爬架導(dǎo)向座安全驗(yàn)算

李金龍 楊陽(yáng) 廖敏

摘 要：某爬架的導(dǎo)向座集成了導(dǎo)向、防傾、防墜、卸載的功能。本文基于工程實(shí)例，依據(jù)最新的規(guī)范，通過(guò)合理的驗(yàn)算，介紹了導(dǎo)向座安全驗(yàn)算過(guò)程。希望通過(guò)合理的驗(yàn)算來(lái)確保導(dǎo)向座在防墜、卸載時(shí)的施工安全。

關(guān)鍵詞：爬架；導(dǎo)向座；安全

1.引言

某爬架的導(dǎo)向座集成了導(dǎo)向、防傾、防墜、卸載的功能，通過(guò)穿墻螺桿安裝于建筑結(jié)構(gòu)上預(yù)定位置。防墜機(jī)構(gòu)采用五星輪與導(dǎo)軌組件中防墜擋桿嚙合，由棘輪、棘爪機(jī)構(gòu)的原理實(shí)現(xiàn)防墜。當(dāng)架體快速下墜時(shí)，導(dǎo)軌帶動(dòng)五星輪快速轉(zhuǎn)動(dòng)，使棘輪、棘爪機(jī)構(gòu)觸發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)五星輪的鎖止動(dòng)作，使導(dǎo)軌停止下降，卸載頂桿與檔桿配合達(dá)到卸載的作用。本文依據(jù)最新的規(guī)范[1-4]，對(duì)導(dǎo)向座進(jìn)行安全驗(yàn)算，以保證施工安全，防止因?qū)蜃鶑?qiáng)度不夠而產(chǎn)生安全事故。

2.附墻支撐安全驗(yàn)算

2.1 導(dǎo)向座支反力計(jì)算

爬架靜荷載計(jì)算值為Pj=32041N，爬架最大活載荷計(jì)算值為Ph=23184N，由文獻(xiàn)1知計(jì)算附墻支座時(shí)，應(yīng)按使用工況進(jìn)行，其設(shè)計(jì)荷載值應(yīng)乘以沖擊系數(shù)γ2=2。故使用工況下，計(jì)算附墻支座時(shí)荷載的計(jì)算值為：Ps=γ2×Pj+Ph=110450N。每榀架體有四個(gè)導(dǎo)向座，計(jì)算導(dǎo)向座支反力時(shí)把兩個(gè)導(dǎo)向座作為一組計(jì)算，所以每?jī)蓚€(gè)導(dǎo)向座受力為P=Ps22=55225N，圖1為導(dǎo)向座的受力簡(jiǎn)圖。其中3000mm為導(dǎo)向座的間距，載荷作用點(diǎn)與導(dǎo)向座支點(diǎn)的距離為架體內(nèi)側(cè)凈寬的一半即300mm加上導(dǎo)向座側(cè)板的長(zhǎng)度300mm，所以距離為600mm。

圖1 導(dǎo)向座受力

（1）不考慮風(fēng)荷載時(shí)，固定導(dǎo)向座的支反力計(jì)算。

根據(jù)固定導(dǎo)向座的受力簡(jiǎn)圖可知：

PAx=PBx=P×6003000=11045NPAy+PBy=P=55225N

考慮兩個(gè)固定導(dǎo)向座不是均勻承載的情況，不妨取PAy=2PBy，則：

PAy=P×23=36817NPBy=P×13=18408N

（2）考慮風(fēng)荷載時(shí)，固定導(dǎo)向座的支反力計(jì)算：

風(fēng)載荷的標(biāo)準(zhǔn)值為ω—k=10858N/m

架體高15米、寬46米。風(fēng)荷載水平拉力為：

Fω—=ω—k×15×46=74920N

風(fēng)荷載產(chǎn)生的支座反力由4個(gè)固定導(dǎo)向座共同承擔(dān)。

則在使用工況下（考慮風(fēng)荷載），每個(gè)固定導(dǎo)向座承受的水平力為：

PAx=11045+Fw4=29775NPBx=11045-Fw4=-7685N

風(fēng)荷載不影響固定導(dǎo)向座在豎直方向的受力。故考慮風(fēng)荷載時(shí)，固定導(dǎo)向座在豎直方向的受力為：

PAy=36817NPBy=18408N

2.2 穿墻螺栓強(qiáng)度校核

連接固定導(dǎo)向座的螺栓采用M27螺栓，數(shù)量每處1個(gè)。

由文獻(xiàn)2知同時(shí)承受剪力和軸桿方向拉力的螺栓的承載力設(shè)計(jì)公式為NvNbv2+NtNbt2≤1

Nv、Nt：一個(gè)普通螺栓所承受的剪力和拉力設(shè)計(jì)值；

Nbv、Nbt：一個(gè)普通螺栓抗剪力和抗拉承載力設(shè)計(jì)值；

螺栓在使用工況（考慮風(fēng)荷載）下承受的最大剪力Nv、最大拉力Nt分別為：

Nv=PAy=36817N，Nt=PAx=29775N

由文獻(xiàn)2知一個(gè)普通Q235 M27螺栓：

Nbt=78KN，Nbv=802，所以

NvNbv2+NtNbt2=06<1

故穿墻螺栓的強(qiáng)度滿(mǎn)足要求，結(jié)構(gòu)安全。

2.3 混凝土結(jié)構(gòu)螺栓孔處局部承壓計(jì)算

穿墻螺栓M27受剪力368MPa。

在墻、梁砼強(qiáng)度達(dá)到C15等級(jí)時(shí)，允許爬架爬升，驗(yàn)算此時(shí)的墻、梁、板強(qiáng)度按下列公式計(jì)算：

R1、R2≤Fi，F(xiàn)i=135βfcAm

R1、R2：螺栓對(duì)穿孔處混凝土產(chǎn)生的作用力；

b1、b2：孔壁壓力R1、R2沿外墻厚度方向承壓面的長(zhǎng)度；

Fi：螺栓孔處的混凝土局部承壓、承載力設(shè)計(jì)值；

β：混凝土局部承壓強(qiáng)度提高系數(shù)，β=173；

fc：爬升齡期的混凝土試塊軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，fc=12Mpa；

Am：混凝土局部受壓凈面積，Am1=db1、Am2=db2（d為螺栓直徑，有套管時(shí)為套管外徑）；

b：混凝土外墻的厚度；

Nv：?jiǎn)蝹€(gè)螺栓所承受的剪力設(shè)計(jì)值。

R2b-Nv（b1+c）=0R1-R2-Nv=0R1（b-b1）-R2b1=0b=b1+b2

已知b=200mm，c=10mm，由上面的方程組可解得：Nv=368kN、b1=140mm、b2=60mm R1=644kN、R2=276kN

而F1=135βfcAm1=106kN

F2=135βfcAm2=454kN

因此，R1

故，墻、梁完全能滿(mǎn)足安全使用要求。

3.防墜時(shí)導(dǎo)向座安全驗(yàn)算

3.1 防墜時(shí)導(dǎo)向座受力計(jì)算

墜落時(shí)的受力方式參考圖1，只是力P與支座的距離由600mm變?yōu)?00mm。而且其計(jì)算方法同導(dǎo)向座支反力計(jì)算方式一樣，只是距離有變化，所以按照前面的計(jì)算方式得到最后的計(jì)算結(jié)果為：

PAx=242525NPBx=-132075N PAy=36817NPBy=18408N

3.2 卸載頂桿強(qiáng)度校核卸載頂桿的作用是在使用工況下，與檔桿配合達(dá)到卸載的作用，其受的力F與導(dǎo)軌的夾角為β，F(xiàn)在Y方向的力與導(dǎo)向座在Y方向的力PAy=36817N平衡，所以卸載頂桿的力F=PAycosβ，而夾角β∈（2428，3465），所以Fmax=36817cos3465=44755N

卸載頂桿上端螺紋套的截面是外徑為50，內(nèi)徑為32的空心圓，所以面積為：

S1=π×252-π×162=1159mm2

支承螺桿截面是直徑為30的圓，其面積S2=π×152=707mm2，所以危險(xiǎn)截面的面積為707mm2。卸載頂桿材料為Q235，查的其抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為215MPa。所以卸載頂桿危險(xiǎn)截面處的應(yīng)力為：

σ=44775707=633MPa<215MPa

卸載頂桿強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

3.3 五星輪強(qiáng)度校核

3.3.1五星輪計(jì)算參數(shù)

圖2（a）五星輪的截面形狀，（b）為五星輪計(jì)算簡(jiǎn)圖。

圖2 五星輪

已知L1=65mm，L2=315mm

五星輪受到的力為Pc=PAy=36817N，可得

F=Pc×L1L2=759716N

五星輪的材料為45鋼，由文獻(xiàn)2知其抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為f=355MPa，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為210MPa。

3.3.2五星輪凸齒根部強(qiáng)度校核

五星輪凸齒根部危險(xiǎn)截面的彎矩為

Mmax=Pc×L=1104510N·mm

該危險(xiǎn)截面的模量為：

W=2ab26=2×12×3926=6084mm3

則該截面的應(yīng)力為：

σ=MmaxW=18154MPa<355MPa

故五星輪凸齒根部滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

3.3.3五星輪外齒抗剪強(qiáng)度校核

五星輪外齒受到的剪力為Pc=36817N，該處（A-A斷面）的截面積為：As=12×25=300mm2

則截面的最大剪力為：

τmax=PcAs=123MPa<210MPa

故五星輪外齒抗剪強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

4.結(jié)論

通過(guò)計(jì)算知道，該爬架導(dǎo)向座各個(gè)部分零件都滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，附墻支撐也通過(guò)了安全驗(yàn)算，該爬架已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際工程當(dāng)中，事實(shí)證明導(dǎo)向座卸載、防墜都得到較好的效果。本文從實(shí)際出發(fā)，以準(zhǔn)確的原則對(duì)導(dǎo)向座進(jìn)行了合理的安全驗(yàn)算，為爬架的安全性提供了依據(jù)。（作者單位：西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院）

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