裝配式移動平臺設(shè)計及安全性分析

侯照保，郭云飛，郭愛芹

（1、廣州市市政集團有限公司 廣州 510060；2、廣州市市政集團設(shè)計院有限公司 廣州 510060）

0 引言

2016 年，國務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》，裝配式建筑的發(fā)展逐漸推向高潮［1-2］，橋梁工程中，主體結(jié)構(gòu)的裝配化施工正在穩(wěn)步發(fā)展，與此同時，在橋梁工程施工過程中，諸多大臨鋼結(jié)構(gòu)也逐步采用裝配式的概念，將模塊化鋼構(gòu)件（基本拼裝單元）提前在加工廠內(nèi)制作完成，然后運輸至施工現(xiàn)場，通過螺栓連接、銷軸連接等連接形式實現(xiàn)拼接組裝，形成裝配化的大臨鋼結(jié)構(gòu)，裝配化概念的引入，大幅度減少在現(xiàn)場高空焊接的作業(yè)量，加快施工速度，保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量，有助于在不改變原有主要受力構(gòu)件性能和完整性的前提下，實現(xiàn)重復(fù)循環(huán)利用?；谑┕さ谋憬菪院唾|(zhì)量的優(yōu)越性，大臨結(jié)構(gòu)的裝配化成為目前行業(yè)發(fā)展的大趨勢。

施工平臺是大臨結(jié)構(gòu)的重要內(nèi)容之一，行業(yè)內(nèi)對移動平臺的研究也比較多，例如，韓紀亮等人［3］對收折式移動平臺在高墩現(xiàn)澆箱梁中的應(yīng)用進行了研究，蘇立超［4］對移動支架異步施工法在波形鋼腹板組合橋梁中的應(yīng)用展開了研究，王海林［5］對大跨度波形鋼腹板連續(xù)梁橋移動支架法施工進行了研究，鄧林對現(xiàn)澆箱梁組合移動支架體系進行了設(shè)計計算及試驗分析［6］。裝配式移動平臺應(yīng)用逐漸增多，但是，標準化、模塊化程度還是不夠高，部分裝配式移動平臺構(gòu)件連接的可行性以及操作的適用性欠佳，安全可靠度有些還需要進一步深入研究驗證。本文針對裝配化施工的移動平臺，進行安全性分析，通過運用有限元計算軟件，建立移動平臺模型，設(shè)置邊界、荷載條件，分析了在自重、施工活荷載以及風(fēng)荷載等荷載組合工況下，裝配式移動平臺的強度、剛度及穩(wěn)定性［7-8］，計算結(jié)果表明移動平臺的安全系數(shù)滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準：GB 50017—2017》［9］要求，內(nèi)力、變形以及整體穩(wěn)定性均能較好地控制在安全范圍內(nèi)，配套的安全保障措施能使移動平臺充分保證安全性，根據(jù)裝配式移動平臺各結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計參數(shù)進行裝配化拼裝，可以滿足移動平臺的安全要求，為同類型裝配式移動平臺的設(shè)計及施工提供經(jīng)驗。

1 工程概況

某高速公路一標里程為K0+000～K1+100，全長1.1 km，位于廣州市白云區(qū)，主要工程內(nèi)容為修建太成互通式立交，橋梁上部結(jié)構(gòu)形式包含現(xiàn)澆箱梁、鋼箱梁、預(yù)制小箱梁和空心板。鋼箱梁結(jié)構(gòu)位于既有的高速公路之上，箱梁的結(jié)構(gòu)類型為一箱兩室、一箱三室、一箱五室結(jié)構(gòu)，鋼箱梁的3種橋?qū)?0.5 m、12.5 m、15.5 m，橋身高度統(tǒng)一，單跨度最長為55.0 m。

鋼箱梁架設(shè)時，鋼結(jié)構(gòu)箱體就位后，為完成各個箱體之間的連接，接縫位置需要現(xiàn)場焊接，鋼箱梁的頂板以及箱室內(nèi)部焊接相對方便，但是，鋼箱梁挑翼和底板下部中間的焊接較為困難，通長情況下使用舉高車或搭設(shè)鋼管支架，由于鋼箱梁大多跨越既有的高速公路，如此會臨時封閉交通，造成不良的影響。因此，該工程在箱梁頂部設(shè)計了一種移動式工作平臺，作業(yè)人員可以直接在此移動平臺上進行焊接，在不影響交通行車的情況下能夠正常焊接。

2 裝配式移動平臺設(shè)計及施工

2.1 移動平臺設(shè)計

⑴移動式工作平臺采用鋼材制作的方管制成鋼桁架，桁架之間用高強螺栓接連，下部鋪設(shè)木板和鐵板。根據(jù)鋼箱梁的3 種橋?qū)?，將移動平臺設(shè)計成組合通用型的結(jié)構(gòu)，通過更換中間連接節(jié)段長度調(diào)整適用橋?qū)?，標準組合節(jié)段之間使用8.8級高強度螺栓連接；架體采用方管50 mm×3.5 mm 和40 mm×3 mm 兩種規(guī)格，材料選用Q235，結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.1 Structural Design （mm）

⑵移動式工作平臺的鋼桁架在橋面作4點支承，一側(cè)配備2 個減速電動輪，另一側(cè)配備2 個一般萬向輪，用于支架平臺移動。萬向輪為工業(yè)用8寸鐵芯PU聚氨酯類超重型萬向輪，帶剎車器，最大承重力為1.5 t。

⑶平臺底部桁架離橋底需至少保持100 mm，一般情況為200 mm，兩側(cè)立架離挑翼邊距離為280 mm，預(yù)留活動空間，保證移動式工作平臺移動過程不會受阻。

⑷ 平臺底部橫向桁架同時充當作業(yè)平臺的圍欄，桁架高度為0.926 m，組合最大長度為16.9 m，寬度1.885 m。

⑸底部平臺下方鋪設(shè)20 mm 木板，再在兩側(cè)圍欄及木板上鋪一層0.8 mm鐵皮，可根據(jù)現(xiàn)場實際使用情況加鋪一層防火布。

2.2 移動平臺安裝

移動平臺支架分上、下兩部分結(jié)構(gòu)；先將支架的上部吊裝至橋面，再在上部支架的正下方空地位置，組裝下部支架平臺，在支架兩端使用卷揚機配合導(dǎo)輪，將下部平臺架整體提升，并拼裝成型。拼裝前后的示意圖如圖2所示。

圖2 拼裝前后示意圖Fig.2 Schematic Diagram before and after Assembly

2.3 配套的安全保障措施

⑴用40 mm×40 mm×3 mm 的方管在移動平臺的下部按圖示尺寸焊接支架，然后各設(shè)置2個定位輪，輪徑200 mm，輪邊離鋼箱梁腹板50 mm 作活動距離，用于調(diào)整支架順橋型方向行走和起限位作用，橫向限位裝置示意圖如圖3所示。

圖3 橫向限位裝置示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Horizontal Limit Device（mm）

⑵支架平臺每次停車施工時，橋面所有的行走輪必須踩下剎車裝置，使行走輪停止移動。隨后斷開電動輪電源，并在4處行走輪側(cè)塞置斜木，防止支架滑動；若鋼箱梁橋面縱橫坡坡度過大，可在移動平臺與鋼箱梁梁體之間用4 根12 mm 鋼絲繩拉設(shè)緊固，優(yōu)先與梁表面吊耳緊固，若吊耳不方便可用HPB300 鋼筋彎成直徑8～10 cm的半圓形狀再與鋼箱梁焊接作為固定支座，再勾住即可，纜風(fēng)繩布置如圖4所示。

圖4 纜風(fēng)繩布置示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Cable and Wind Rope Layout

⑶任何情況下，兩側(cè)卷揚機鋼絲繩都要保持與下方作業(yè)平臺連接，鋼絲繩不得松弛，作為除上、下部結(jié)構(gòu)螺栓連接外的第二道保障。

3 移動平臺結(jié)構(gòu)驗算

3.1 有限元分析模型

3.1.1 節(jié)點及單元模型簡化

采用有限元計算分析軟件Midas-Civil 建立整體移動平臺模型，單元簡化如下：格構(gòu)架的方形鋼管為梁單元，底木板為板單元。采用線彈性本構(gòu)模型進行分析。

3.1.2 材料及邊界條件

移動平臺支撐點約束設(shè)置為：一般支承D-all，支架采用方管50 mm×3.5 mm 和40 mm×3 mm 兩種規(guī)格，材料選用Q235，底木板的板單元的“板厚”、“面內(nèi)和面外”均設(shè)置為2 cm。

3.1.3 荷載

荷載取值主要依據(jù)《建筑施工承插型盤扣式鋼管腳手架安全技術(shù)標準：JGJ∕T 231—2021》［10］和《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009—2012》［11］，對荷載及其荷載分項系數(shù)作如下取值：

自重：軟件自動形成移動平臺自重。

施工活荷載：施工人員及設(shè)備荷載標準值為2.5 kN∕m2；

風(fēng)荷載：根據(jù)文獻［11］第8.1.1條，wk=βz·μs·μz·w0

風(fēng)振系數(shù)βz取1，風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz取1.52。地形取B類地區(qū)，R=50，基本風(fēng)壓w0取0.5 kN∕m2，風(fēng)荷載體型系數(shù)取值如下：

單榀桁架（橫橋向）：

故模型中簡化的線荷載：0.26×0.05=0.013 kN∕m2多榀桁架（縱橋向）：

故模型中簡化的線荷載：0.26×0.05=0.035 kN∕m2。

縱、橫向風(fēng)荷載如圖5所示。

圖5 縱、橫向風(fēng)荷載Fig.5 Longitudinal and Transverse Wind Loads

荷載組合為：1.3×自重+1.5×施工活荷載+1.5×風(fēng)荷載。

3.2 移動平臺結(jié)構(gòu)驗算結(jié)果

為驗算移動平臺的可靠性，以下對移動平臺的強度、剛度及穩(wěn)定性均進行驗算。

3.2.1 強度驗算移動平臺桁架的應(yīng)力云圖如圖6 所示，最大應(yīng)力154 MPa；最大應(yīng)力小于鋼管的設(shè)計應(yīng)力215 MPa，滿足強度要求。

圖6 應(yīng)力云圖Fig.6 The Stress Nephogram

3.2.2 剛度驗算

移動平臺桁架的變形云圖如圖7所示，位移最大值為-30.25 mm，平均值為-6.42 mm。變形較小，未超過變形限值：1∕400×16 900 mm=42.25 mm，滿足文獻［9］要求。

圖7 變形云圖Fig.7 Deformation Nephogram

3.2.3 穩(wěn)定性驗算

移動平臺桁架的一階屈曲模態(tài)云圖如圖8 所示，結(jié)構(gòu)一階屈曲模態(tài)計算特征值（臨界荷載系數(shù)）為6.43＞4.0，滿足整體穩(wěn)定性的要求。

圖8 一階屈曲模態(tài)云圖Fig.8 First Order Buckling Modal Cloud Image

4 移動平臺安全措施驗算

4.1 螺栓強度驗算

裝配式移動平臺桁架的基本模塊單元之間結(jié)合法蘭盤，采用螺栓連接，連接節(jié)點螺栓布置如圖9 所示，根據(jù)文獻［9］第11.4.2條，摩擦型高強螺栓承載力：

圖9 連接節(jié)點螺栓布置示意圖Fig.9 Schematic Diagram of Connecting Joint Bolts（mm）

其中，P為一個高強螺栓的預(yù)拉力設(shè)計值。

經(jīng)有限元模型分析計算，螺栓連接處桿件的最大受力為3.6 kN，連接處共4 個螺栓，每個螺栓受力為3.6∕4=0.9 kN≤=64 kN，螺栓強度滿足要求。

4.2 纜風(fēng)繩驗算

4.2.1 縱向纜風(fēng)繩

經(jīng)有限元模型分析計算，支點的縱向水平反力為1.7 kN。纜風(fēng)繩傾角為45°，則斜向鋼絲繩的受力為1.7∕cos45°=2.4 kN，取鋼絲繩的安全系數(shù)為10，則有鋼絲繩的破斷拉力為P=10×2.4=24 kN；

鋼絲繩的公稱抗拉強度為1 700 MPa，那么需要配置的鋼絲總斷面面積的最小值為：

根據(jù)《路橋施工計算手冊》［12］規(guī)格參數(shù)表，取直徑8.7 mm 的鋼絲繩，鋼絲繩鋼絲總斷面積27.88 mm2＞17.24 mm2，即可滿足使用需求。

4.2.2 橫向纜風(fēng)繩

經(jīng)有限元模型分析計算，支點的橫向水平反力為275.6 N。纜風(fēng)繩傾角45°，鋼絲繩受力為275.6∕cos45°=389.8 N，取鋼絲繩的安全系數(shù)為10，則有鋼絲繩的破斷拉力P=10×389.8=3 898 N；

鋼絲繩的公稱抗拉強度為1 700 MPa，那么需要配置的鋼絲總斷面積的最小值為：

根據(jù)《路橋施工計算手冊》規(guī)格參數(shù)表，取直徑8.7 mm 鋼絲繩，鋼絲繩鋼絲總斷面積27.88 mm2，即可滿足使用需求。

綜上4.2.1 和4.2.2 小節(jié)分析，縱向纜風(fēng)繩和橫向纜風(fēng)繩，統(tǒng)一取直徑8.7 mm 鋼絲繩，鋼絲繩鋼絲總斷面積27.88 mm2，即可滿足使用需求。

4.3 兜底鋼絲繩驗算

經(jīng)有限元模型分析計算，連接處桿件的最大受力為3.6 kN，鋼絲繩受力為3×3.6=10.8 kN，取鋼絲繩的安全系數(shù)為10，則有鋼絲繩破斷拉力為P=10×10.8=108 kN；

公稱抗拉強度1 700 MPa，那么需要配置的鋼絲總斷面積的最小值為：

根據(jù)文獻［12］規(guī)格參數(shù)表，取直徑為15 mm 的鋼絲繩，鋼絲繩鋼絲總斷面積為85.39 mm2，即可滿足使用需求。

4.4 底木板驗算

采用厚度為20 mm的木板均勻鋪在移動平臺底板下，移動平臺底板示意圖如圖10 所示，承受施工人員荷載和少量小型機具的荷載，均布荷載取2.5 kN∕m2。取木板最大受力面積單元（0.6 m×1.0 m）進行計算，根據(jù)文獻［12］，所需要的木板厚度分別按強度和剛度進行計算。

按強度要求：

按剛度要求：

H取值的最小值應(yīng)為H=17.41 mm＜20 mm。因此，厚度為20 mm的底木板可以滿足要求。

圖10 移動平臺底板示意圖Fig.10 Schematic Diagram of Moving Platform Base Plate （mm）

5 結(jié)語

本文針對裝配式移動平臺，闡述了裝配式移動平臺的設(shè)計和施工，結(jié)合工程實例，采用有限元軟件建立裝配式移動平臺結(jié)構(gòu)模型，設(shè)置邊界、荷載條件，分析了裝配式移動平臺的受力、變形以及整體穩(wěn)定性，得到裝配式移動平臺的強度、剛度以及穩(wěn)定性均滿足文獻［9］要求，并具有較大的安全儲備，移動平臺配套的安全措施均能滿足使用要求，較好地為移動平臺的安全性能提供保證。裝配式移動平臺設(shè)計合理、安全可靠、施工便捷，為同類型裝配式移動平臺的設(shè)計及施工提供參考。