装配整体式混凝土结构施工升降工作平台研究

邹小锋（上海家树建筑工程有限公司，上海 201108）

1 施工升降工作平台构造及有限元模型

1.1 升降工作平台构造

升降工作平台技术组成部分有多种形式，构成不同的类型，形成各自的技术特点。根据导柱数量分为单柱腿和双柱腿 2 种形式，根据水平工作平台级数分为单级和多级。整机装备由导柱装置、水平工作平台装置、附墙装置和动力装置4 部分模块组成，如图 1 所示。本文结合工程项目选用的升降工作平台，主要针对典型的升降工作平台装备施工工艺进行讨论并建立有限元模型。

图1 单柱单级升降工作平台结构示意图

1.2 有限元模型的建立

1.2.1 建模方案分析

实际施工平台结构有一定的复杂性，既包括竖向导架钢格构柱框架、水平标准节三角桁架、机械提升机传动机构、安全锁机构，还包括电机、控制箱这样的电器部分。实际工作过程中平台上载荷的作用位置、平台高度都在不断变化，自然条件（如风载荷）也将对施工平台结构产生一定的影响。在建立有限元模型时无法将所有这些因素都考虑进去，因此在保证计算的准确性前提下分析 1 台升降工作平台时必须对其进行一定的简化，建模简化需做到模型能够反映施工平台结构的真实力学特性。在建立模型过程中，对于焊接、铆接及螺栓连接等均采用节点合并技术处理。由于主要对施工平台整机结构进行分析，故可忽略一些微小结构造成的局部应力集中对整机结构性能的影响，进行以下简化。

(1) 忽略水平工作平台装置、导柱装置上所有螺栓、螺栓孔、销孔及倒角等对分析影响不大的微小结构。

(2) 忽略各水平工作平台脚踏钢丝网、拉杆等，忽略非承载构件的影响，并将自重以荷载形式作用于平台。

(3) 不考虑焊缝材料特性的变化，认为焊接处的材料特性与相邻结构的材料特性相同。事实证明，良好的焊缝质量可以减少应力集中。

(4) 忽略双柱或多柱子平台微小倾斜引起的位移影响，认为工作平台水平。

(5) 由于提升机对本文的结构分析影响不大，故在建模时对其进行简化，将其质量转化到提升机安装架，以保证整机质量不减少。

(6) 附墙装置与预制混凝土外墙之间等均采用可靠连接，视其为刚性简化。

1.2.2 单元选择及单元特性

采用大型通用有限元分析软件 ANSYS 建立升降工作平台的三维空间模型。导架装置和工作平台装置主体部位均采用方形钢管焊接及螺栓连接而成，其余均为圆钢筋单元与主体方管单元焊接而成，因此方管可采用 BEAM 188 梁单元进行模拟。导架装置和水平工作平台装置内部桁架腹杆为圆形，与主体框架焊接而成，可传递轴力和弯矩，所以可选用 PIPE 16 单元模拟。由于水平作业平台装置中脚踏板为钢丝网，对施工平台整体受力无影响，因此钢丝网折算为荷载加载予施工平台，单元截面类型及实常数如表 1 所示。

表1 单元截面类型及实常数

1.2.3 基本假设

根据升降工作平台的结构特点及工作状况，对其进行以下基本假设。

(1) 升降工作平台整机结构在线弹性范围内工作。

(2) 整机升降工作平台的竖向导架标准节及水平工作平台标准节间均采用螺栓可靠连接。由于针对整机结构进行分析，故假定螺栓强度足够，不发生破坏。简化后的各个结构件之间可视为刚性连接。

1.2.4 有限元模型

有限元模型见图 2。

图2 有限元模型

2 施工升降工作平台结构静力学分析

2.1 工况荷载及边界条件

根据规范的规定以及升降工作平台在施工现场使用情况，升降工作平台荷载可分为以下几类：① 额定载荷均布；② 125% 额定载荷均布；③ 平台伸缩梁（外伸 1.5 m）；④ 横向载荷作用（包括风载荷及人为造成的横向载荷）；⑤ 集中力偏置。

本文主要针对以下 4 种荷载组合工况进行静力分析：工况 1：①④⑤ 组合；工况 2：①③④⑤ 组合；工况 3：②④⑤ 组合；工况 4：②③④⑤ 组合。

2.2 计算结果与分析

2.2.1 结构最大应力值和应变值

根据预制装配式混凝土结构施工应用功能需求，升降工作平台将以双柱和单柱、单级和双级等两两组合成 4 种形式。经计算，根据荷载工况设置，工况 1 至工况 4 均为满载工况，不同类型升降工作平台在不同偏置荷载作用下，工作平台的最大应力值和位移值呈现明显的差异。同类型施工平台在相同荷载偏置作用下（工况 1、工况 3）的最大应力值呈现较小区别，工况 2 和工况 4 作业下的应力值也非常接近。

以多级升降工作平台为例，在工况 1 作用下集中荷载对最大应力值影响较小，最大应力为 69.1 MPa；而在工况 2 作用下施工平台的最大应力增至 171 MPa，变化显著（图 3）。图 4 为双柱多级升降工作平台在工况 2 下局部应力云图，在 4 个集中荷载作用下，最大应力都集中发生于平台伸缩梁悬臂固端。对图 4 水平工作平台空间三角桁架应力云图观察，可以看出，桁架结构腹杆呈现不同颜色单色系杆，说明空间桁架单元腹杆均有应力分布，且以轴向力为主。

图3 双柱多级工况 1 和工况 2 最大应力对比曲线

图4 双柱多级工况 2 局部应力云图

由图 5～图 7 可以看出，在 4 种工况条件下，升降工作平台的最大应力值及最大变形量随着集中荷载改变而引起不同程度改变。图 5 比较了不同均布额定荷载作用下最大应力变化曲线，图 7 比较了集中荷载作用下单柱和双柱最大应力变化曲线，可以得出，改变集中荷载和额定荷载，最大应力变化显著。总体说来，升降工作平台对集中荷载、均布荷载以及荷载偏置都比较敏感，且单柱的荷载敏感性明显强于双柱。

图5 双柱单级和双柱多级最大应力关系曲线

图6 双柱单级额定荷载作用下最大应力关系曲线

图7 双柱多级单柱多级最大应力关系曲线

由图 8 可以看出，最大应力发生于导柱装置与附着装置连接处，根据应力云图导柱上端应力为 33.6～ 60.5 MPa，下端应力为 20.0 ～ 33.6 MPa，附墙装置上端应力明显大于下端。由此可知，附着装置承担了导柱传递来的部分弯矩和部分轴力，附着装置对导柱受力具有分散内力的作用；同时也可以认为，附着装置将对预制混凝土剪力墙墙面产生一定的作用力。

图8 双柱多级升降工作平台在工况 1 时的局部应力云图

2.2.2 各工况下附墙结点的反作用力

附着装置连接节点以固定支座假定，其对竖向导柱受力产生了很好的作用。然而，鉴于附着装置连接在未完全拼装或未浇筑成型的预制外观剪力墙，剪力墙是否牢固可靠将是下一步验算的重点。根据 GB 500019—2012《建筑结构荷载规范》中的荷载组合的规定，本文将提取升降工作平台在 4 种工况下的各附墙节点反向力，并提取节点不同反向力最大值，进行组合得到不同工况下的最大反向力。

由计算结果显示，各类型升降工作平台附墙结点在各工况下反作用力呈现明显的相似性，各结点弯矩的大小明显远远小于轴力或者剪力的大小，可以进行铰接点假定。各结点受力以 Y 向轴力和 X 向水平剪力为主，Z 向剪力除局部特殊点外普遍偏小。

3 升降工作平台瞬态动力学分析

主要对高空作业施工平台在以下几种可能出现的瞬态冲击的特殊工况进行分析：① 工作平台启动和制动；② 突然向工作平台内施加载荷（碰撞）；③ 工作平台受移动载荷作用。

3.1 突然启动和紧急制动的动力响应分析

升降工作平台、水平工作平台在地面突然起升、空中突然卸载及空中启动或制动时，产生一定的动态冲击载荷。启动过程中，当动力装置启动经过较短时间加速，提升机以全速提升满载的悬吊平台离地时，动载荷冲击比较大。升降工作平台如遇控制线路断电或者主电源断电等情况，制动系统在极短的时间内打开，完成对工作平台制动。在此过程中将产生极大的动载荷动机。突然启动和紧急制动，轻则对装置产生磨损，重则引发工程事故。

为了能精确模拟该工况下动力响应，本文选取了双柱多级升降工作平台整机装备作为研究对象，利用 ANSYS 分析了高空作业升降工作突然离地和紧急制动工况下的瞬态动力响应，研究了特殊位置处位移、速度和加速度随时间的变化情况，并对起升动载系数、动力响应稳态值进行了分析研究。

3.1.1 启动制动的动力学模型

升降工作台突然启动和紧急制动实质是动力系统（制动系统）使工作平台的当前速度在较短的时间内达到目标速度的过程，速度在较短的时间发生变化而引起较大的惯性加速度。因而，该过程模拟的关键是选取合适的加速度时间变化规律，并计算出在此过程中整体结构的动力响应。

(1) 突然启动动力模型。建立双柱多级升降工作平台冲击加载有限元模型，加载示意图见图 9。预加速阶段外激励作用（启动载荷冲击）时间和稳态加速度段作用时间 ，其大小与起升速度有关，起升速度越大，t1和 t2越小，结构受到的动态冲击效应就越显著。

图9 突然启动惯性加速度加载示意图

建立双柱多级升降工作平台冲击加载有限元模型，见图 10。预加速阶段外激励作用（启动载荷冲击）时间 和稳态加速度段作用时间 ，其大小与起升速度有关，起升速度越大，t1和 t2越小，结构受到的动态冲击效应就越显著。从图 9 以及参数的设置可以看出，用有限元法模拟升降工作平台启动过程的动力响应时，预加速阶段和稳态加速阶段实际上非常短暂的，而两者的时间分配比与动力系统的性能有关。在这极短的时间内，整个结构装置会产生一个初始变形，变形程度的大小主要取决于这阶段时间的大小。

图10 升降工作平台启制动工况有限元模型

(2) 紧急制动动力模型。根据升降工作平台操作手册规定，制动加速度为 0.1～1.0 g 之间，加载示意图见图 11。制动阶段的惯性加速度和作用时间与工作平台的运行速度和制动系统的动力性能有直接的关系。为了便于求解分析，本节选取多关键点为研究对象，分别为上下施工平台的平台中心节点和左侧端节点为研究对象。研究其受到启动和制动惯性载荷瞬态冲击后的位移随时间变化情况；同时得出启动和制动工况下整机结构的最大应力和最大位移，作为设计的依据。

图11 紧急制动惯性加速度加载示意图

3.1.2 启动和制动瞬态动力学分析

根据升降工作平台操作手册，突然启动工况将主要进行正常额定均布荷载和 125% 额定荷载为测试依据。将以静力学分析的基本荷载类型为基础，即荷载工况分为：① 额定载荷均布；② 125% 额定载荷。在启动制动过程中，一般不进行施工作业，因此集中荷载偏置较小可忽略不计算。

紧急制动阶段，将分为 2 种工况，即：① 满载制动；② 空载制动。

对双柱多级升降工作平台在启动和制动阶段分别进行模拟，因此，启动和制动两阶段再对平台单级动载和双级动载 2 种情形分别讨论，并求得二者间相互影响。基于 ANSYS 模拟升降工作平台在启动阶段的瞬态动力分析，方便、计算结果准确，并且能够有效地预测节点动力特性的变化趋势，从而使结构位移的变化有很好的可控性。升降工作平台启动和制动阶段的位移响应曲线与加速度响应曲线具有很高的一致性，且与力学模型有关。力学模型的假定与起升速度有直接关系，是影响动载系数的主要因素。启动、制动速度越大，惯性加速度作用的时间越短，进而产生的冲击载荷就越大，导致动载系数变大。因此，在施工过程中合理地控制启动、制动速度，是减小冲击载荷，延长设备使用寿命，提高操作人员舒适度的最有效办法。从安全性考虑，上下平台间影响较小，各工况最大响应满足设计要求，整机结构安全。

3.2 平台碰撞的动力响应分析

升降工作平台在实际装配式建筑外立面施工过程中，常会遇到空中加载、空中卸载以及外物碰撞的情况。如果重物由一定高度落入水平工作平台内，重物无疑对水平工作平台产生很大的冲击动载荷。该冲击载荷常以局部区域集中的形式加载于升降工作平台，轻则引起升降工作平台在一定范围内的振动，重则会对各部件结构造成破坏，例如水平工作平台杆件破坏、连接部位损坏、整体倾翻等。因此，对这种工况下的动力响应进行研究是十分必要的。

3.2.1 整体结构有限元模型

建立升降工作平台整机有限单元模型，需要处理单元选择。

本文主要模拟整体结构在突然加载工况下的动力响应。为了保证计算准确、减小计算规模并使模型能够反映工作的真实力学特性，在建模时需要对该升降工作平台的实际结构进行合理假定。本模型以上文有限元模型为基础，具体如下：①选用 Solide 45 单元模拟重物，选用 SHELL 63、SHELL 93 等单元模拟脚踏板；②碰撞接触模拟基于该例碰撞接触，无法明确接触的准确位置，而接触面与目标面划分成不同的网格，同时支持大应变和大转动。

3.2.2 有限元分析结果

运用 ANSYS 进行模拟，对上述 3 种情况下结构的位移、应力以及碰撞后的动力响应特征进行求解分析，求解结果显示，碰撞对整机结构受力性能影响较大。模拟的工况均为正常作业过程中频繁出现的工况，根据计算得到的最大应力和最大位移以及动力特性曲线可以看出，正常作业产生的冲击都可以满足整机结构的强度和刚度要求。根据动力响应趋势可以得出，质量块越大、碰撞高度越高，平台受到的冲击越大，容易使结构出现危险。

碰撞破坏一般先发生于局部构件破坏。根据静力计算得出水平工作平台为空间桁架结构，腹杆钢筋以轴力为主，空间桁架结构各杆件都有内力分布，局部破坏后将引发整个机构坍塌事故。目前，国内发生的升降工作平台事故大多由碰撞导致。因此，在装配式建筑外立面施工过程中，做好升降工作平台防碰防撞工作是安全施工的首要前提。

4 典型升降工作平台

4.1 附墙装置移动式升降工作平台

通过升降工作平台结构及施工技术，可将固定于剪力墙的附墙装置改进为移动式的附墙装置。通过改变爬升框架构造，可提高最上附墙点以上柱导轨架的悬臂高度，同时采用多层作业平台，施工人员可同时在不同楼层间作业面操作。升降工作平台构造图如图 12 所示。

图12 附墙装置移动式升降工作平台示意图

4.2 拉索式升降工作平台

为适应不同建筑体型结构需要，当前出现改变工作平台与立柱连接方式的一种拉索式升降工作平台。工作平台采用爬升式提升机攀爬悬挂机构垂下的钢丝绳完成作业工作。其悬挂机构主要有带配重的杠杆式、夹钳式及设于结构本身吊耳等形式，特殊工程的悬挂机构可在设计轨道上进行滑动，以满足工程需要。其特征在于提升点平台用多条加强拉索穿过提升机安装架将平台标准节对称拉紧，并能通过紧索器调节拉索的预紧力，将多组单提升点平台通过螺栓连接形成拉索式高处作业平台。

4.3 折叠式升降工作平台

针对双柱多级升降工作平台爬升至较高的装配式建筑外立面，而空中出现碰撞无法继续上爬，工作效率低下且不适应不同体量建筑物外立面施工需要的问题。可以将水平工作平台改进设计为折叠可调节式，从而适用更多建筑体型要求，如图 13 所示。包括分别固定于地面及建筑物侧面的一对多级水平作业平台，水平工作平台可沿着导柱相对移动。通过收缩或伸展折叠水平工作平台，使得其长度能够满足不同宽度建筑物的施工需要。

图13 折叠可调节式双柱多级升降工作平台

5 工程示范

宝山区某大型居住社区 0218-02 地块租赁房项目，1 号、2 号楼 16 层，建筑物高度为 48.32 m；3 号楼 17 层，建筑物高度为 51.22 m；4 号楼 13 层，建筑物高度为 40.82 m；5 号楼 19 层，建筑物高度为 62.22 m；6 号楼 18 层，建筑物高度为 62.22 m；标准层层高均为 2.90 m。项目最大难点为采用 PC 结构施工，悬挑阳台较多，需要采取加固措施。其中，2 号楼采用双柱双级升降工作平台，提升至屋面层施工结束，顶部拆除。

6 结 语

笔者结合工程实践中的技术要求对升降工作平台进行了多种工况下静力计算分析，研究了升降工作平台的动力特性以及施工中 3 种动力工况的动力响应，总结出一套较为科学可行的分析计算方法，为升降工作平台的建模仿真分析提供分析方法及理论依据。最后，为保证升降工作平台工程应用的可靠性和安全性，对升降工作平台在装配式混凝土结构施工中的应用和创新作了一些有益的探索和实践。