不同工況下裝配式建筑施工裝備平臺受力分析*

焦安亮，賀可強，VICTOR Kuzin，黃延錚，潘曉蒙，陳 璐

(1.中國建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450004； 2.青島理工大學土木工程學院，山東 青島 266555；3.俄羅斯工程院地礦學部，俄羅斯 莫斯科 125009)

0 引言

近年來，我國不斷加快推進綠色建筑的發展，綠色建筑產業現代化進程不斷提速。作為可持續建筑的代表，裝配式建筑正成為未來新建建筑的主要形式[1-2]。目前，我國在裝配式建筑建造技術方面仍停留在傳統的粗放型建造階段，人工成本持續增長等問題制約著裝配式建筑的進一步發展。利用大型裝配式建筑自動化施工平臺進行建造施工，是解決裝配式建筑建造問題的有力途徑[3-6]。因此，裝備平臺構造、設計受到越來越多專家、學者及工程技術人員的關注。

本文以中國建筑第七工程局有限公司研發的裝配式建筑構件吊裝安裝綜合裝備為依托[3]，通過建立裝備數值模型，根據裝備應用環境及施工順序等，對裝備專用起重平臺在不同工況下的結構受力進行計算分析，進而驗證平臺強度與穩定性。

1 裝備平臺概況

裝配式建筑構件吊裝安裝綜合裝備是集構件自動取放、吊運、調姿、就位、混凝土澆筑于一體的自動化、數字化、模塊化、平臺式大型施工綜合裝備，如圖1所示。

專用起重平臺是綜合裝備運行的基礎，集成了綜合裝備各功能系統，通過同步頂升系統，帶動各功能系統隨施工進程按樓層提升。專用起重平臺包括支撐柱、支撐附墻、建筑外圍專用起重平臺框、平臺頂升系統、支撐節提升引進系統、供電系統、平臺與建筑基點變動實時監測系統、人工作業平臺系統、平臺框工作臨時穩定裝置等。

為滿足綜合裝備專用起重平臺吊裝安裝功能的基本要求，并提高施工效率，平臺整體采用空間桁架結構，共3層，如圖2所示。

結構上層為豎向構件吊裝裝置提供運行平臺，平臺框由2根縱梁和2根橫梁組成口字形框架，如圖3所示。

結構中間層為豎向構件臨時定位支架提供支撐平臺，平臺框由2根縱梁和2根橫梁組成口字形框架，如圖4所示。

結構下層為水平構件吊裝裝置提供運行平臺，平臺框由2根縱梁和4根橫梁組成目字形框架，如圖5所示。

綜合裝備專用起重平臺設計覆蓋建筑物最大尺寸為74m×19m(長×寬)，支撐柱中心縱向距建筑物最外緣2～4m，支撐柱中心橫向距建筑物最外緣2～2.75m，平臺懸挑11.06m。豎向構件吊裝裝置大車中心距支撐柱中心最大距離為6 356mm，水平構件吊裝裝置大車中心距支撐柱中心最大距離為7 530mm，上層平臺框頂部距施工層10.47m。

為加強專用起重平臺結構整體性，確保結構安全，在平臺四角及每2個支撐間設置上、中、下層平臺框連系節，連系節兩端與上、中、下層平臺框固接，上、中、下層平臺框爬升套架與連系節間設剪叉式組合拉桿，使上、中、下層平臺框成為整體受力結構，拉桿端設可調長度對拉螺栓調節裝置，如圖6所示。

2 裝備平臺結構

2.1 平臺尺寸

裝配式建筑構件吊裝安裝綜合裝備主要用于裝配式建筑建造階段，屬于臨時性結構，但此類裝備體型巨大，屬于重大裝備，其結構安全等級要求為一級。

裝備平臺尺寸為40 300mm×21 716mm×12 667.5mm(長×寬×高)，單個平臺框截面尺寸為1 600mm×1 600mm(長×寬)，裝備上層平臺框與中間層平臺框及中間層平臺框與下層平臺框間距均為3 600mm，裝備尺寸及布局如圖7所示。

2.2 平臺荷載

2.2.1重力荷載

1)平臺上恒荷載包括建筑外圍專用起重平臺框、人工作業輔助裝置、吊裝作業輔助系統、供電系統等在內的平臺鋼結構構件自重，約2 520.7kN。

2)平臺上活荷載包括模板系統荷載20kN、豎向構件垂直度調節系統荷載20kN、上層豎向構件吊運系統荷載516.7kN、下層水平構件吊運系統荷載160kN、檢修荷載1.5kN/m及豎向構件垂直度調節器水平推力1.5kN。

2.2.2風荷載

平臺結構采用整體設計，當綜合裝備處于工作狀態時，計算風壓為500Pa；當綜合裝備處于非工作狀態時，計算風壓為800Pa。

風荷載包括平臺和臨時定位支架自身承擔的風荷載及構件吊裝裝置在風荷載作用下對平臺的作用力，如表1，2所示。

表1 豎向構件吊裝裝置風荷載

表2 水平構件吊裝裝置風荷載

3 平臺工況設計

3.1 施工原則

采用裝配式建筑構件吊裝安裝綜合裝備進行裝配式建筑施工時，豎向與水平構件同步吊裝，構件吊裝順序在空間上遵循由遠及近的原則[7-8]，設置水平構件垂直運輸系統一端為近端，從遠離水平構件垂直運輸系統的一端向近端吊裝；構件吊裝順序在時間上遵循先水平構件、后豎向構件的原則，即在保證遠端水平構件吊裝完成的情況下，再進行該處豎向構件吊裝，同時進行近端水平構件吊裝，從而實現空間上分離、時間上重疊的交叉施工。

吊裝預制內、外墻前，確保墻板相鄰水平構件全部吊裝完畢。

3.2 工況設計

根據前文所述，綜合裝備處于工作狀態及非工作狀態時的受力情況不同，經綜合分析，該專用起重平臺結構安全計算需考慮以下工況。

1)工況1 構件吊裝裝置處于初始狀態，如圖8所示。

2)工況2 豎向構件吊裝裝置移動至專用起重平臺端部，抓取墻板，此時水平構件吊裝裝置吊運樓板至與豎向構件吊裝裝置同側的最大極限距離位置處，且水平構件吊裝裝置起重小車吊運樓板至裝置一端最大極限距離位置處，如圖9所示。

3)工況3 豎向構件吊裝裝置吊運墻板至最外側墻板安裝處，其起重小車吊運墻板至運行大車一端的最大極限距離位置處，此時水平構件吊裝裝置吊運樓板至與豎向構件吊裝裝置同側最大極限距離位置處，且水平構件吊裝裝置起重小車吊運樓板至裝置一端最大極限距離位置處，如圖10所示。

4)工況4 豎向構件吊裝裝置與水平構件吊裝裝置同時處于建筑物中部，2套裝置的起重小車同時處于運行大車一側極限距離位置處，如圖11所示。

5)工況5 當綜合裝備處于非工作狀態時，豎向和水平構件吊裝裝置分別位于專用起重平臺兩側且無吊運構件，如圖12所示。

3.3 荷載組合

根據前文所述5種工況，分別采用以下荷載組合：①1.35D+0.7×1.4L；②1.2D+1.0×1.4L±0.6×1.4W；③1.2D±1.0×1.4W+0.7×1.4L；④1.0D+1.0×1.4L±0.6×1.4W；⑤1.0D±1.0×1.4W+0.7×1.4L，其中D為恒荷載標準值，L為活荷載標準值，W為風荷載標準值。

3.4 計算標準

專用起重平臺4根支撐柱位于中部兩側，平臺端部為懸挑結構，懸挑長度11.06m，平臺中部跨度18m，為大跨度結構，整個平臺頂部相當于豎向懸臂結構，高度為13m，對撓度敏感[9]。

根據GB 50017—2017《鋼結構設計標準》的規定[10]，專用起重平臺梁最大擾度需小于受彎構件跨度的1/400。為保證吊裝裝置精度，上、下平臺縱梁作為吊裝裝置軌道承載結構，最大擾度應小于梁跨度的3/1 000。

臨時定位支架由雙榀桁架組成，雙榀桁架作為墻板吊裝通道，與墻板間隙為40mm(一側)。為確保吊裝安全，臨時定位支架處于工作狀態時在風荷載作用下的變形不宜過大，即<40mm的空間間隙。

根據JGJ 202—2010《建筑施工工具式腳手架安全技術規范》的規定[11]，整個專用起重平臺作為懸挑結構，為避免P-Δ效應，工作狀態下的最大擾度要求為37.5mm，非工作狀態下的最大擾度要求為60mm。

為避免共振，專用起重平臺自振頻率不能與構件吊裝裝置接近。豎向和水平構件吊裝裝置自振周期如表3，4所示。

表3 豎向構件吊裝裝置自振周期

表4 水平構件吊裝裝置自振周期

4 計算結果及分析

4.1 工作狀態時的結構響應

1)風荷載作用下的結構x向位移如圖13所示。

2)風荷載作用下的結構y向位移如圖14所示。

3)標準組合下(恒荷載+活荷載+起重機荷載)結構z向位移如圖15所示。

4.2 非工作狀態時的結構響應

1)風荷載作用下的結構x向位移如圖16所示。

2)風荷載作用下的結構y向位移如圖17所示。

4.3 結構桿件強度和穩定性

處于工作狀態時結構應力比如圖18所示。

4.4 專用起重平臺自振周期與振型

1)第1振型為y向平動(見圖19)，周期0.786 4s，頻率1.271 6Hz。

2)第2振型為扭轉(見圖20)，周期0.675 7s，頻率1.479 9Hz。

3)第3振型為x向平動(見圖21)，周期0.591 4s，頻率1.691Hz。

4.5 結果分析

1)水平位移

工作狀態下，專用起重平臺在x向風荷載作用下的最大變形為5.240mm，臨時定位支架在y向風荷載作用下的最大變形為25.887mm。非工作狀態下，專用起重平臺在y向風荷載作用下的水平位移較大，為40mm，小于規范要求的60mm。綜上所述，專用起重平臺和臨時定位支架水平位移均滿足設計要求。

2)豎向位移

工作狀態下，專用起重平臺在工況2下的懸挑部位豎向變形最大，為39.212mm；專用起重平臺在工況4下的支撐之間縱梁中部豎向變形最大，為23.5mm(縱梁相對支撐柱的變形)，撓度為1.3/1 000，滿足設計要求。

3)平臺桿件受力

計算得到的工況1～4下平臺桿件強度和穩定性均滿足設計要求，在最大吊載情況下，桿件滿足安全性要求。

4)平臺自振特性

吊裝裝置和專用起重平臺自振頻率差別較大，可有效避免結構共振。

5 結語

在裝配式建筑構件吊裝安裝綜合裝備研發試用階段，提前利用有限元軟件建立裝備平臺模型，結合裝備應用原則，通過設計不同工況分析裝備平臺受力，以驗證裝備的安全性。工作狀態下，裝備在y向受風荷載的影響較大，最大變形達25.887mm，因此在裝備應用階段需提前采取防風措施。懸挑部位在工況2下的豎向變形最大，因此進行現場施工應用時，應對懸挑部分豎向位移進行實時監測，尤其是監測工況2下的豎向位移，做好監測記錄，以滿足裝備安全性需求。吊裝裝置與專用起重平臺自振頻率差別較大，在后期應用階段，可不作為主要參考依據進行監測記錄。