附著式升降防護平臺避讓裝置設計與應用

鄭 輝，徐洪廣，李占福，黃 霞

（中建海峽建設發展有限公司，福州 福建 350015）

1 引言

附著式升降防護平臺是一種高性能、高防護的成套機械設備，因其制造成本低，安全可靠性好，施工效率高，操作簡單，使用方便等優點，被廣泛應用于高層與超高層建筑施工中［1］。然而，附著式升降防護平臺在施工升降過程中易與塔式起重機或其他施工器械產生干涉作用，故在干涉處常設有斷口，導致防護平臺架體容易變形且難以恢復到位。此外，多次拆裝的累計誤差易使架體傾斜，進一步影響施工安全［2］。目前，我國對附著式升降防護平臺的技術創新，主要集中在提升方式、防墜落技術、導軌、架體和附墻裝置等方面［3］，對解決架體與其他器械間干涉問題的研究還較少。因此，為解決現有附著式升降防護平臺在施工流水作業之間存在干涉問題，同時保證架體強度，提出一種“吊橋式”避讓裝置的附著式升降防護平臺，結合理論計算和試驗檢驗對底盤桁架進行強度校核與撓度分析，驗證“吊橋式”避讓裝置結構的可行性，保證新型附著式升降防護平臺操作安全，使其高效、便捷地服務于工程施工。

2 避讓裝置技術難點和創新點

附著式升降防護平臺施工工藝中，塔式起重機錨固桿處破斷口一直是該技術的瓶頸，怎樣實現架體在升降過程中避開塔式起重機錨固桿，同時在架體通過錨固桿后可以迅速恢復，并避免架體傾斜誤差的產生，保證架體恢復到初始搭設狀態是突破該技術瓶頸的難點。

經過分析認為，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，作業點是底盤位置，拆除屬于高空斷口作業，危險系數大。需設計一種操作簡單，連接可靠，拆除安全方便的連接結構方式來實現塔吊錨固桿破斷口處架體的拆除。拆除后恢復到安裝尺寸，即每次安裝過程中保證架體無變形，從而實現架體不產生變形累加，保證架體安全。

由此，提出吊橋式結構的避讓裝置，“吊橋”可翻轉結構的避讓裝置，避免施工安全防護平臺在施工升降作業過程中與其他施工器械產生干涉，徹底解決了防護平臺在其他施工器械的影響下，造成平臺架體變形，強度減弱，影響平臺施工作業中的安全性能。同時，避讓裝置左右水平梁桁架間連接處采用補縫板連接，使避讓裝置形成整體結構。補縫板與水平梁桁架間采用銷軸連接，當底盤桁架與水平梁桁架出現變形時，通過安裝補縫板，可對變形量進行及時修正，保證架體在通過塔式起重機錨固桿前后不會變形與傾斜，使架體始終能恢復至初始搭設狀態，從而消除多次提升架體導致變形累加帶來的安全隱患。

3 避讓裝置工作原理

通過在架體干涉處安裝避讓裝置結構，避讓裝置水平梁桁架與底盤桁架采用銷軸結構的鉸鏈連接，使避讓裝置桁架在避讓塔吊錨固桿時可繞銷軸旋轉而無需拆卸整個桁架，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，架體處于水平狀態。當架體提升，通過塔式起重機錨固桿前，先將中間補縫板拆除，再通過鋼絲繩將水平梁桁架繞上側鉸鏈點旋轉向兩側拉起，通過塔式起重機錨固桿后，將水平梁桁架放回，安裝補縫板，使架體恢復初始水平狀態。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

附著式升降防護平臺在施工過程中，架體易與塔式起重機錨固桿產生干涉，故采用避讓裝置搭設。同時由于水平梁之間存在內力，拆除存在變形，提升完畢后復原難度大，需預留變形縫。在搭設塔式起重機錨固桿處桁架時必須對塔式起重機錨固位置預先進行放線處理，留出錨固桿位置再進行施工安全防護平臺安裝，安裝時必須保證塔式起重機錨固桿與防護平臺留有一定的安全距離。另外，附著式升降防護平臺升降作業之前塔式起重機附墻桿附近的架體底部需另設鋼絲繩向兩側反拉，進一步加固避讓裝置結構安全。塔式起重機布置避讓示意，如圖2所示。

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

5 避讓裝置驗算校核

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構設計要求，還需要具備一定的強度。近似解析法可提供相關問題的定性結果，為最終結論提供參考。將避讓裝置水平梁桁架的架體主要型材視為連續的整體，采用近似解析法，進行強度和撓度的分析。架體中間位置為水平梁桁架避讓結構最薄弱部分，故只需分析該部分結構是否滿足要求即可。計算簡圖，如圖3所示。

圖3 計算簡圖Fig.3 Calculation Diagram

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

根據《建筑施工腳手架安全技術規范》（JGJ202-2010）［4］要求，架體寬度不大于1.2m。通過分析架子工體型，使避讓裝置的設計寬度與空間桁架設計寬度一致，為0.75m，基本可以滿足兩個架子工交叉通過，又可以允許一個架子工雙手持有操作工具且正面通行。為減少架體用料，同時保證架體強度符合設計要求，結合設計理念與施工經驗，空間桁架的設計高度為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/250mm（L為受彎桿件跨度），架體計算跨度L=10m，使用工況下的桁架結構施工活荷載標準值為3kN/m2。由于桁架為兜底支撐架，即存在臨時額外載荷的可能，分析加載的施工載荷以4kN/m2計算。

①總荷載（不考慮架體自重）

式中：Qjk—施工荷載。計算時取Qjk=4kN/m2。

②跨中最大彎矩

③架體所需的凈截面模量

式中：和分別為語言變量和對應的三角模糊數，當Rij?時，Fij表示Rij相對于產生的損失，Rij越優，產生的損失越大；當Rij時，Fij表示Rij相對于產生的損失，Rij越劣，產生的損失越大；當時，Fij表示Rij相對于既無獲得收益也無產生損失。

式中：γx—截面塑性發展系數，γx=1.0。

根據《鋼結構設計規范》（GB 50017-2003）［6］，架體水平連接桁架片均選用等邊角鋼∟63×63×6，其理論質量為5.721kg/m，自重為0.056 kN/m；架體內部傾斜與垂直連接桁架片選用等邊角鋼∟40×40×4，其理論質量為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730mm，總長為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，總長為（8×330+16×440）/1000=9.36m。

（2）考慮架體自重，對空間桁架進行強度校核與撓度分析。

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。相較于整個架體而言，腹桿所增加的截面面積較小，故不考慮腹桿對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算：

式中：E—彈性模量，E=20600N/mm2。由上述分析結果可知，空間桁架避讓結構的強度與撓度均滿足規范要求。

5.2 避讓裝置有限元分析

為進一步確定構件受力變形情況，采用有限元軟件ANSYS對避讓裝置水平梁桁架結構進行分析。ANSYS前處理中默認材料材質為鋼材，故只需定義連接件和銷軸的材料屬性。根據機械設計手冊，連接件和銷軸均采用45鋼，材料密度ρ=7890kg/m3，泊松比μ=0.28，抗拉強度σb=400MPa，屈服強度σs=320MPa，彈性模量E=210GPa。下面對空間桁架避讓結構進行有限元分析，驗證空間桁架結構設計的可行性［7-8］。

底盤桁架水平梁避讓結構強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。經有限元載荷分析可得應力最大處為137MPa，應力值小于Q235鋼材的許用應力，如圖4所示。

圖4 底盤桁架水平梁避讓結構強度分析Fig.4 Strength Analysis of Horizontal Beam Avoidance Structure of Chassis Truss

從底盤桁架水平梁避讓結構位移云圖的輸出值可以得出水平梁避讓結構中間節點的最大位移為5mm，遠小于水平支承桁架的撓度極限值，桁架空間水平梁避讓結構滿足要求，如圖5所示。

圖5 底盤桁架水平梁避讓結構位移云圖Fig.5 Displacement Cloud Diagram of Chassis Truss Horizontal Beam Avoidance Structure

為了解空間桁架結構在施工工況下所受載荷不確定性的情況，分析空間桁架結構在五種施工荷載下的變形，從而了解空間桁架在實際各種工況下的大致情況。不同施工載荷情況下，桁架避讓結構的最大應力和最大變形，如表1所示。表明空間桁架結構設計強度具有一定的安全儲備，滿足使用要求。

表1 避讓裝置桁架結構的應力與變形Tab.1 Stress and Deformation of the Truss Structure of the Avoidance Device

5.3 避讓裝置試驗校核

避讓裝置置于空間桁架中間位置時整體結構最薄弱，中間結構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，模擬施工環境，使用水泥配重塊進行加載［10］。使用測量工具測量架體中部在不同荷載下基于該基準水平線的撓度變化，最終得到不同荷載下的撓度試驗值，試驗架，如圖6所示。

圖6 試驗架Fig.6 Test Frame

根據每次施加不同荷載記錄所對應的試驗值，求出不同荷載下撓度試驗值與計算值、試驗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，分析結果，如表2、表3所示。

表2 試驗值與計算值的對比Tab.2 Comparison of Test Values and Calculated Values

表3 試驗值與分析值的對比Tab.3 Comparison of Test Value and Analysis Value

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

試驗中，考慮孔軸的間隙影響，且補縫板強度比水平梁桁架強度低，因此試驗的撓度值最大。

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

6 結語

針對附著式升降防護平臺在施工流水作業過程中與塔式起重機錨固桿或其他凸出結構產生干涉的問題，提出采用吊橋式結構避讓裝置的解決方案，經理論計算和試驗檢驗驗證“吊橋式”避讓裝置結構的可行性，得出結論如下：

（1）采用吊橋式結構避讓裝置施工，巧妙地解決了附著式升降防護平臺與塔式起重機錨固桿的干涉問題，避免了防護平臺在每次升降過程中因避讓塔式起重機錨固桿而多次裝拆造成架體整體強度變弱而產生的安全隱患，同時克服了需多次裝拆臨時搭設架子的情況。

（2）在設計要求的施工荷載下，考慮架體自重和安全系數，通過理論公式計算得到架體所受最大應力為24.27N/mm2，最大撓度值為5.08mm，均符合規范要求，說明設計的避讓裝置結構可行，采用的鋼材型號滿足要求。對避讓裝置進行有限元軟件分析，得出最大應力為137MPa，最大位移為5mm，驗證吊橋式避讓裝置結構符合設計強度要求。

（3）將不同荷載下撓度的試驗值、分析值和計算值進行比較，得出撓度值均隨施加荷載的增大而呈變大的趨勢，但最大撓度值均小于10mm，撓度分析值、撓度計算值與撓度試驗值的誤差均在15%以內，符合設計要求。

（4）比較不同荷載下撓度的試驗值和計算值、試驗值和分析值，得出在相同荷載下試驗撓度值最大，有限元分析撓度值最小。試驗中考慮孔軸的間隙影響、補縫板強度比水平梁桁架強度低以及螺栓連接節點的擰緊力矩值，因此試驗的撓度值最大。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撓度的影響很小，使撓度值分析結果偏小，但不影響有限元分析結果的參考價值。

（5）附著式升降防護平臺避讓裝置的成功應用，使防護平臺高效、便捷地避讓升降施工中與其干涉的凸起結構，防護平臺多次提升不變形，保證附著式升降防護平臺施工過程中的安全性與可靠性，具有良好的經濟效益與社會效益。