裝配整體式混凝土結構施工升降工作平臺研究

鄒小鋒（上海家樹建筑工程有限公司，上海 201108）

1 施工升降工作平臺構造及有限元模型

1.1 升降工作平臺構造

升降工作平臺技術組成部分有多種形式，構成不同的類型，形成各自的技術特點。根據導柱數量分為單柱腿和雙柱腿 2 種形式，根據水平工作平臺級數分為單級和多級。整機裝備由導柱裝置、水平工作平臺裝置、附墻裝置和動力裝置4 部分模塊組成，如圖 1 所示。本文結合工程項目選用的升降工作平臺，主要針對典型的升降工作平臺裝備施工工藝進行討論并建立有限元模型。

圖1 單柱單級升降工作平臺結構示意圖

1.2 有限元模型的建立

1.2.1 建模方案分析

實際施工平臺結構有一定的復雜性，既包括豎向導架鋼格構柱框架、水平標準節三角桁架、機械提升機傳動機構、安全鎖機構，還包括電機、控制箱這樣的電器部分。實際工作過程中平臺上載荷的作用位置、平臺高度都在不斷變化，自然條件（如風載荷）也將對施工平臺結構產生一定的影響。在建立有限元模型時無法將所有這些因素都考慮進去，因此在保證計算的準確性前提下分析 1 臺升降工作平臺時必須對其進行一定的簡化，建模簡化需做到模型能夠反映施工平臺結構的真實力學特性。在建立模型過程中，對于焊接、鉚接及螺栓連接等均采用節點合并技術處理。由于主要對施工平臺整機結構進行分析，故可忽略一些微小結構造成的局部應力集中對整機結構性能的影響，進行以下簡化。

(1) 忽略水平工作平臺裝置、導柱裝置上所有螺栓、螺栓孔、銷孔及倒角等對分析影響不大的微小結構。

(2) 忽略各水平工作平臺腳踏鋼絲網、拉桿等，忽略非承載構件的影響，并將自重以荷載形式作用于平臺。

(3) 不考慮焊縫材料特性的變化，認為焊接處的材料特性與相鄰結構的材料特性相同。事實證明，良好的焊縫質量可以減少應力集中。

(4) 忽略雙柱或多柱子平臺微小傾斜引起的位移影響，認為工作平臺水平。

(5) 由于提升機對本文的結構分析影響不大，故在建模時對其進行簡化，將其質量轉化到提升機安裝架，以保證整機質量不減少。

(6) 附墻裝置與預制混凝土外墻之間等均采用可靠連接，視其為剛性簡化。

1.2.2 單元選擇及單元特性

采用大型通用有限元分析軟件 ANSYS 建立升降工作平臺的三維空間模型。導架裝置和工作平臺裝置主體部位均采用方形鋼管焊接及螺栓連接而成，其余均為圓鋼筋單元與主體方管單元焊接而成，因此方管可采用 BEAM 188 梁單元進行模擬。導架裝置和水平工作平臺裝置內部桁架腹桿為圓形，與主體框架焊接而成，可傳遞軸力和彎矩，所以可選用 PIPE 16 單元模擬。由于水平作業平臺裝置中腳踏板為鋼絲網，對施工平臺整體受力無影響，因此鋼絲網折算為荷載加載予施工平臺，單元截面類型及實常數如表 1 所示。

表1 單元截面類型及實常數

1.2.3 基本假設

根據升降工作平臺的結構特點及工作狀況，對其進行以下基本假設。

(1) 升降工作平臺整機結構在線彈性范圍內工作。

(2) 整機升降工作平臺的豎向導架標準節及水平工作平臺標準節間均采用螺栓可靠連接。由于針對整機結構進行分析，故假定螺栓強度足夠，不發生破壞。簡化后的各個結構件之間可視為剛性連接。

1.2.4 有限元模型

有限元模型見圖 2。

圖2 有限元模型

2 施工升降工作平臺結構靜力學分析

2.1 工況荷載及邊界條件

根據規范的規定以及升降工作平臺在施工現場使用情況，升降工作平臺荷載可分為以下幾類：① 額定載荷均布；② 125% 額定載荷均布；③ 平臺伸縮梁（外伸 1.5 m）；④ 橫向載荷作用（包括風載荷及人為造成的橫向載荷）；⑤ 集中力偏置。

本文主要針對以下 4 種荷載組合工況進行靜力分析：工況 1：①④⑤ 組合；工況 2：①③④⑤ 組合；工況 3：②④⑤ 組合；工況 4：②③④⑤ 組合。

2.2 計算結果與分析

2.2.1 結構最大應力值和應變值

根據預制裝配式混凝土結構施工應用功能需求，升降工作平臺將以雙柱和單柱、單級和雙級等兩兩組合成 4 種形式。經計算，根據荷載工況設置，工況 1 至工況 4 均為滿載工況，不同類型升降工作平臺在不同偏置荷載作用下，工作平臺的最大應力值和位移值呈現明顯的差異。同類型施工平臺在相同荷載偏置作用下（工況 1、工況 3）的最大應力值呈現較小區別，工況 2 和工況 4 作業下的應力值也非常接近。

以多級升降工作平臺為例，在工況 1 作用下集中荷載對最大應力值影響較小，最大應力為 69.1 MPa；而在工況 2 作用下施工平臺的最大應力增至 171 MPa，變化顯著（圖 3）。圖 4 為雙柱多級升降工作平臺在工況 2 下局部應力云圖，在 4 個集中荷載作用下，最大應力都集中發生于平臺伸縮梁懸臂固端。對圖 4 水平工作平臺空間三角桁架應力云圖觀察，可以看出，桁架結構腹桿呈現不同顏色單色系桿，說明空間桁架單元腹桿均有應力分布，且以軸向力為主。

圖3 雙柱多級工況 1 和工況 2 最大應力對比曲線

圖4 雙柱多級工況 2 局部應力云圖

由圖 5～圖 7 可以看出，在 4 種工況條件下，升降工作平臺的最大應力值及最大變形量隨著集中荷載改變而引起不同程度改變。圖 5 比較了不同均布額定荷載作用下最大應力變化曲線，圖 7 比較了集中荷載作用下單柱和雙柱最大應力變化曲線，可以得出，改變集中荷載和額定荷載，最大應力變化顯著。總體說來，升降工作平臺對集中荷載、均布荷載以及荷載偏置都比較敏感，且單柱的荷載敏感性明顯強于雙柱。

圖5 雙柱單級和雙柱多級最大應力關系曲線

圖6 雙柱單級額定荷載作用下最大應力關系曲線

圖7 雙柱多級單柱多級最大應力關系曲線

由圖 8 可以看出，最大應力發生于導柱裝置與附著裝置連接處，根據應力云圖導柱上端應力為 33.6～ 60.5 MPa，下端應力為 20.0 ～ 33.6 MPa，附墻裝置上端應力明顯大于下端。由此可知，附著裝置承擔了導柱傳遞來的部分彎矩和部分軸力，附著裝置對導柱受力具有分散內力的作用；同時也可以認為，附著裝置將對預制混凝土剪力墻墻面產生一定的作用力。

圖8 雙柱多級升降工作平臺在工況 1 時的局部應力云圖

2.2.2 各工況下附墻結點的反作用力

附著裝置連接節點以固定支座假定，其對豎向導柱受力產生了很好的作用。然而，鑒于附著裝置連接在未完全拼裝或未澆筑成型的預制外觀剪力墻，剪力墻是否牢固可靠將是下一步驗算的重點。根據 GB 500019—2012《建筑結構荷載規范》中的荷載組合的規定，本文將提取升降工作平臺在 4 種工況下的各附墻節點反向力，并提取節點不同反向力最大值，進行組合得到不同工況下的最大反向力。

由計算結果顯示，各類型升降工作平臺附墻結點在各工況下反作用力呈現明顯的相似性，各結點彎矩的大小明顯遠遠小于軸力或者剪力的大小，可以進行鉸接點假定。各結點受力以 Y 向軸力和 X 向水平剪力為主，Z 向剪力除局部特殊點外普遍偏小。

3 升降工作平臺瞬態動力學分析

主要對高空作業施工平臺在以下幾種可能出現的瞬態沖擊的特殊工況進行分析：① 工作平臺啟動和制動；② 突然向工作平臺內施加載荷（碰撞）；③ 工作平臺受移動載荷作用。

3.1 突然啟動和緊急制動的動力響應分析

升降工作平臺、水平工作平臺在地面突然起升、空中突然卸載及空中啟動或制動時，產生一定的動態沖擊載荷。啟動過程中，當動力裝置啟動經過較短時間加速，提升機以全速提升滿載的懸吊平臺離地時，動載荷沖擊比較大。升降工作平臺如遇控制線路斷電或者主電源斷電等情況，制動系統在極短的時間內打開，完成對工作平臺制動。在此過程中將產生極大的動載荷動機。突然啟動和緊急制動，輕則對裝置產生磨損，重則引發工程事故。

為了能精確模擬該工況下動力響應，本文選取了雙柱多級升降工作平臺整機裝備作為研究對象，利用 ANSYS 分析了高空作業升降工作突然離地和緊急制動工況下的瞬態動力響應，研究了特殊位置處位移、速度和加速度隨時間的變化情況，并對起升動載系數、動力響應穩態值進行了分析研究。

3.1.1 啟動制動的動力學模型

升降工作臺突然啟動和緊急制動實質是動力系統（制動系統）使工作平臺的當前速度在較短的時間內達到目標速度的過程，速度在較短的時間發生變化而引起較大的慣性加速度。因而，該過程模擬的關鍵是選取合適的加速度時間變化規律，并計算出在此過程中整體結構的動力響應。

(1) 突然啟動動力模型。建立雙柱多級升降工作平臺沖擊加載有限元模型，加載示意圖見圖 9。預加速階段外激勵作用（啟動載荷沖擊）時間和穩態加速度段作用時間 ，其大小與起升速度有關，起升速度越大，t1和 t2越小，結構受到的動態沖擊效應就越顯著。

圖9 突然啟動慣性加速度加載示意圖

建立雙柱多級升降工作平臺沖擊加載有限元模型，見圖 10。預加速階段外激勵作用（啟動載荷沖擊）時間 和穩態加速度段作用時間 ，其大小與起升速度有關，起升速度越大，t1和 t2越小，結構受到的動態沖擊效應就越顯著。從圖 9 以及參數的設置可以看出，用有限元法模擬升降工作平臺啟動過程的動力響應時，預加速階段和穩態加速階段實際上非常短暫的，而兩者的時間分配比與動力系統的性能有關。在這極短的時間內，整個結構裝置會產生一個初始變形，變形程度的大小主要取決于這階段時間的大小。

圖10 升降工作平臺啟制動工況有限元模型

(2) 緊急制動動力模型。根據升降工作平臺操作手冊規定，制動加速度為 0.1～1.0 g 之間，加載示意圖見圖 11。制動階段的慣性加速度和作用時間與工作平臺的運行速度和制動系統的動力性能有直接的關系。為了便于求解分析，本節選取多關鍵點為研究對象，分別為上下施工平臺的平臺中心節點和左側端節點為研究對象。研究其受到啟動和制動慣性載荷瞬態沖擊后的位移隨時間變化情況；同時得出啟動和制動工況下整機結構的最大應力和最大位移，作為設計的依據。

圖11 緊急制動慣性加速度加載示意圖

3.1.2 啟動和制動瞬態動力學分析

根據升降工作平臺操作手冊，突然啟動工況將主要進行正常額定均布荷載和 125% 額定荷載為測試依據。將以靜力學分析的基本荷載類型為基礎，即荷載工況分為：① 額定載荷均布；② 125% 額定載荷。在啟動制動過程中，一般不進行施工作業，因此集中荷載偏置較小可忽略不計算。

緊急制動階段，將分為 2 種工況，即：① 滿載制動；② 空載制動。

對雙柱多級升降工作平臺在啟動和制動階段分別進行模擬，因此，啟動和制動兩階段再對平臺單級動載和雙級動載 2 種情形分別討論，并求得二者間相互影響。基于 ANSYS 模擬升降工作平臺在啟動階段的瞬態動力分析，方便、計算結果準確，并且能夠有效地預測節點動力特性的變化趨勢，從而使結構位移的變化有很好的可控性。升降工作平臺啟動和制動階段的位移響應曲線與加速度響應曲線具有很高的一致性，且與力學模型有關。力學模型的假定與起升速度有直接關系，是影響動載系數的主要因素。啟動、制動速度越大，慣性加速度作用的時間越短，進而產生的沖擊載荷就越大，導致動載系數變大。因此，在施工過程中合理地控制啟動、制動速度，是減小沖擊載荷，延長設備使用壽命，提高操作人員舒適度的最有效辦法。從安全性考慮，上下平臺間影響較小，各工況最大響應滿足設計要求，整機結構安全。

3.2 平臺碰撞的動力響應分析

升降工作平臺在實際裝配式建筑外立面施工過程中，常會遇到空中加載、空中卸載以及外物碰撞的情況。如果重物由一定高度落入水平工作平臺內，重物無疑對水平工作平臺產生很大的沖擊動載荷。該沖擊載荷常以局部區域集中的形式加載于升降工作平臺，輕則引起升降工作平臺在一定范圍內的振動，重則會對各部件結構造成破壞，例如水平工作平臺桿件破壞、連接部位損壞、整體傾翻等。因此，對這種工況下的動力響應進行研究是十分必要的。

3.2.1 整體結構有限元模型

建立升降工作平臺整機有限單元模型，需要處理單元選擇。

本文主要模擬整體結構在突然加載工況下的動力響應。為了保證計算準確、減小計算規模并使模型能夠反映工作的真實力學特性，在建模時需要對該升降工作平臺的實際結構進行合理假定。本模型以上文有限元模型為基礎，具體如下：①選用 Solide 45 單元模擬重物，選用 SHELL 63、SHELL 93 等單元模擬腳踏板；②碰撞接觸模擬基于該例碰撞接觸，無法明確接觸的準確位置，而接觸面與目標面劃分成不同的網格，同時支持大應變和大轉動。

3.2.2 有限元分析結果

運用 ANSYS 進行模擬，對上述 3 種情況下結構的位移、應力以及碰撞后的動力響應特征進行求解分析，求解結果顯示，碰撞對整機結構受力性能影響較大。模擬的工況均為正常作業過程中頻繁出現的工況，根據計算得到的最大應力和最大位移以及動力特性曲線可以看出，正常作業產生的沖擊都可以滿足整機結構的強度和剛度要求。根據動力響應趨勢可以得出，質量塊越大、碰撞高度越高，平臺受到的沖擊越大，容易使結構出現危險。

碰撞破壞一般先發生于局部構件破壞。根據靜力計算得出水平工作平臺為空間桁架結構，腹桿鋼筋以軸力為主，空間桁架結構各桿件都有內力分布，局部破壞后將引發整個機構坍塌事故。目前，國內發生的升降工作平臺事故大多由碰撞導致。因此，在裝配式建筑外立面施工過程中，做好升降工作平臺防碰防撞工作是安全施工的首要前提。

4 典型升降工作平臺

4.1 附墻裝置移動式升降工作平臺

通過升降工作平臺結構及施工技術，可將固定于剪力墻的附墻裝置改進為移動式的附墻裝置。通過改變爬升框架構造，可提高最上附墻點以上柱導軌架的懸臂高度，同時采用多層作業平臺，施工人員可同時在不同樓層間作業面操作。升降工作平臺構造圖如圖 12 所示。

圖12 附墻裝置移動式升降工作平臺示意圖

4.2 拉索式升降工作平臺

為適應不同建筑體型結構需要，當前出現改變工作平臺與立柱連接方式的一種拉索式升降工作平臺。工作平臺采用爬升式提升機攀爬懸掛機構垂下的鋼絲繩完成作業工作。其懸掛機構主要有帶配重的杠桿式、夾鉗式及設于結構本身吊耳等形式，特殊工程的懸掛機構可在設計軌道上進行滑動，以滿足工程需要。其特征在于提升點平臺用多條加強拉索穿過提升機安裝架將平臺標準節對稱拉緊，并能通過緊索器調節拉索的預緊力，將多組單提升點平臺通過螺栓連接形成拉索式高處作業平臺。

4.3 折疊式升降工作平臺

針對雙柱多級升降工作平臺爬升至較高的裝配式建筑外立面，而空中出現碰撞無法繼續上爬，工作效率低下且不適應不同體量建筑物外立面施工需要的問題。可以將水平工作平臺改進設計為折疊可調節式，從而適用更多建筑體型要求，如圖 13 所示。包括分別固定于地面及建筑物側面的一對多級水平作業平臺，水平工作平臺可沿著導柱相對移動。通過收縮或伸展折疊水平工作平臺，使得其長度能夠滿足不同寬度建筑物的施工需要。

圖13 折疊可調節式雙柱多級升降工作平臺

5 工程示范

寶山區某大型居住社區 0218-02 地塊租賃房項目，1 號、2 號樓 16 層，建筑物高度為 48.32 m；3 號樓 17 層，建筑物高度為 51.22 m；4 號樓 13 層，建筑物高度為 40.82 m；5 號樓 19 層，建筑物高度為 62.22 m；6 號樓 18 層，建筑物高度為 62.22 m；標準層層高均為 2.90 m。項目最大難點為采用 PC 結構施工，懸挑陽臺較多，需要采取加固措施。其中，2 號樓采用雙柱雙級升降工作平臺，提升至屋面層施工結束，頂部拆除。

6 結 語

筆者結合工程實踐中的技術要求對升降工作平臺進行了多種工況下靜力計算分析，研究了升降工作平臺的動力特性以及施工中 3 種動力工況的動力響應，總結出一套較為科學可行的分析計算方法，為升降工作平臺的建模仿真分析提供分析方法及理論依據。最后，為保證升降工作平臺工程應用的可靠性和安全性，對升降工作平臺在裝配式混凝土結構施工中的應用和創新作了一些有益的探索和實踐。