整體提升式電梯井施工平臺研究

王 梅， 孫 毅， 張 意

(1.重慶科技學院建筑工程學院，重慶 401331； 2.重慶建工住宅建設有限公司，重慶 400015)

高層建筑電梯井施工的傳統做法一般采取由底至頂搭設鋼管腳手架，隨混凝土的澆筑，從下至上逐層安裝平臺。由于電梯井內作業面狹窄，施工質量和速度乃至安全性均得不到保障，因此新型的提升式平臺研發無疑具有重要的意義。

傳統做法采用腳手架隨樓層的澆筑，循環安裝，拆除。隨著樓層越來越高，各種較為成熟的一些施工平臺提升技術逐漸出現。有的是使鋼平臺工具化、模塊化，可以將模架裝備中的部分部件制成標準模塊[1]；有的是采用液壓整體提升技術，可以實現大跨度臨時鋼結構施工平臺的整體提升和下降[2]。在操作空間比較狹窄的電梯井中，施工平臺系統整體提升的技術還未在文獻中還見過。

本文針對住宅建筑中的電梯井施工，提出了一種可用塔吊提升的施工平臺系統，改善了傳統施工方法在電梯井內部操作的不便；對整個系統進行了設計和驗算，保障了該體系在施工過程中的安全性。

1 平臺工作原理

平臺架的具體組成構件及布置位置如圖1所示。其工作原理是平臺系統整體工作，澆筑混凝土，澆筑完后，用塔吊提升整個系統，再澆筑上一層混凝土。平臺系統具體操作程序：(1)平臺架擱置于門洞兩端，所有部件連接成整體，實現電梯井澆筑；(2)澆筑完畢后，平臺架底部支座向電梯井內轉動，從門洞兩端取出；(3)整體提升平臺架，進行上一層澆筑。按此步驟循環工作，完成電梯井澆筑。

(a)

(b)

(c)

2 計算假定

施工平臺承受其上部的人員、材料、模板體系等施工荷載，因此需要對平臺架進行截面設計和驗算，判斷能否滿足應力、位移要求。本文采用SAP2000建立施工平臺三維有限元模型(圖2)進行計算分析。

圖2 有限元模型

2.1 材料假定

考慮到取材便利性，平臺采用Q235的鋼材[3]。截面形式有工字鋼、槽鋼及角鋼，其中工字鋼與槽鋼用于主要受力構件，角鋼用于次要受力構件和減少計算長度起連接作用的構件。

2.2 節點約束假定

平臺節點采用焊縫連接，平臺梁為受彎構件，平臺柱為壓彎構件，因此假定平臺所有桿件之間的連接節點為剛接。

施工平臺下部支座采用擱置的方式承載于已澆筑的下層電梯間門洞兩端，支撐節點平動方向的約束很強，但轉動方向幾乎沒有約束，因此假定該處為鉸接；上部支座則直接抵靠在電梯井剪力墻內壁，因此只考慮剪力墻法向的平動約束。

2.3 平臺架頂部鋪板假定

施工過程中，平臺頂部采用鋪板，其剛度對于平臺結構無影響。有限元模型中將平臺鋪板厚度設為0，僅僅作為傳導施工面荷載的作用。

根據常見住宅電梯井尺寸[4]和層高進行建模計算，模型的x、y、z方向分別對應的電梯井的開間、進深和層高。考慮正方形平面的電梯井，取1.8m、2.0m、2.2m、2.4m、2.6m共5個邊長尺寸，每個邊長考慮3.0m和3.3m共2個不同的層高，其中1.8m和2.0m這2個尺寸的門洞寬800mm，其余尺寸電梯井門洞寬均為1 000mm。

2.4 荷載取值

文獻[5]將平臺自重、平臺鋪板及內掛平臺荷載等另列出，施工荷載取值1kN/m2；文獻[6]將綁扎鋼筋、護欄、模板等荷載另行考慮，只取在澆筑過程中所需荷載1kN/m2；文獻[6]將材料堆載和架體自重統一考慮，施工荷載取值5kN/m2；綜合以上文獻且據實際施工中的荷載考慮，平臺表面搭設鋪板且無材料堆載，只考慮施工人員及簡單的施工工具，取平臺的施工荷載為1kN/m2。平臺頂層承受模板體系重量，作用于施工平臺的4個點上。參考某工程荷載情況，電梯井尺寸不同，所受荷載不同，各電梯井尺寸單點受力如表1所示：

表1 單點集中荷載

3 計算建模

3.1 設計準則

考慮到施工現場的運輸、安裝、提升等諸多不確定因素，平臺需要足夠的安全冗余量，因此按屈服強度的0.5倍作為構件允許應力。

考慮到施工的安全性，常規工作工況驗算時設定構件豎向變形限值為2mm。整體提升吊裝時，平臺架上無人員，設定構件的豎向變形限值可放寬為5mm。

3.2 荷載工況

考慮三種荷載工況組合：一是常規作業時，平臺上部滿布恒載和活載，見圖3(a)，其中小圓點表示設置集中荷載，陰影部分表示設置均布荷載；二是可能出現的傾覆最不利情況，在懸挑單側區域滿布活荷載，見圖3(b)；三是平臺整體提升工況，在模型中將設在主桁梁上的吊裝點設置為鉸接支座，同時去掉平臺的其他支座，此時考慮1.5的吊裝動力系數。

(1)常規作業工況：1.2×恒載+1.4×滿布活載；

(2)抗傾覆工況：1.0×恒載+1.4×單側懸挑部分活載；

(3)整體提升工況：1.5×1.2×恒載+1.5×1.4×滿布活載。

(a)

(b)

4 計算結果

在計算結果中，重點考查主要構件的應力和關鍵節點的變形。常規工作工況的計算中，立柱的應力最大，達到50MPa；y向中間梁的位移最大，為1.98mm，說明平臺架設計主要由變形控制；抗傾覆驗算工況中，支座反力為791N的拉力，平臺架有傾覆風險；整體提升工況中，最大應力為63MPa，最大位移為4.4mm。根據計算數據，平臺架鋼構件的建議型號為：各電梯井尺寸中，立柱為I10；斜柱為[5；除頂層外的梁為，除x、y兩個方向除吊裝點梁和邊梁，其余梁均用∟40×4。吊裝點梁和邊梁隨電梯井尺寸的增大，鋼構件截面型號也增大，具體型號如表2所示：

表2 鋼構件截面型號

5 平臺支座驗算

5.1 抗剪驗算

平臺下部支座節點為焊接，焊縫主要承受剪力，需進行抗剪驗算：

(1)

式中：V取為下部支座的豎向反力，S和I為剪應力計算點的面積矩和截面慣性矩，t為剪應力計算點垂直于剪力方向的截面寬度。

采用10號的工字鋼截面，最大剪應力為27.2MPa，滿足要求。

5.2 混凝土局部強度驗算

平臺下部和上部支座處混凝土承受支座反力時，并未達到其設計強度。根據住宅建筑的常規施工速度，上部支座按澆筑后3d達到50 %強度驗算，下部支座按澆筑后7d達到70 %強度驗算。

根據GB50010-2010 《混凝土結構設計規范》[8]，驗算公式為：

Fl≤1.35βcβlfcAln

(2)

(3)

局部受壓面上作用的局部荷載應為平臺架下部支座的豎向和水平反力以及上部支座的水平反力，其中下部和上部支座的水平反力大小相等。平臺支座反力如表3所示：

表3 平臺支座反力

根據平臺支座反力和混凝土強度發展情況，可根據局部強度要求計算得到所需要的混凝土與平臺支座接觸面積。設定接觸面為矩形，其長寬分別用變量a和b表示，其結果如表4所示：

6 結論

本文針對住宅建筑電梯井施工技術，提出了一種可用塔吊進行整體提升的施工平臺系統，對其進行了一系列設計和驗算，得到了以下結論：

(1)電梯井整體提升施工平臺系統改善了傳統的高層建筑電梯井的施工不便利情況，可反復利用，極大提高施工效率；

(2)施工平臺架是主要的施工荷載受力結構，通過常規的電梯井尺寸驗算，說明了所選用構件尺寸的合理性和安全性。

表4 局部受壓面的長寬建議最小取值 mm