潘 曦

（1.上海建工集團(tuán)股份有限公司上海200080；2.上海建筑工程工業(yè)化建造工程技術(shù)研究中心上海201114）

1 防護(hù)與作業(yè)一體化施工平臺(tái)

隨著我國(guó)新型裝配式建筑技術(shù)快速發(fā)展，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)工程數(shù)量日益增多。為了滿足裝配式建筑的主體結(jié)構(gòu)施工的外立面封閉式圍護(hù)、重載提升、高懸臂施工等需求，提升工業(yè)化建造水平，一種新型的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)防護(hù)與作業(yè)一體化施工平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生[1，2]。

該平臺(tái)主要由操作平臺(tái)系統(tǒng)、升降動(dòng)力系統(tǒng)、附墻系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)、導(dǎo)軌架及底部支座等構(gòu)成（見(jiàn)圖1）。操作平臺(tái)系統(tǒng)為主要的作業(yè)與圍護(hù)載體，為雙層封閉式模塊化拼裝結(jié)構(gòu)，總長(zhǎng)15 m，主體寬1.2 m，總高度5.1 m.升降動(dòng)力系統(tǒng)固定在機(jī)位架上，機(jī)位架采用三面環(huán)抱的形式與導(dǎo)軌架連接，該平臺(tái)的升降速度為7.6 m/min，提升能力大于5 000 kg，最大施工高度可達(dá)100 m[3]。

圖1 防護(hù)與作業(yè)一體化施工平臺(tái)

與傳統(tǒng)電動(dòng)升降平臺(tái)不同，該施工平臺(tái)不僅僅是提供一個(gè)作業(yè)空間，還需發(fā)揮外立面防護(hù)作用，在主體結(jié)構(gòu)施工時(shí)，平臺(tái)須跟隨每一結(jié)構(gòu)段的施工進(jìn)度同步上升，提供作業(yè)空間并充當(dāng)防護(hù)圍擋。因此，該施工平臺(tái)需要承受較大的風(fēng)荷載以及施工荷載，承擔(dān)載荷的復(fù)雜程度也大于傳統(tǒng)的電動(dòng)升降平臺(tái)。因此需要針對(duì)各種不同工況詳細(xì)分析其整體受力情況，并對(duì)主要構(gòu)件進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。

2 荷載分析

（1）傳力路徑

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)防護(hù)與作業(yè)一體化施工平臺(tái)在工作狀態(tài)下，施工荷載以及風(fēng)荷載主要作用于操作平臺(tái)架體，其中，水平力直接由機(jī)位架傳遞至導(dǎo)軌架體，豎向力則由機(jī)位架上的電動(dòng)機(jī)或安全鎖定裝置傳遞至豎向齒條，再由齒條固定螺栓傳遞至導(dǎo)軌架體，最終通過(guò)附墻裝置或固定底座，傳遞至建筑主體結(jié)構(gòu)或者平臺(tái)基礎(chǔ)。防護(hù)與作業(yè)一體化施工平臺(tái)荷載傳遞路徑如圖2所示。

圖2 防護(hù)與作業(yè)一體化施工平臺(tái)荷載傳遞

（2）計(jì)算流程

根據(jù)防護(hù)與作業(yè)一體化施工平臺(tái)在工作狀態(tài)下傳力路徑，可分兩步建立有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析與構(gòu)件選型。首先建立操作平臺(tái)與機(jī)位架有限元模型，分析操作平臺(tái)與機(jī)位架體的強(qiáng)度與剛度情況，并得出各種工況下的支座反力；其次建立導(dǎo)軌與附墻系統(tǒng)的有限元模型，將第一步中得出的機(jī)位架支座反力作為外力施加在導(dǎo)軌架最不利位置處，分析導(dǎo)軌架受力性能，選擇合適的截面型式確保其承載能力。

（3）荷載分析

防護(hù)與作業(yè)一體化施工平臺(tái)主要承受結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)荷載以及施工荷載。根據(jù)相關(guān)規(guī)范[4-6]要求，進(jìn)行分別取值計(jì)算。

①結(jié)構(gòu)自重

包括架體結(jié)構(gòu)、圍護(hù)設(shè)施、作業(yè)層設(shè)施和其它設(shè)備、裝置的自重，根據(jù)計(jì)算15 m長(zhǎng)度操作平臺(tái)系統(tǒng)以及升降動(dòng)力系統(tǒng)總重67 kN.每個(gè)機(jī)位架上的電機(jī)和防墜器重量6.5 kN，合計(jì)13 kN，在計(jì)算導(dǎo)軌架時(shí)考慮。

②施工荷載

包括物料堆載、施工人員及機(jī)具荷載等。施工狀態(tài)下，施工活荷載作為均布荷載布置在二層作業(yè)平臺(tái)主桁架層，每層2.0 kN/m2.

③風(fēng)荷載

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值Wk按下式計(jì)算：

式中風(fēng)振系數(shù)βZ取1.0，場(chǎng)地類別為C，高度取100 m處，對(duì)應(yīng)的μZ=1.50.由于該施工平臺(tái)不屬于永久結(jié)構(gòu)，并且其所具備的快速升降功能可有效避免在臺(tái)風(fēng)等極端環(huán)境工況下作業(yè)，因此基本風(fēng)壓W0工作狀態(tài)按上海地區(qū)的10年風(fēng)壓最大值選用，取0.4 kN/m2；風(fēng)荷載體型系數(shù)，背靠建筑物開(kāi)洞，μS=1.3φ，φ為擋風(fēng)系數(shù)，網(wǎng)孔板開(kāi)孔面積比率為0.5，考慮架體擋風(fēng)，取 0.6，μS＝ 0.78.

3 工況分析

本文主要選取防護(hù)與作業(yè)一體化施工平臺(tái)最不利情況進(jìn)行分析，即平臺(tái)在滿載作業(yè)狀態(tài)下受風(fēng)荷載的影響分析，其中風(fēng)荷載按照風(fēng)向可分為正風(fēng)向與反向風(fēng)，正風(fēng)向?yàn)槠脚_(tái)防護(hù)圍擋行進(jìn)至建筑墻面方向，反風(fēng)向?yàn)榻ㄖγ嫘羞M(jìn)至平臺(tái)防護(hù)圍擋方向。

各工況及模型的荷載組合見(jiàn)表1，荷載效應(yīng)組合分項(xiàng)系數(shù)按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行取值。

表1 工況及模型對(duì)應(yīng)荷載

4 有限元分析及構(gòu)件選型

（1）雙層封閉平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析

建立的操作平臺(tái)及機(jī)位架體有限元整體模型如圖3所示，在機(jī)位架與導(dǎo)軌架的連接處設(shè)置約束支座，其中各水平約束支座按實(shí)際情況設(shè)置為只承受壓力的單向支座。為了減少自重，施工平臺(tái)的構(gòu)件材料均采用Q345鋼材。正風(fēng)向荷載作用下的最大組合應(yīng)力為49.3 MPa，位于操作平臺(tái)斜撐桿與機(jī)位架連接處，最大位移為22.7 mm，位于操作平臺(tái)中間欄桿頂部，如圖4、圖5所示。

圖3 操作平臺(tái)有限元模型及邊界條件

圖4 工況一操作平臺(tái)架體組合應(yīng)力云圖

圖5 工況一操作平臺(tái)位移云圖

表2給出了各工況下操作平臺(tái)及機(jī)位架主要構(gòu)件的最大組合應(yīng)力比以及相應(yīng)的構(gòu)件型號(hào)，圖6則展示了整體模型各單元最大組合應(yīng)力比分布情況。可以看出，所選用的操作平臺(tái)及機(jī)位架體構(gòu)件均能滿足強(qiáng)度與剛度要求，并具有較大的安全余量。

表2 操作平臺(tái)及機(jī)位架主要構(gòu)件型號(hào)及應(yīng)力比

圖6 各單元最大組合應(yīng)力比分布圖

（2）機(jī)位架支座反力

正風(fēng)向荷載作用下機(jī)位架上的各個(gè)支座反力如下圖7所示，最大豎向反力為83.8 kN，最大水平反力為19.9 kN.將各個(gè)工況下的支座反力調(diào)整方向，作為荷載施加在導(dǎo)軌架有限元模型，從而對(duì)導(dǎo)軌架進(jìn)行分析。

圖7 工況一機(jī)位架支座反力

（3）導(dǎo)軌架受力分析

按照最不利情況建立導(dǎo)軌架有限元模型，即平臺(tái)懸停在導(dǎo)軌架頂部進(jìn)行作業(yè)（見(jiàn)圖8）。導(dǎo)軌架最大高度為100 m，平均附墻間距為6 m，最頂端的附墻裝置到地面距離為94.5 m，外部荷載施加在導(dǎo)軌架體頂端的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)相應(yīng)位置處。

圖8 懸臂施工狀態(tài)

通過(guò)分析平行墻面水平方向DX、垂直墻面水平方向DY以及垂直地面方向DZ的變形情況（圖9），可以看出，DZ方向位移從0～100 m呈現(xiàn)線性增加趨勢(shì)，而水平方向上，由于附墻裝置的約束作用，位于導(dǎo)軌架頂端的施工平臺(tái)對(duì)80 m以下導(dǎo)軌架的水平變形影響較小。

圖9 工況一導(dǎo)軌架位移

圖10、圖11給出了80 m以上導(dǎo)軌架在不同工況下的變形曲線，同時(shí)也給出相應(yīng)的無(wú)風(fēng)荷載狀態(tài)下變形曲線。進(jìn)行對(duì)比可知，在DX方向，無(wú)論何種工況，導(dǎo)軌架變形均偏向操作平臺(tái)重心位置一側(cè)，在DY方向，正風(fēng)向和無(wú)風(fēng)工況下導(dǎo)軌架均偏向靠近墻面一側(cè)，而反風(fēng)向工況下導(dǎo)軌架則在風(fēng)荷載作用下偏向遠(yuǎn)離墻面一側(cè)，其中，導(dǎo)軌架頂端位移最大值為36.7 mm，滿足懸臂端變形要求。

圖10 水平D X方向變形

圖11 水平D Y方向變形

導(dǎo)軌架標(biāo)準(zhǔn)節(jié)為650 mm×650 mm×150 8 mm的鋼框架，其主要的4根立桿均采用○76×6鋼管，齒條固定橫桿承受電動(dòng)機(jī)傳力的豎向力，采用L75×50×8角鋼，工況一條件下的應(yīng)力云圖如圖12所示，其余桿件型號(hào)與最大組合應(yīng)力比見(jiàn)表3，均滿足要求。

圖12 機(jī)位附著處導(dǎo)軌架應(yīng)力圖

表3 導(dǎo)軌架主要構(gòu)件型號(hào)及應(yīng)力比

5 結(jié)束語(yǔ)

分析結(jié)果表明，防護(hù)與作業(yè)一體化施工平臺(tái)作為裝配式建筑施工的專用裝備，能有效滿足裝配式建筑的主體結(jié)構(gòu)建造的外立面封閉式圍護(hù)、重載提升、高懸臂施工等防護(hù)與作業(yè)要求，具有良好的推廣應(yīng)用前景。