附著式升降防護(hù)平臺(tái)避讓裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用

鄭 輝，徐洪廣，李占福，黃 霞

（中建海峽建設(shè)發(fā)展有限公司，福州 福建 350015）

1 引言

附著式升降防護(hù)平臺(tái)是一種高性能、高防護(hù)的成套機(jī)械設(shè)備，因其制造成本低，安全可靠性好，施工效率高，操作簡(jiǎn)單，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高層與超高層建筑施工中［1］。然而，附著式升降防護(hù)平臺(tái)在施工升降過程中易與塔式起重機(jī)或其他施工器械產(chǎn)生干涉作用，故在干涉處常設(shè)有斷口，導(dǎo)致防護(hù)平臺(tái)架體容易變形且難以恢復(fù)到位。此外，多次拆裝的累計(jì)誤差易使架體傾斜，進(jìn)一步影響施工安全［2］。目前，我國(guó)對(duì)附著式升降防護(hù)平臺(tái)的技術(shù)創(chuàng)新，主要集中在提升方式、防墜落技術(shù)、導(dǎo)軌、架體和附墻裝置等方面［3］，對(duì)解決架體與其他器械間干涉問題的研究還較少。因此，為解決現(xiàn)有附著式升降防護(hù)平臺(tái)在施工流水作業(yè)之間存在干涉問題，同時(shí)保證架體強(qiáng)度，提出一種“吊橋式”避讓裝置的附著式升降防護(hù)平臺(tái)，結(jié)合理論計(jì)算和試驗(yàn)檢驗(yàn)對(duì)底盤桁架進(jìn)行強(qiáng)度校核與撓度分析，驗(yàn)證“吊橋式”避讓裝置結(jié)構(gòu)的可行性，保證新型附著式升降防護(hù)平臺(tái)操作安全，使其高效、便捷地服務(wù)于工程施工。

2 避讓裝置技術(shù)難點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)

附著式升降防護(hù)平臺(tái)施工工藝中，塔式起重機(jī)錨固桿處破斷口一直是該技術(shù)的瓶頸，怎樣實(shí)現(xiàn)架體在升降過程中避開塔式起重機(jī)錨固桿，同時(shí)在架體通過錨固桿后可以迅速恢復(fù)，并避免架體傾斜誤差的產(chǎn)生，保證架體恢復(fù)到初始搭設(shè)狀態(tài)是突破該技術(shù)瓶頸的難點(diǎn)。

經(jīng)過分析認(rèn)為，架體底盤具有較高的剛度要求，故連接方式為固定式連接，因而拆除難度大。同時(shí)，作業(yè)點(diǎn)是底盤位置，拆除屬于高空斷口作業(yè)，危險(xiǎn)系數(shù)大。需設(shè)計(jì)一種操作簡(jiǎn)單，連接可靠，拆除安全方便的連接結(jié)構(gòu)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)塔吊錨固桿破斷口處架體的拆除。拆除后恢復(fù)到安裝尺寸，即每次安裝過程中保證架體無(wú)變形，從而實(shí)現(xiàn)架體不產(chǎn)生變形累加，保證架體安全。

由此，提出吊橋式結(jié)構(gòu)的避讓裝置，“吊橋”可翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的避讓裝置，避免施工安全防護(hù)平臺(tái)在施工升降作業(yè)過程中與其他施工器械產(chǎn)生干涉，徹底解決了防護(hù)平臺(tái)在其他施工器械的影響下，造成平臺(tái)架體變形，強(qiáng)度減弱，影響平臺(tái)施工作業(yè)中的安全性能。同時(shí)，避讓裝置左右水平梁桁架間連接處采用補(bǔ)縫板連接，使避讓裝置形成整體結(jié)構(gòu)。補(bǔ)縫板與水平梁桁架間采用銷軸連接，當(dāng)?shù)妆P桁架與水平梁桁架出現(xiàn)變形時(shí)，通過安裝補(bǔ)縫板，可對(duì)變形量進(jìn)行及時(shí)修正，保證架體在通過塔式起重機(jī)錨固桿前后不會(huì)變形與傾斜，使架體始終能恢復(fù)至初始搭設(shè)狀態(tài)，從而消除多次提升架體導(dǎo)致變形累加帶來(lái)的安全隱患。

3 避讓裝置工作原理

通過在架體干涉處安裝避讓裝置結(jié)構(gòu)，避讓裝置水平梁桁架與底盤桁架采用銷軸結(jié)構(gòu)的鉸鏈連接，使避讓裝置桁架在避讓塔吊錨固桿時(shí)可繞銷軸旋轉(zhuǎn)而無(wú)需拆卸整個(gè)桁架，減少裝拆避讓位置桁架工作量。避讓裝置具體工作過程如下：初始時(shí)，架體處于水平狀態(tài)。當(dāng)架體提升，通過塔式起重機(jī)錨固桿前，先將中間補(bǔ)縫板拆除，再通過鋼絲繩將水平梁桁架繞上側(cè)鉸鏈點(diǎn)旋轉(zhuǎn)向兩側(cè)拉起，通過塔式起重機(jī)錨固桿后，將水平梁桁架放回，安裝補(bǔ)縫板，使架體恢復(fù)初始水平狀態(tài)。其工作原理，如圖1所示。

圖1 避讓裝置工作原理Fig.1 Working Principle of Avoidance Device

4 避讓裝置安裝要點(diǎn)

附著式升降防護(hù)平臺(tái)在施工過程中，架體易與塔式起重機(jī)錨固桿產(chǎn)生干涉，故采用避讓裝置搭設(shè)。同時(shí)由于水平梁之間存在內(nèi)力，拆除存在變形，提升完畢后復(fù)原難度大，需預(yù)留變形縫。在搭設(shè)塔式起重機(jī)錨固桿處桁架時(shí)必須對(duì)塔式起重機(jī)錨固位置預(yù)先進(jìn)行放線處理，留出錨固桿位置再進(jìn)行施工安全防護(hù)平臺(tái)安裝，安裝時(shí)必須保證塔式起重機(jī)錨固桿與防護(hù)平臺(tái)留有一定的安全距離。另外，附著式升降防護(hù)平臺(tái)升降作業(yè)之前塔式起重機(jī)附墻桿附近的架體底部需另設(shè)鋼絲繩向兩側(cè)反拉，進(jìn)一步加固避讓裝置結(jié)構(gòu)安全。塔式起重機(jī)布置避讓示意，如圖2所示。

圖2 塔式起重機(jī)布置示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Tower Crane Layout

5 避讓裝置驗(yàn)算校核

5.1 避讓裝置受力分析

為了保證施工安全，避讓裝置不僅要滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，還需要具備一定的強(qiáng)度。近似解析法可提供相關(guān)問題的定性結(jié)果，為最終結(jié)論提供參考。將避讓裝置水平梁桁架的架體主要型材視為連續(xù)的整體，采用近似解析法，進(jìn)行強(qiáng)度和撓度的分析。架體中間位置為水平梁桁架避讓結(jié)構(gòu)最薄弱部分，故只需分析該部分結(jié)構(gòu)是否滿足要求即可。計(jì)算簡(jiǎn)圖，如圖3所示。

圖3 計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.3 Calculation Diagram

（1）不考慮架體自重，對(duì)避讓裝置底部空間桁架的架體尺寸和所用材料進(jìn)行初步選取。

根據(jù)《建筑施工腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ202-2010）［4］要求，架體寬度不大于1.2m。通過分析架子工體型，使避讓裝置的設(shè)計(jì)寬度與空間桁架設(shè)計(jì)寬度一致，為0.75m，基本可以滿足兩個(gè)架子工交叉通過，又可以允許一個(gè)架子工雙手持有操作工具且正面通行。為減少架體用料，同時(shí)保證架體強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求，結(jié)合設(shè)計(jì)理念與施工經(jīng)驗(yàn)，空間桁架的設(shè)計(jì)高度為0.35m，腹桿的連接方式為焊接［5-6］。水平支承桁架撓度極限值為L(zhǎng)/250mm（L為受彎桿件跨度），架體計(jì)算跨度L=10m，使用工況下的桁架結(jié)構(gòu)施工活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為3kN/m2。由于桁架為兜底支撐架，即存在臨時(shí)額外載荷的可能，分析加載的施工載荷以4kN/m2計(jì)算。

①總荷載（不考慮架體自重）

式中：Qjk—施工荷載。計(jì)算時(shí)取Qjk=4kN/m2。

②跨中最大彎矩

③架體所需的凈截面模量

式中：和分別為語(yǔ)言變量和對(duì)應(yīng)的三角模糊數(shù)，當(dāng)Rij?時(shí)，F(xiàn)ij表示Rij相對(duì)于產(chǎn)生的損失，Rij越優(yōu)，產(chǎn)生的損失越大；當(dāng)Rij時(shí)，F(xiàn)ij表示Rij相對(duì)于產(chǎn)生的損失，Rij越劣，產(chǎn)生的損失越大；當(dāng)時(shí)，F(xiàn)ij表示Rij相對(duì)于既無(wú)獲得收益也無(wú)產(chǎn)生損失。

式中：γx—截面塑性發(fā)展系數(shù)，γx=1.0。

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017-2003）［6］，架體水平連接桁架片均選用等邊角鋼∟63×63×6，其理論質(zhì)量為5.721kg/m，自重為0.056 kN/m；架體內(nèi)部?jī)A斜與垂直連接桁架片選用等邊角鋼∟40×40×4，其理論質(zhì)量為2.422kg/m，自重為0.024 kN/m。

架體橫向腹桿上下共有24根，每根所用角鋼長(zhǎng)730mm，總長(zhǎng)為10×4+（350-63×2）×16/1000+24×730/1000=61.104m。架體豎向與傾斜腹桿分別為8根330mm角鋼與16根420mm角鋼，總長(zhǎng)為（8×330+16×440）/1000=9.36m。

（2）考慮架體自重，對(duì)空間桁架進(jìn)行強(qiáng)度校核與撓度分析。

①總荷載（考慮架體自重）

架體自重荷載：

②總彎矩

架體截面，如圖1（a）所示。相較于整個(gè)架體而言，腹桿所增加的截面面積較小，故不考慮腹桿對(duì)架體截面慣性矩與截面模量的影響。架體的截面慣性矩與截面模量可按下式近似計(jì)算：

式中：E—彈性模量，E=20600N/mm2。由上述分析結(jié)果可知，空間桁架避讓結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與撓度均滿足規(guī)范要求。

5.2 避讓裝置有限元分析

為進(jìn)一步確定構(gòu)件受力變形情況，采用有限元軟件ANSYS對(duì)避讓裝置水平梁桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。ANSYS前處理中默認(rèn)材料材質(zhì)為鋼材，故只需定義連接件和銷軸的材料屬性。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，連接件和銷軸均采用45鋼，材料密度ρ=7890kg/m3，泊松比μ=0.28，抗拉強(qiáng)度σb=400MPa，屈服強(qiáng)度σs=320MPa，彈性模量E=210GPa。下面對(duì)空間桁架避讓結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證空間桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性［7-8］。

底盤桁架水平梁避讓結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析加載方式為架體自重及施工載荷［9］，施工載荷為4kN/m2。經(jīng)有限元載荷分析可得應(yīng)力最大處為137MPa，應(yīng)力值小于Q235鋼材的許用應(yīng)力，如圖4所示。

圖4 底盤桁架水平梁避讓結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析Fig.4 Strength Analysis of Horizontal Beam Avoidance Structure of Chassis Truss

從底盤桁架水平梁避讓結(jié)構(gòu)位移云圖的輸出值可以得出水平梁避讓結(jié)構(gòu)中間節(jié)點(diǎn)的最大位移為5mm，遠(yuǎn)小于水平支承桁架的撓度極限值，桁架空間水平梁避讓結(jié)構(gòu)滿足要求，如圖5所示。

圖5 底盤桁架水平梁避讓結(jié)構(gòu)位移云圖Fig.5 Displacement Cloud Diagram of Chassis Truss Horizontal Beam Avoidance Structure

為了解空間桁架結(jié)構(gòu)在施工工況下所受載荷不確定性的情況，分析空間桁架結(jié)構(gòu)在五種施工荷載下的變形，從而了解空間桁架在實(shí)際各種工況下的大致情況。不同施工載荷情況下，桁架避讓結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力和最大變形，如表1所示。表明空間桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度具有一定的安全儲(chǔ)備，滿足使用要求。

表1 避讓裝置桁架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形Tab.1 Stress and Deformation of the Truss Structure of the Avoidance Device

5.3 避讓裝置試驗(yàn)校核

避讓裝置置于空間桁架中間位置時(shí)整體結(jié)構(gòu)最薄弱，中間結(jié)構(gòu)是撓度變化最大部分，通過在架體兩端牽拉水平線，以該水平線為基準(zhǔn)，模擬施工環(huán)境，使用水泥配重塊進(jìn)行加載［10］。使用測(cè)量工具測(cè)量架體中部在不同荷載下基于該基準(zhǔn)水平線的撓度變化，最終得到不同荷載下的撓度試驗(yàn)值，試驗(yàn)架，如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)架Fig.6 Test Frame

根據(jù)每次施加不同荷載記錄所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)值，求出不同荷載下?lián)隙仍囼?yàn)值與計(jì)算值、試驗(yàn)值與分析值之間的誤差，并分析誤差大小及判斷誤差是否在允許的范圍內(nèi)，分析結(jié)果，如表2、表3所示。

表2 試驗(yàn)值與計(jì)算值的對(duì)比Tab.2 Comparison of Test Values and Calculated Values

表3 試驗(yàn)值與分析值的對(duì)比Tab.3 Comparison of Test Value and Analysis Value

從表2與表3中撓度的試驗(yàn)值與理論計(jì)算值、試驗(yàn)值與有限元分析值之間的比較分析可以看出，在相同荷載下試驗(yàn)的撓度值最大，有限元分析值最小。

試驗(yàn)中，考慮孔軸的間隙影響，且補(bǔ)縫板強(qiáng)度比水平梁桁架強(qiáng)度低，因此試驗(yàn)的撓度值最大。

有限元分析中，不考慮孔軸間的間隙對(duì)撓度的影響，使撓度值分析結(jié)果偏小。但撓度分析值與撓度試驗(yàn)值，撓度計(jì)算值與撓度試驗(yàn)值的誤差均在15%以內(nèi)，且在最大荷載為5kN/m2的施工荷載下，最大撓度值均小于10mm，符合規(guī)范要求。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)附著式升降防護(hù)平臺(tái)在施工流水作業(yè)過程中與塔式起重機(jī)錨固桿或其他凸出結(jié)構(gòu)產(chǎn)生干涉的問題，提出采用吊橋式結(jié)構(gòu)避讓裝置的解決方案，經(jīng)理論計(jì)算和試驗(yàn)檢驗(yàn)驗(yàn)證“吊橋式”避讓裝置結(jié)構(gòu)的可行性，得出結(jié)論如下：

（1）采用吊橋式結(jié)構(gòu)避讓裝置施工，巧妙地解決了附著式升降防護(hù)平臺(tái)與塔式起重機(jī)錨固桿的干涉問題，避免了防護(hù)平臺(tái)在每次升降過程中因避讓塔式起重機(jī)錨固桿而多次裝拆造成架體整體強(qiáng)度變?nèi)醵a(chǎn)生的安全隱患，同時(shí)克服了需多次裝拆臨時(shí)搭設(shè)架子的情況。

（2）在設(shè)計(jì)要求的施工荷載下，考慮架體自重和安全系數(shù)，通過理論公式計(jì)算得到架體所受最大應(yīng)力為24.27N/mm2，最大撓度值為5.08mm，均符合規(guī)范要求，說明設(shè)計(jì)的避讓裝置結(jié)構(gòu)可行，采用的鋼材型號(hào)滿足要求。對(duì)避讓裝置進(jìn)行有限元軟件分析，得出最大應(yīng)力為137MPa，最大位移為5mm，驗(yàn)證吊橋式避讓裝置結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

（3）將不同荷載下?lián)隙鹊脑囼?yàn)值、分析值和計(jì)算值進(jìn)行比較，得出撓度值均隨施加荷載的增大而呈變大的趨勢(shì)，但最大撓度值均小于10mm，撓度分析值、撓度計(jì)算值與撓度試驗(yàn)值的誤差均在15%以內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

（4）比較不同荷載下?lián)隙鹊脑囼?yàn)值和計(jì)算值、試驗(yàn)值和分析值，得出在相同荷載下試驗(yàn)撓度值最大，有限元分析撓度值最小。試驗(yàn)中考慮孔軸的間隙影響、補(bǔ)縫板強(qiáng)度比水平梁桁架強(qiáng)度低以及螺栓連接節(jié)點(diǎn)的擰緊力矩值，因此試驗(yàn)的撓度值最大。有限元分析中，將模型理想化處理，并且軟件分析中孔軸間隙對(duì)撓度的影響很小，使撓度值分析結(jié)果偏小，但不影響有限元分析結(jié)果的參考價(jià)值。

（5）附著式升降防護(hù)平臺(tái)避讓裝置的成功應(yīng)用，使防護(hù)平臺(tái)高效、便捷地避讓升降施工中與其干涉的凸起結(jié)構(gòu)，防護(hù)平臺(tái)多次提升不變形，保證附著式升降防護(hù)平臺(tái)施工過程中的安全性與可靠性，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。