施工升降平臺載重量彎矩扭矩監控裝置模擬分析

王 喬，王明月

（山東省建筑科學研究院，山東 濟南 250031)

1 引 言

目前國內建筑施工升降操作平臺（導架爬升式）主要在建筑外裝飾階段使用。如圖1所示，施工人員在平臺上操作，人員及物料產生對平臺的垂直力G、彎矩M，當建筑物外立面在水平方向不平齊時，需要設置側向延伸平臺，此時由于載荷偏離平臺中心較遠，會產生較大的、對平臺中心的扭矩Mn。GB/T 27547-2011《升降工作平臺 導架爬升式工作平臺》要求應安裝超載和超力矩的檢測及指示裝置，應至少能檢測作用在平臺上的彎矩和扭矩。常見的建筑施工升降操作平臺監控裝置是通過在平臺下弦桿與爬升框架的連接耳板處設置軸銷式傳感器，檢測平臺下弦桿的壓力來測算作用在平臺上的彎矩。由于平臺與爬升框架連接耳板處的軸孔為圓孔，軸銷受力既有垂直力也有水平力，其傳感器的布置方式導致彎矩檢測不準確，且無法檢測出作用在平臺上的載荷重量及其偏心產生的扭矩；當有大重量的載荷作用在平臺根部或側向延伸平臺較長時，無法有效監控，存在安全隱患。

2 監控裝置的原理和構造

為消除只能監控平臺彎矩的隱患，同時增加平臺扭矩和載重量的監控，通過在主平臺根部設置傳力構造、將平臺根部向爬升框架傳遞的載荷分成水平力和垂直力，布置傳感器，分別檢測并測算。如圖1所示，平臺上弦桿與爬升框架連接耳板安裝傳感器位置開有垂直方向的長孔、此連接耳板處只傳遞水平拉力而不傳遞垂直力；同樣，平臺下弦桿與爬升框架連接耳板處也只傳遞水平壓力而不傳遞垂直力；平臺在承受彎矩時，而中部形心線位置不受彎矩的影響，在此處增加與爬升框架連接耳板并開有水平方向的長孔，傳遞平臺上的垂直力而不傳遞水平力。

平臺1（立柱右側）：下弦桿壓力：內側（靠近建筑物一側）T11、外側T12，形心線位置垂直力：內側V11、外側V12；均采用軸銷式傳感器檢測；載重量、彎矩及扭矩測算公式如下。

載重量G1=(V11+V12)≤[G1]，其中V11+V12為代數和。

彎矩M1=(T11+T12)h≤[M1]，其中h為主平臺上下弦桿垂直間距。

圖1 一種建筑施工升降操作平臺載重量、彎矩及扭矩監控裝置構造示意圖

平臺2（立柱左側）：下弦桿壓力：內側T11、外側T12，形心線位置垂直力：內側V11、外側V12；載重量、彎矩及扭矩測算公式同平臺1。

總平臺對立柱導軌架的偏心彎矩M＝(M1－M2)≤[M]。

3 有限元分析模型的建立

為準確模擬操作平臺與爬升框架連接耳板處的傳力構造，采用梁單元建立連接耳板；采用無間隙抗拉單元模擬平臺上弦桿與爬升框架連接耳板安裝傳感器位置開有垂直方向的長孔、只傳遞拉力的連接構造；采用無間隙抗壓單元模擬平臺下弦桿與爬升框架連接耳板安裝傳感器位置開有垂直方向的長孔、只傳遞壓力的連接構造。

操作平臺中部形心線位置與爬升框架連接耳板傳遞平臺上的垂直力、承擔操作平臺上的載重量和扭矩。當側向平臺較長，產生對平臺中心的扭矩較大時，形心線位置垂直力內側V11數值較大且方向向下、外側V12數值小于V11且方向向上。因此采用無間隙抗壓單元模擬內側V12處單向承壓的連接構造，采用無間隙抗拉單元模擬外側處單向承拉的連接構造。

按照3×105N/mm定義上述間隙單元的剛度，建立接觸連接。另外，為保證操作平臺風載荷側向水平力的傳遞，還需要在上下弦桿連接耳板位置增加側向水平間隙單元，建立接觸連接。至此，完成整機有限元分析模型的建立，可以模擬本文所述操作平臺重量、彎矩、扭矩監控裝置傳感器位置的實際接觸連接構造和載荷傳遞情況。

4 計算工況及載荷

計算工況選擇工作狀態、風沿垂直于操作平臺方向吹向建筑物。計算大底架最大獨立高度、無附著狀態。

垂直載荷中，結構自重根據材料特性由軟件自行計算；操作平臺的工作載荷，均布載荷按照每一側每層平臺上放置150kg的物料，計算模型按照2層、共600kg均布載荷；移動載荷按照最危險情況，在操作平臺的最大幅度7.15m處、同時在延伸平臺的側向最大幅度2.45m處，作用600kg的集中載荷。在底架上放置壓重3 000kg。

水平載荷中風載荷計算風壓250N/m2，計算時考慮操作平臺、爬升框架、立柱、物料及人員的迎風面積，將計算風載荷施加于主結構的節點上。在操作平臺的最大幅度處護欄上端1.1m高度處，施加300N的水平力。

5 計算結果及分析對比

5.1 載荷組合及安全系數

按照載荷組合B2-工作狀態、有風、動態。操作平臺采用鋼結構，鋼材牌號Q235，鋼結構安全系數為1.33，則許用應力為176MPa。

5.2 監控裝置傳力構造對整機結構的影響分析

不采用間隙單元，只將操作平臺與爬升框架連接耳板處的單元端部釋放繞銷軸的轉動，建立整機有限元分析模型；計算模型及數據見表1中序號1。

如前所述，采用有限元中不同的間隙單元模擬監控裝置中傳遞重量、彎矩及扭矩傳感器位置的構造，建立整機有限元分析模型；計算模型及數據見表1中序號2。

表1 監控裝置傳力構造對整機結構的影響分析對比表

序號2與序號1相比，立柱導軌架和底架的計算應力沒有明顯變化；操作平臺應力減少7.5%，分析原因是因為傳感器的傳力構造只傳遞軸力而不傳遞彎矩，所以操作平臺主肢的應力中只剩軸向力的應力；但操作平臺主肢軸向力增加、對爬升框架的主肢作用增加，導致爬升框架主肢的應力增加109%、腹桿應力增加36.5%。整機計算模型的最大位移增加4%。

5.3 傳感器位置計算數據與操作平臺承受載荷的對應分析

不考慮操作平臺自重、風載荷和水平力，均布載荷和集中載荷對傳感器位置的作用如下。

載重量：G=3000+6000=9000N。

彎矩：M=6000×7.15+3000×3.75=54150Nm。

扭矩：Mn=6000×2.45=14700Nm。

查詢計算模型中間隙單元，操作平臺傳感器位置的傳力見表2。

表2 監控裝置傳感器位置傳力分析表 (N)

根據表2傳力測算載重量、彎矩及扭矩如下。

G=-20890+11890=9000N。

M=(20853+68896)×0.6=53850Nm。

施加的載荷作用與計算模型傳感器位置測算數據的誤差，載重量G的誤差為0，彎矩M的誤差-0.6%，扭矩Mn的誤差0.3%。

考慮操作平臺自重、風載荷和水平力，施加的載荷作用與計算模型傳感器位置測算數據的誤差，最大為4.6%，在此不再贅述。

5.4 計算結果判定

經計算分析，監控裝置傳力構造對爬升框架的計算應力有較大影響、爬升框架主肢計算應力超出許用應力；其余部件最大計算應力小于許用應力。

6 結 論

通過在主平臺根部設置傳力構造、布置傳感器，可分別檢測并測算出作用在平臺上的載荷重量及其產生的彎矩和扭矩。

采用有限元中不同的間隙單元模擬監控裝置中傳遞重量、彎矩及扭矩傳感器位置的構造，建立整機有限元分析模型，可以模擬實際接觸連接構造和載荷傳遞情況。

經分析對比，施加的重量、彎矩及扭矩載荷作用與根據計算模型傳感器位置計算數據測算的重量、彎矩及扭矩相比，誤差較小，可以滿足超載監控的要求。

監控裝置傳力構造對整機結構的應力和位移均有一定的影響，特別是對爬升框架的計算應力有較大影響。在設計中應加以考慮，否則會存在安全隱患。

[1] GB/T 27547-2011．升降工作平臺 導架爬升式工作平臺[S].

[2] 劉長利，周少林，梁 琳．ALGOR有限元分析軟件實例教程[M]．北京：人民交通出版社，2005.

[3] 寇曉東，唐 可，田彩軍．ALGOR結構分析高級教程[M]．北京：清華大學出版社，2008.