挑陽臺較多，需要采取加固措施。其中，2 號樓采用雙柱雙級升降工作平臺，提升至屋面層施工結(jié)束，頂部拆除。

6 結(jié) 語

筆者結(jié)合工程實(shí)踐中的技術(shù)要求對升降工作平臺進(jìn)行了多種工況下靜力計(jì)算分析，研究了升降工作平臺的動力特性以及施工中 3 種動力工況的動力響應(yīng)，總結(jié)出一套較為科學(xué)可行的分析計(jì)算方法，為升降工作平臺的建模仿真分析提供分析方法及理論依據(jù)。最后，為保證升降工作平臺工程應(yīng)用的可靠性和安全性，對升降工作平臺在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用和創(chuàng)新作了一些有益的探索和實(shí)踐。