北京國(guó)貿(mào)三期大廈擦窗機(jī)軌道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

吳 安，李玉杰，謝丹蕾，唐 明，祝志鋒

（中國(guó)建筑科學(xué)研究院 建筑機(jī)械化研究分院，河北 廊坊 065000）

北京國(guó)貿(mào)（中國(guó)國(guó)際貿(mào)易中心）三期工程位于北京CBD中心，主塔樓集寫字樓和五星級(jí)飯店為一體，共74層，總高330m，是北京的地標(biāo)性建筑，與北京國(guó)貿(mào)一期、二期一起構(gòu)成110萬m2的龐大建筑群。

國(guó)貿(mào)三期主塔樓為超高層建筑，需清洗維護(hù)的外墻面積大，鑒于北方空氣質(zhì)量差，春秋季節(jié)風(fēng)沙多，為保證每個(gè)季度能對(duì)建筑外立面完成一次清洗維護(hù)，保持其清潔美觀，根據(jù)擦窗機(jī)工作效率和清洗人員每日能完成的清洗維護(hù)工作量測(cè)算，在樓頂設(shè)置了3臺(tái)擦窗機(jī)設(shè)備，共用1圈軌道。設(shè)備最大工作幅度14.5m，單臺(tái)設(shè)計(jì)總重量26936kg。

擦窗機(jī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)為屋頂主體鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)外軌間距2400mm，軌道與主體鋼結(jié)構(gòu)通過螺栓連接，為減少擦窗機(jī)設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)屋頂主體鋼結(jié)構(gòu)的影響，在軌道和主體鋼結(jié)構(gòu)中間加設(shè)了減震膠墊。受屋面結(jié)構(gòu)鋼梁位置限制，軌道支撐點(diǎn)最大間距為5.6m，加上設(shè)備自重較大，常規(guī)擦窗機(jī)軌道滿足不了強(qiáng)度和剛度要求，因而采用了H500×200×16×10型鋼作為軌道。

因3臺(tái)擦窗機(jī)在同一圈軌道上運(yùn)行，為防止運(yùn)行過程中操作人員失誤造成設(shè)備相互碰撞，需在設(shè)備可能接觸的地方設(shè)置感應(yīng)裝置，當(dāng)2臺(tái)設(shè)備運(yùn)行接近時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警，提醒操作人員注意。

設(shè)備安裝完成后，在試運(yùn)行過程中，設(shè)備出現(xiàn)整體搖晃，尤其是在基礎(chǔ)間距大的軌道上晃動(dòng)幅度更大，目測(cè)軌道側(cè)向偏擺幅度約30mm，導(dǎo)致設(shè)備調(diào)試無法進(jìn)行。經(jīng)過分析，產(chǎn)生軌道側(cè)向偏擺的原因?yàn)樾弯摳叨却蠖砭壵?，?cè)向剛度小，在偏斜運(yùn)行水平側(cè)向力作用下，軌道側(cè)向變形過大。在設(shè)計(jì)軌道時(shí)僅計(jì)算了輪壓和豎直方向的變形，忽略了側(cè)向載荷的影響。為此，必須對(duì)軌道系統(tǒng)進(jìn)行改造加固。

在研究加固改造方案時(shí)，工程顧問提出應(yīng)考慮地震載荷，軌道系統(tǒng)不僅要承受設(shè)備正常工作時(shí)的各種載荷，還要能承受發(fā)生地震時(shí)產(chǎn)生的額外載荷，保證軌道和設(shè)備工作時(shí)遇到地震不損壞。

1 軌道改造加固方案

原設(shè)計(jì)方案中，2條軌道各自獨(dú)立，軌道各種載荷均單獨(dú)承受。為適應(yīng)擦窗機(jī)直線行走和轉(zhuǎn)彎要求，從動(dòng)行走輪安裝在可自由轉(zhuǎn)動(dòng)的擺動(dòng)梁上（圖1），設(shè)備所有的水平側(cè)向力均由外軌承受，內(nèi)軌僅承受從動(dòng)行走輪的輪壓力。而在工作狀態(tài)下，外軌輪壓本身就比內(nèi)軌要大，再加上水平側(cè)向力，導(dǎo)致外軌承受的整體載荷比內(nèi)軌要大得多，在內(nèi)外軌材料相同的情況下，內(nèi)軌承載能力沒有充分發(fā)揮，材料性能浪費(fèi)較大。

圖1 擦窗機(jī)底盤直線行走及轉(zhuǎn)彎示意圖

基于上述分析，為盡可能充分發(fā)揮內(nèi)軌的承載能力，增加軌道系統(tǒng)整體側(cè)向剛度，在內(nèi)外軌內(nèi)側(cè)面每間隔2 000mm設(shè)置截面為200mm×100mm×5mm的連接橫桿，使兩根軌道形成整體框架結(jié)構(gòu)，水平側(cè)向載荷由原來的僅外軌承受變成軌道系統(tǒng)整體承受，提高軌道系統(tǒng)承受側(cè)向載荷的能力。為增強(qiáng)單根軌道局部側(cè)向剛度，在不影響行走輪運(yùn)行的情況下，在內(nèi)外軌的外側(cè)每間隔800～1000mm設(shè)置厚度為12mm的加強(qiáng)立筋板。加固改造后軌道系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 加固后軌道系統(tǒng)截面圖

2 軌道載荷分析

當(dāng)在工作狀態(tài)發(fā)生地震時(shí)，軌道系統(tǒng)承受的載荷包括4個(gè)部分：地震載荷、自重載荷、風(fēng)載荷和運(yùn)行水平側(cè)向載荷。計(jì)算中各系數(shù)的取值根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

2.1 地震載荷

2.1.1 設(shè)備地震載荷

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2011）之規(guī)定，擦窗機(jī)設(shè)備及軌道所承受的地震載荷計(jì)算采用等效側(cè)力法進(jìn)行計(jì)算

式中 F—— 沿最不利方向施加于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件重心處的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值；

γ——非結(jié)構(gòu)構(gòu)件功能系數(shù)；

η——非結(jié)構(gòu)構(gòu)件類別系數(shù)；

ζ1——狀態(tài)系數(shù)，ζ1=2；

ζ2——位置系數(shù)，ζ2=2；

αmax—— 地震影響系數(shù)最大值，αmax=0.16（北京地區(qū)）；

G——非結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重，G＝264kN。

將參數(shù)取值代入公式中，計(jì)算得等效水平側(cè)向地震載荷F=101.4kN。根據(jù)擦窗機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，水平側(cè)向載荷由外軌兩個(gè)行走輪承受，故單輪地震載荷標(biāo)準(zhǔn)值F1=F/2=50.7kN。

2.1.2 軌道自身地震載荷

H500×200×16×10型鋼自重為878N/m，計(jì)算得出軌道自身地震載荷為787N/m。

綜上，軌道系統(tǒng)地震載荷取值如表1所示。

表1 軌道系統(tǒng)地震載荷取值

2.2 軌道承受的設(shè)備自重輪壓

擦窗機(jī)工作示意圖如圖3所示。根據(jù)設(shè)備工作時(shí)各部件的受力情況，計(jì)算出軌道輪壓如表2所示。

圖3 擦窗機(jī)工作示意圖

2.3 風(fēng)載荷

工作狀態(tài)設(shè)備承受的風(fēng)載荷通過行走系統(tǒng)傳遞到軌道上。根據(jù)《擦窗機(jī)》（GB19154-2003)相關(guān)規(guī)定，按照擦窗機(jī)各部件最不利迎風(fēng)面積和工作時(shí)風(fēng)壓，得設(shè)備工作狀態(tài)總側(cè)向風(fēng)載荷Fw＝4250N，單輪載荷Fw1＝Fw/2＝2125N，取系數(shù)1.4，設(shè)計(jì)值為2975N。

表2 軌道輪壓取值

2.4 設(shè)備運(yùn)行水平側(cè)向載荷

因?yàn)椴链皺C(jī)在行走過程中會(huì)產(chǎn)生跑偏，為保持設(shè)備沿軌道行走，翼緣側(cè)邊會(huì)約束行走導(dǎo)向輪。根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB3811-2008)，設(shè)備運(yùn)行水平側(cè)向載荷近似為

式中 ΣR—— 設(shè)備產(chǎn)生側(cè)向載荷一側(cè)最大輪壓之和，ΣR=RA+RB=264.8kN；

λ——水平側(cè)向載荷系數(shù)，根據(jù)擦窗機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，λ取0.1。

代入數(shù)值計(jì)算得設(shè)備運(yùn)行水平側(cè)向載荷PS=13.24kN，單輪側(cè)向載荷PS1=PS/2=6.62kN。

3 軌道強(qiáng)度和剛度分析

改造加固后的軌道系統(tǒng)是一個(gè)多支撐點(diǎn)且受力復(fù)雜的框架結(jié)構(gòu)，為準(zhǔn)確分析，本文采用有限元方法并使用ANSYS軟件進(jìn)行建模。將上述計(jì)算載荷施加在軌道系統(tǒng)最不利位置上，并加上軌道約束條件。

經(jīng)有限元軟件分析，在上述載荷綜合作用下，外軌應(yīng)力和變形仍然比內(nèi)軌大，不計(jì)應(yīng)力集中的影響，外軌最大應(yīng)力不超過125.2MPa,最大側(cè)向變形為9.63mm，最大應(yīng)力與最大變形均位于兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的中間位置，計(jì)算結(jié)果符合梁的受力特性。因軌道系統(tǒng)近似線性結(jié)構(gòu)，如不計(jì)地震載荷影響，按比例計(jì)算，軌道最大側(cè)向偏擺幅度不超過1.1mm，系統(tǒng)整體強(qiáng)度和剛度大幅提高，局部剛性也顯著改善，加固改造方案達(dá)到了預(yù)期的目的。通過試驗(yàn)運(yùn)行，設(shè)備行走平穩(wěn)順暢，取得了滿意的效果。