建筑升降施工平臺結構有限元分析

劉曉明，楊曉翔，韋鐵平

(1. 福州大學 機械工程及自動化學院, 福建 福州 350116; 2. 福建工程學院 機械與汽車工程學院, 福建 福州 350118)

0 引言

升降施工平臺為高層建筑外墻施工用的安全防護、工人操作和解決樓層水平運輸?shù)牟僮髌脚_，平臺配合升降系統(tǒng)使用可進行提升和下降操作[1-2]。在使用狀態(tài)時，施工平臺依靠附墻導座與建筑外墻固定連接；在升降狀態(tài)時，施工平臺腳手架的導軌與附墻導座進行滑道配合升降。

升降施工平臺本質(zhì)上屬于機械件，用于建筑施工現(xiàn)場，但是施工平臺在搭設與使用過程中存在較多的作業(yè)危險因素，因此極易發(fā)生倒塌事故[3-5]。因此具有較好的承載性能是升降施工平臺安全的必要因素，必須對其進行安全性校核計算[6-8]。通過有限元軟件ANSYS對施工平臺的4種工況進行安全校核計算，為其結構的設計和改進提供理論依據(jù)。

1 有限元模型建立

1.1 力學模型的簡化與假設

升降施工平臺主要由立桿、網(wǎng)框、水平桁架、水平吊點

小桁架、上層平臺焊接組件、固定機位支撐件、活動機位支撐件、導軌、附墻導座及各部件連接件組成，如圖1所示。為了研究4種不同工況下施工平臺各部件的應力分布規(guī)律，根據(jù)平臺運行的工況條件做如下簡化：

圖1 施工平臺二維圖

1) 升降施工平臺各部件之間采用螺栓連接，且數(shù)量眾多，將螺栓連接簡化為固定連接，并不影響分析結果[9]。

2) 將網(wǎng)框和上層平臺焊接組件和其他焊接組件簡化成一體，不影響計算結果。

3) 將附墻導座簡化，固定約束施加在導軌與導座接觸的位置。

1.2 材料物理參數(shù)

網(wǎng)框和所有螺栓材料為304不銹鋼，材料在常溫下的屈服極限為206MPa，強度極限為520MPa[6]，彈性模量為2.04×105MPa，材料的泊松比取為0.285，密度為7 930kg/m3。

施工平臺其他部件材料均為6061-T6鋁型材，材料在常溫下的屈服極限為240MPa，強度極限為265MPa，彈性模量為0.731×105MPa，材料的泊松比取為0.33，密度為2 700kg/m3。

1.3 加載及邊界條件

升降施工平臺主要是同時承受自重、風荷載和各種不同均布載荷，固定約束施加在2根導軌與6個導座接觸的位置。

a) 風荷載

升降施工平臺主要使用在沿海城市市區(qū)，風壓高度變化系數(shù)按A類場地取值；高層施工升降平臺風荷載體型系數(shù)：μs=1.3φ。

WK=βz×μs×μz×W0

其中：基本風壓 W0=750N/m2(深圳市50年風壓取值)；高度修正系數(shù)μz=2.64(建筑物高度按150m取值)；βz=1.0；體型系數(shù) μs=1.3φ(基本值)。

鋼絲網(wǎng)擋風系數(shù) φ=0.3， 因此μs=0.3×1.3=0.39；所以風荷載Wk=1.0×0.39×2.64×750=772.2N/m2。

風載方向由外向里，作用在導座最上端的外側(cè)架體上，如圖1(b)所示。

b) 4種計算工況

1) 工況1：施加自重及風荷載，同時第一、二層平臺同時施加均布荷載3×10-3MPa。

2) 工況2：施加自重及風荷載，同時第一、二、三層平臺同時施加均布荷載2×10-3MPa。

3) 工況3：考慮安全系數(shù)及施工平臺強度校核需要，施加自重及風荷載，同時第一、二層平臺同時超載1.25倍施加荷載，即同時施加均布荷載3.75×10-3MPa。

4) 工況4：考慮安全系數(shù)及施工平臺強度校核需要，施加自重及風荷載，同時第一、二、三層平臺同時超載1.25倍施加荷載，即同時施加均布荷載2.5×10-3MPa。

將以上荷載分別施加到模型所對應的構件上并求解。升降施工平臺應力云圖分布按第四強度理論準則計算輸出。

1.4 有限元網(wǎng)格模型

本文結合使用Solid185單元和Solid186單元，按照ANSYS建立模型的基本步驟，建立升降施工平臺結構的三維有限元模型[10]。整個模型結構共劃分了1 022 565個單元，有限元模型如圖2所示。

圖2 施工平臺有限元網(wǎng)格模型

2 有限元計算結果

2.1 工況1

工況1下，施工平臺整體及各部件應力分布云圖如圖3-圖6所示。從應力分析結果可知，施工平臺整體最大VonMises應力值為538.01MPa，位于頂部網(wǎng)框橫桿與豎桿焊接處(圖4(a))，但是不銹鋼網(wǎng)框上只有頂部網(wǎng)框橫桿與豎桿焊接處極個別點VonMises應力值超過206MPa，其余各處均小于304不銹鋼的屈服強度(如圖4(b))，滿足施工設計要求。2.4m上層平臺焊接組件最大VonMises應力值為312.61MPa，位于第一層平臺與導軌連接的焊接件與平臺組件的焊接位置(圖5)，且僅有此處VonMises應力值超過240MPa，這是由于上部網(wǎng)框施加了風載，其余各處均小于6061-T6的屈服強度，滿足施工設計要求。立桿最大VonMises應力值出現(xiàn)在立桿與每層2.4m施工平臺焊接組件的連接部位，最大VonMises應力值為199.17MPa，小于6061-T6的屈服強度，滿足施工設計要求。其余各部件最大VonMises應力均小于6061-T6的屈服強度，滿足施工設計要求。工況3各部件應力分布與工況1類似。

圖3 工況1施工平臺整體應力分布云圖

圖4 工況1不銹鋼網(wǎng)框應力分布

圖5 工況1下第一層平臺焊接組件應力分布云圖

圖6 工況1下立桿應力分布云圖

2.2 工況4

工況4下，施工平臺整體及各部件應力分布云圖如圖7-圖10所示。從應力分析結果可知，施工平臺整體最大VonMises應力值為644.60MPa，位于頂部網(wǎng)框橫桿與豎桿焊接處(圖8(a))，不銹鋼網(wǎng)框橫桿與豎桿多處焊接處VonMises應力值超過206MPa，超過304不銹鋼的屈服強度，但是焊接材料一般強度較高。2.4m上層平臺焊接組件最大VonMises應力值為264.96MPa，位于第一層平臺與導軌連接的焊接件與平臺組件的焊接位置(圖9)，且僅有此處VonMises應力值超過240MPa，其余各處均小于6061-T6的屈服強度，滿足施工設計要求。立桿最大VonMises應力出現(xiàn)在立桿與每層2.4m施工平臺焊接組件的連接部位，最大VonMises應力為176.46MPa，小于6061-T6的屈服強度，滿足施工設計要求。其余各部件最大VonMises應力均小于6061-T6的屈服強度，滿足施工設計要求。工況2各部件應力分布與工況4類似。

圖7 工況4施工平臺整體應力分布云圖

表1列出了4種工況下各部件最大的VonMises應力值，由此可知工況3和工況4各部件最大的VonMises應力值基本是工況1和工況2的1.25倍。說明作用載荷呈線性增長，應力分布也呈線性增長。

表1 施工平臺4種工況各部件最大 Von Mises應力值匯總表 MPa

圖8 工況4不銹鋼網(wǎng)框應力分布云圖

圖9 工況4下第一層平臺焊接組件應力分布云圖

圖10 工況4下立桿應力分布云圖

3 結果分析與討論

1) 工況3為最危險的工況。由于頂部網(wǎng)框施加了風載，每個網(wǎng)框與立桿之間靠3個螺栓連接而上下網(wǎng)框之間僅靠1個螺栓連接，因此4種工況下施工平臺最大VonMises應力值均位于頂部網(wǎng)框橫桿與豎桿焊接處，建議增加不銹鋼網(wǎng)框與立桿之間及上下網(wǎng)框之間的螺栓連接數(shù)量。

2) 2.4m上層平臺焊接組件最大VonMises應力值均位于第一層平臺與導軌連接的焊接件與平臺組件的焊接位置，但是焊接材料的強度一般比6061-T6的強度高，且僅有此處VonMises應力值超過240MPa，其余各處均小于6061-T6的屈服強度，因此可認為各平臺焊接組件滿足施工設計要求。

3) 4種工況中，只有工況3時立桿有一處VonMises應力值稍微超過6061-T6的屈服強度，屬于極個別點，可認為立桿滿足施工設計要求。施工平臺其余各部件4種工況下VonMises應力值均小于6061-T6的屈服強度，滿足施工設計要求。

4 結語

對建筑施工平臺在4種不同工況進行強度分析，得到施工平臺各部件的應力分布：

1) 工況1、3和工況2、4下作用載荷成線性，僅需考慮較危險載荷工況3與4。

2) 任意工況下升降施工平臺最危險位置發(fā)生在風載作用的頂部網(wǎng)框橫桿與豎桿焊接處，計算結果符合強度要求。