武漢泛悅城項目附著式升降腳手架安全性能分析

柯 賢 孝

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

附著式升降腳手架(簡稱爬架)適用于剪力墻、框架、框剪、筒體等各種不同結(jié)構(gòu)形式的高層、超高層建筑結(jié)構(gòu)與外墻裝修的施工。爬架的主要施工特點為：使用鋼材數(shù)量少、節(jié)約資源、爬升速度快、拆裝方便、安全可靠、設(shè)有防墜、防傾裝置及操作人員少。在爬架的應(yīng)用過程中，不可避免地會出現(xiàn)不利工況，繼而對爬架結(jié)構(gòu)的安全性造成影響，一旦失穩(wěn)，不但會造成人員傷亡，還會引起十分慘重的財產(chǎn)損失[1～4]。盡管爬架生產(chǎn)商在交付產(chǎn)品時提供了爬架計算書，對爬架的安全性進(jìn)行了相應(yīng)的驗算，但在計算過程中其多將爬架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定的簡化，因而難以反映爬架的真實受力狀況。從現(xiàn)有的研究成果[5～9]看，有限元法可以較為準(zhǔn)確地得出爬架的內(nèi)力，是一種可靠的爬架結(jié)構(gòu)驗算方法。

筆者以武漢泛悅城項目15#樓所采用的爬架為研究對象，根據(jù)爬架的實際構(gòu)造及使用情況建立了有限元模型，分析了其在最不利因素影響下爬架在使用及爬升過程中的結(jié)構(gòu)安全性能；同時針對架體多個機(jī)位控制的導(dǎo)軌發(fā)生不同步運(yùn)動問題，分析了導(dǎo)軌不同步運(yùn)動對結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移造成的影響。

武漢泛悅城二期一標(biāo)段15#樓項目建筑高度為191.4 m，標(biāo)準(zhǔn)層單層層高2.9 m，建筑結(jié)構(gòu)形式為剪力墻結(jié)構(gòu)。該項目采用 DM300 防火型全防護(hù)智能升降爬架，爬架沿建筑周邊共設(shè)置了42個控制機(jī)位，爬架高13.5 m，步高1.9 m，共7步，覆蓋4.5個樓層，架體寬度為0.6 m，最大直線支承跨度為5 m，爬架分段提升。

2 爬架使用工況數(shù)值模擬靜力分析

2.1 有限元模型的建立

采用MIDAS/Civil有限元軟件進(jìn)行爬架模擬，計算寬度取3榀(15 m)，高13.5 m，架體設(shè)置4個提升裝置。縱、橫向桿件采用梁單元，考慮爬架縱、橫桿在節(jié)點處連接的偏心，爬架底部水平支撐桁架與豎桿之間采用鉸接，其他部位為剛接。模型共劃分為1 007個節(jié)點，1 366個單元。有限元模型見圖1。

圖1 爬架有限元模型圖

2.1.1 材 料

各構(gòu)件均采用Q235鋼材加工而成， 彈性模量取206 GPa， 泊松比取0.3，鋼材密度為7 850 kg/m3。

2.1.2 截面特性

梁單元截面特性根據(jù)實際幾何尺寸由軟件自動計算，桿件幾何尺寸由爬架廠商提供，具體尺寸見表1。

表1 模型主要構(gòu)件尺寸表 /mm

2.1.3 邊界條件

爬架按使用狀態(tài)的不同可以分為使用和爬升兩個階段，兩個階段具有不同的邊界條件。如圖2所示，使用工況下，豎向有三個支座共同受力，根據(jù)爬架防墜器構(gòu)造，豎向支座模擬為僅受壓支(即該支座僅能承受豎直向下的力)。升降工況下，豎向僅有一個支座約束，其余為豎向活動。

2.1.4 荷載取值

爬架所受的荷載及驗算采用的荷載組合為現(xiàn)行的《建筑施工工具式腳手架安全技術(shù)規(guī)范》，JGJ202-2010[10]及《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，GB50009-2012[11]。

(a)使用工況 (b)升降工況圖2 爬架邊界條件模擬示意圖

(1)永久荷載。永久荷載包括架體結(jié)構(gòu)，圍護(hù)設(shè)施、作業(yè)層設(shè)施以及固定于架體結(jié)構(gòu)上的升降機(jī)構(gòu)和其他設(shè)備，裝置的自重均按實際計算。除了架體主框架根據(jù)各桿件的截面尺寸由軟件自動計算其自重外，其余構(gòu)件以集中力或均布荷載的形式施加于結(jié)構(gòu)的相應(yīng)位置。模型中未包含的構(gòu)件自重標(biāo)準(zhǔn)值取值如下：

沖壓鋼龍骨板：0.3 kN/m2；

沖孔網(wǎng)：0.005 kN/m2；

電葫蘆：單個重72 kg(即0.72 kN)。

(2)可變荷載。

①施工活荷載。施工活荷載的取值見表2，施工活荷載折算為爬架橫龍骨(橫桿)上的均布荷載。

表2 施工活荷載標(biāo)準(zhǔn)值表

②風(fēng)荷載。建筑高度H=191.4 m，按C類查風(fēng)壓高度系數(shù)μz=2。使用狀況下，基本風(fēng)壓取0.35 kN/m2，升降及墜落狀況取為0.25 kN/m2。爬架采用密目式安全防護(hù)網(wǎng)，密目式安全立網(wǎng)的擋風(fēng)系數(shù)φ按0.8計算，沖孔網(wǎng)對密目網(wǎng)的倍數(shù)為0.6，經(jīng)軟件計算得知使用狀況：風(fēng)荷載為0.44 kN/m2，升降狀況為0.31 kN/m2，取大值0.44 kN/m2。

2.1.5 荷載組合

爬架按最不利荷載組合進(jìn)行計算，該項目考慮到使用工況有以下兩種荷載組合：

Case1：1.2×恒載+1.4×施工活載

Case2：1.2×恒載+0.9×(1.4×施工活載+1.4×風(fēng)荷載)

2.2 數(shù)值分析結(jié)果

為便于說明，筆者對爬架模型四處爬升機(jī)位及支座位置進(jìn)行了編號(圖3)，機(jī)位編號為A-D，支承位編號為1-4，其中4號支座僅在提升階段激活，施工荷載作用在龍骨板的位置為1～7層。

圖3 爬架支撐位置編號圖

2.2.1 支座反力

按上述使用工況Case1計算，可分別得出結(jié)構(gòu)施工和裝修施工時豎向反力最大時的組合(表3、4)。

表3 結(jié)構(gòu)施工時最大支反力表 /kN

表4 裝修施工時最大支反力表 /kN

從以上計算結(jié)果可以看出：

(1)在水平方向4個機(jī)位中，中間支座的支反力較大，在豎直方向三個支座位中，上、下兩個支座的支反力較大。

(2)施工荷載越臨近某一層支座，其相應(yīng)支座的支反力就越大。

(3)結(jié)構(gòu)施工時，當(dāng)?shù)谝弧⒍幽_手板同時進(jìn)行施工活動時，B1號支座豎向反力最大，其值為34.86 kN。裝修施工時，當(dāng)?shù)谝弧⒍⑷龑幽_手板同時進(jìn)行施工活動時，B1號支座豎向反力最大，其值為34.58 kN。因此，在進(jìn)行附墻支座驗算時，可取結(jié)構(gòu)施工時的最不利結(jié)果，此時各支座的反力如下：B1支座的豎向反力為34.86 kN，水平反力為-2.8 kN。

2.2.2 外墻局部受壓承載力驗算

計算附墻支座時，應(yīng)按使用工況進(jìn)行，選取其中承受荷載最大處的支座進(jìn)行計算，其設(shè)計荷載值應(yīng)乘以沖擊系數(shù)2。穿墻螺栓孔處的混凝土承載能力應(yīng)符合下式要求[10]：

Nv≤1.35βbβlfcbd

其上層需安裝附著支承鋼梁墻體結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度必須達(dá)到或超過20 MPa方可提升。經(jīng)計算得出：支座處混凝土外墻的最小厚度為120 mm。

2.2.3 縱、橫向水平桿應(yīng)力驗算

縱、橫向水平桿驗算時，僅考慮“永久荷載+施工活荷載”組合。計算結(jié)果表明：最不利工況下，桿件最大的壓應(yīng)力為109.1 MPa，最大拉應(yīng)力為99.3 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在豎桿與橫桿的交叉點附近，桿件的拉、壓均小于容許應(yīng)力，滿足要求(Q235鋼材，厚度小于16 mm，抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度設(shè)計值f=215 N/mm2)。

2.2.4 豎向主框架強(qiáng)度

在進(jìn)行豎向主框架構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗算時，取“永久荷載+施工活荷載”，并考慮有風(fēng)荷載和無風(fēng)荷載的組合，取二者最不利情形進(jìn)行驗算。

計算結(jié)果表明：豎向主框架最大拉應(yīng)力為121.8 MPa，最大壓應(yīng)力為-188.2 MPa，最大應(yīng)力處位于豎向懸臂構(gòu)件最頂層的節(jié)點處。進(jìn)一步分析可知：由于豎向構(gòu)件在第七層腳手板上為懸臂構(gòu)件，在水平風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生了較大的彎矩，導(dǎo)致懸臂根部應(yīng)力較大，但未超過容許應(yīng)力。

2.2.5 變形計算

使用工況下，變形計算采用標(biāo)準(zhǔn)組合。縱、橫向水平桿撓度限值為L/150和10 mm (L為受彎桿件跨度)，懸臂受彎桿件撓度限值為L/400。

風(fēng)荷載不參與組合時，在結(jié)構(gòu)施工活荷載作用下，水平縱向桿件最大豎向撓度為4.6 mm

風(fēng)荷載參與組合時，僅對架體結(jié)構(gòu)水平位移產(chǎn)生影響，計算結(jié)果如圖4所示。第七層腳手板處的水平位移為55 mm，而懸挑豎桿端部水平位移達(dá)101 mm，均超過規(guī)范要求。為減少風(fēng)荷載作用下頂部懸臂豎桿的變形，筆者建議：在頂部增加斜撐(圖5)，以減少豎桿的懸臂長度，同時將風(fēng)荷載產(chǎn)生的水平力分?jǐn)傊良荏w。

圖4 風(fēng)荷載參與組合時的變形圖

圖5 爬架頂部斜撐施加示意圖

3 架體不同步爬升時結(jié)構(gòu)的響應(yīng)分析

由于架體結(jié)構(gòu)本身會出現(xiàn)不同程度的變形，如橫桿變形、立桿彎曲、吊鏈損傷等，或由于建筑物跨度較大導(dǎo)致架體結(jié)構(gòu)機(jī)位布置過多，又或者是系統(tǒng)誤差較大而導(dǎo)致不同機(jī)位電動葫蘆齒輪轉(zhuǎn)速存在差異，這一系列的因素都有可能會導(dǎo)致架體多個機(jī)位控制的導(dǎo)軌發(fā)生不同步運(yùn)動，最終導(dǎo)致其導(dǎo)軌的支撐點處的內(nèi)力會發(fā)生增大或減小現(xiàn)象[4，5]。本研究擬通過數(shù)值計算分析不同的導(dǎo)軌運(yùn)動位移差值對結(jié)構(gòu)的支反力及桿件應(yīng)力的影響，為其施工安全提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持，預(yù)防事故的發(fā)生，具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

3.1 導(dǎo)軌不同步爬升模擬方法

導(dǎo)軌不同步運(yùn)動本質(zhì)上是支座之間存在強(qiáng)迫位移，可通過在Midas/Civil軟件中設(shè)置支座沉降工況來模擬導(dǎo)軌的不同步運(yùn)動。《建筑施工工具式腳手架安全技術(shù)規(guī)范》JGJ202-2010[10]規(guī)定，附著式升降腳手架升降時，必須配備有限制荷載或水平高差的同步控制系統(tǒng)，當(dāng)水平支承桁架兩端高差達(dá)到30 mm時，水平高差同步控制系統(tǒng)應(yīng)能自動停機(jī)，即爬升工況下，相鄰導(dǎo)軌不同步運(yùn)動時的最大位移差為30 mm，因此，取Δs=0、5、10、15、…、30 mm共7個不同步位移差分別計算，以觀察不同位移差下架體受力的變化。

3.2 計算結(jié)果

導(dǎo)軌不同步運(yùn)動時的數(shù)值計算結(jié)果見表5。表中結(jié)果為“恒荷載+升降過程施工活載+不同步爬升支座位移差”組合下各個支座的最大反力值及最大應(yīng)力值。程序自動對導(dǎo)軌不同步運(yùn)動時的內(nèi)力值進(jìn)行組合，一般來說，支座隔跨不同步運(yùn)動時為最不利，例如A、C支座位或B、D支座位同時產(chǎn)生Δs。

表5 導(dǎo)軌不同步運(yùn)動時架體受力結(jié)果表

由表5可見，隨著Δs的增大，由不同步爬升引起的支反力、架體桿件應(yīng)力及水平支撐桁架桿件應(yīng)力都隨之增大，當(dāng)Δs=10 mm時，水平支撐桁架桿件已達(dá)到屈服應(yīng)力，桿件進(jìn)入塑性狀態(tài)。

分析其原因可知：水平支承桁架雖然增加了架體結(jié)構(gòu)的整體性，增加了結(jié)構(gòu)剛度，減少了架體在使用過程中的變形，但同時當(dāng)支座產(chǎn)生不同步位移差時，在架體及水平支撐桁架內(nèi)部亦產(chǎn)生了較大的內(nèi)力(架體要適應(yīng)不同步爬升引起的強(qiáng)迫位移，就必須克服水平支承桁架對桿件的約束，從而使水平支撐桁架的內(nèi)力大幅增大)。

為便于比較，筆者在取消水平支撐桁架的前提下計算了導(dǎo)軌不同步運(yùn)動對支座反力及架體桿件應(yīng)力的影響。計算結(jié)果見表6。

表6 取消水平支撐桁架后計算結(jié)果表

由表6可見，當(dāng)導(dǎo)軌不同步位移達(dá)到30 mm時，架體框架各部位的應(yīng)力值仍處于良好的工作狀態(tài)，架體結(jié)構(gòu)抵抗導(dǎo)軌不同步位移的能力增強(qiáng)。同時注意到，當(dāng)Δs=30 mm時，最大支座反力為35.7 kN；Δs=0 mm(即不考慮導(dǎo)軌不同步運(yùn)動)時，最大支座反力為18.8 kN，兩者之比約為2。《建筑施工工具式腳手架安全技術(shù)規(guī)范》JGJ202-2010中規(guī)定，在升降工況時，其設(shè)計荷載值應(yīng)乘以附加荷載不均勻系數(shù)γ2=2，間接說明了規(guī)范中不均勻系數(shù)取值基本符合工程實際。

4 結(jié) 語

筆者通過對泛悅城項目15#樓爬架的數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論：

(1)爬架在使用階段和升降階段，縱、橫向水平桿應(yīng)力及豎向主框架強(qiáng)度均能滿足規(guī)范要求。爬架結(jié)構(gòu)具有較好的安全性能。

(2)為保證附墻支座處建筑墻體具有足夠的承載能力，筆者建議：附墻支座處墻體結(jié)構(gòu)的厚度應(yīng)不小于120 mm。

(3)超高層建筑施工時，由于懸臂結(jié)構(gòu)對風(fēng)荷載較為敏感，筆者建議：爬架處的懸臂豎桿應(yīng)增設(shè)斜撐，以減少爬架豎桿的變形。

(4)水平支撐桁架增強(qiáng)了架體結(jié)構(gòu)的整體性及結(jié)構(gòu)剛度，減少了架體在使用過程中的變形。但當(dāng)導(dǎo)軌發(fā)生不同步運(yùn)動時，水平支撐桁架承受了較大的內(nèi)力，水平支撐桁架桿件在Δs=10 mm時已達(dá)到屈服應(yīng)力，桿件進(jìn)入塑性狀態(tài)；而架體結(jié)構(gòu)本身在Δs=30 mm時仍處于良好的工作狀態(tài)。筆者建議：爬架升降過程中應(yīng)采用智能化設(shè)備嚴(yán)控導(dǎo)軌不同步運(yùn)動差值，或者進(jìn)一步優(yōu)化水平支撐桁架的設(shè)計，以保證結(jié)構(gòu)安全。