裝配式混凝土結構防護與作業(yè)一體化施工平臺設計分析

潘 曦

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

1 防護與作業(yè)一體化施工平臺

隨著我國新型裝配式建筑技術快速發(fā)展，裝配式混凝土結構工程數(shù)量日益增多。為了滿足裝配式建筑的主體結構施工的外立面封閉式圍護、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構防護與作業(yè)一體化施工平臺應運而生[1，2]。

該平臺主要由操作平臺系統(tǒng)、升降動力系統(tǒng)、附墻系統(tǒng)、安全保護系統(tǒng)、導軌架及底部支座等構成（見圖1）。操作平臺系統(tǒng)為主要的作業(yè)與圍護載體，為雙層封閉式模塊化拼裝結構，總長15 m，主體寬1.2 m，總高度5.1 m.升降動力系統(tǒng)固定在機位架上，機位架采用三面環(huán)抱的形式與導軌架連接，該平臺的升降速度為7.6 m/min，提升能力大于5 000 kg，最大施工高度可達100 m[3]。

圖1 防護與作業(yè)一體化施工平臺

與傳統(tǒng)電動升降平臺不同，該施工平臺不僅僅是提供一個作業(yè)空間，還需發(fā)揮外立面防護作用，在主體結構施工時，平臺須跟隨每一結構段的施工進度同步上升，提供作業(yè)空間并充當防護圍擋。因此，該施工平臺需要承受較大的風荷載以及施工荷載，承擔載荷的復雜程度也大于傳統(tǒng)的電動升降平臺。因此需要針對各種不同工況詳細分析其整體受力情況，并對主要構件進行選型設計。

2 荷載分析

（1）傳力路徑

裝配式混凝土結構防護與作業(yè)一體化施工平臺在工作狀態(tài)下，施工荷載以及風荷載主要作用于操作平臺架體，其中，水平力直接由機位架傳遞至導軌架體，豎向力則由機位架上的電動機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軌架體，最終通過附墻裝置或固定底座，傳遞至建筑主體結構或者平臺基礎。防護與作業(yè)一體化施工平臺荷載傳遞路徑如圖2所示。

圖2 防護與作業(yè)一體化施工平臺荷載傳遞

（2）計算流程

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

（3）荷載分析

防護與作業(yè)一體化施工平臺主要承受結構自重、風荷載以及施工荷載。根據(jù)相關規(guī)范[4-6]要求，進行分別取值計算。

①結構自重

包括架體結構、圍護設施、作業(yè)層設施和其它設備、裝置的自重，根據(jù)計算15 m長度操作平臺系統(tǒng)以及升降動力系統(tǒng)總重67 kN.每個機位架上的電機和防墜器重量6.5 kN，合計13 kN，在計算導軌架時考慮。

②施工荷載

包括物料堆載、施工人員及機具荷載等。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)平臺主桁架層，每層2.0 kN/m2.

③風荷載

風荷載標準值Wk按下式計算：

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

3 工況分析

本文主要選取防護與作業(yè)一體化施工平臺最不利情況進行分析，即平臺在滿載作業(yè)狀態(tài)下受風荷載的影響分析，其中風荷載按照風向可分為正風向與反向風，正風向為平臺防護圍擋行進至建筑墻面方向，反風向為建筑墻面行進至平臺防護圍擋方向。

各工況及模型的荷載組合見表1，荷載效應組合分項系數(shù)按照相關規(guī)范進行取值。

表1 工況及模型對應荷載

4 有限元分析及構件選型

（1）雙層封閉平臺結構分析

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

圖3 操作平臺有限元模型及邊界條件

圖4 工況一操作平臺架體組合應力云圖

圖5 工況一操作平臺位移云圖

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

表2 操作平臺及機位架主要構件型號及應力比

圖6 各單元最大組合應力比分布圖

（2）機位架支座反力

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

圖7 工況一機位架支座反力

（3）導軌架受力分析

按照最不利情況建立導軌架有限元模型，即平臺懸停在導軌架頂部進行作業(yè)（見圖8）。導軌架最大高度為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，外部荷載施加在導軌架體頂端的標準節(jié)相應位置處。

圖8 懸臂施工狀態(tài)

通過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，而水平方向上，由于附墻裝置的約束作用，位于導軌架頂端的施工平臺對80 m以下導軌架的水平變形影響較小。

圖9 工況一導軌架位移

圖10、圖11給出了80 m以上導軌架在不同工況下的變形曲線，同時也給出相應的無風荷載狀態(tài)下變形曲線。進行對比可知，在DX方向，無論何種工況，導軌架變形均偏向操作平臺重心位置一側(cè)，在DY方向，正風向和無風工況下導軌架均偏向靠近墻面一側(cè)，而反風向工況下導軌架則在風荷載作用下偏向遠離墻面一側(cè)，其中，導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

導軌架標準節(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機傳力的豎向力，采用L75×50×8角鋼，工況一條件下的應力云圖如圖12所示，其余桿件型號與最大組合應力比見表3，均滿足要求。

圖12 機位附著處導軌架應力圖

表3 導軌架主要構件型號及應力比

5 結束語

分析結果表明，防護與作業(yè)一體化施工平臺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構建造的外立面封閉式圍護、重載提升、高懸臂施工等防護與作業(yè)要求，具有良好的推廣應用前景。