装配式混凝土结构防护与作业一体化施工平台设计分析

潘 曦

（1.上海建工集团股份有限公司上海200080；2.上海建筑工程工业化建造工程技术研究中心上海201114）

1 防护与作业一体化施工平台

随着我国新型装配式建筑技术快速发展，装配式混凝土结构工程数量日益增多。为了满足装配式建筑的主体结构施工的外立面封闭式围护、重载提升、高悬臂施工等需求，提升工业化建造水平，一种新型的装配式混凝土结构防护与作业一体化施工平台应运而生[1，2]。

该平台主要由操作平台系统、升降动力系统、附墙系统、安全保护系统、导轨架及底部支座等构成（见图1）。操作平台系统为主要的作业与围护载体，为双层封闭式模块化拼装结构，总长15 m，主体宽1.2 m，总高度5.1 m.升降动力系统固定在机位架上，机位架采用三面环抱的形式与导轨架连接，该平台的升降速度为7.6 m/min，提升能力大于5 000 kg，最大施工高度可达100 m[3]。

图1 防护与作业一体化施工平台

与传统电动升降平台不同，该施工平台不仅仅是提供一个作业空间，还需发挥外立面防护作用，在主体结构施工时，平台须跟随每一结构段的施工进度同步上升，提供作业空间并充当防护围挡。因此，该施工平台需要承受较大的风荷载以及施工荷载，承担载荷的复杂程度也大于传统的电动升降平台。因此需要针对各种不同工况详细分析其整体受力情况，并对主要构件进行选型设计。

2 荷载分析

（1）传力路径

装配式混凝土结构防护与作业一体化施工平台在工作状态下，施工荷载以及风荷载主要作用于操作平台架体，其中，水平力直接由机位架传递至导轨架体，竖向力则由机位架上的电动机或安全锁定装置传递至竖向齿条，再由齿条固定螺栓传递至导轨架体，最终通过附墙装置或固定底座，传递至建筑主体结构或者平台基础。防护与作业一体化施工平台荷载传递路径如图2所示。

图2 防护与作业一体化施工平台荷载传递

（2）计算流程

根据防护与作业一体化施工平台在工作状态下传力路径，可分两步建立有限元模型进行计算分析与构件选型。首先建立操作平台与机位架有限元模型，分析操作平台与机位架体的强度与刚度情况，并得出各种工况下的支座反力；其次建立导轨与附墙系统的有限元模型，将第一步中得出的机位架支座反力作为外力施加在导轨架最不利位置处，分析导轨架受力性能，选择合适的截面型式确保其承载能力。

（3）荷载分析

防护与作业一体化施工平台主要承受结构自重、风荷载以及施工荷载。根据相关规范[4-6]要求，进行分别取值计算。

①结构自重

包括架体结构、围护设施、作业层设施和其它设备、装置的自重，根据计算15 m长度操作平台系统以及升降动力系统总重67 kN.每个机位架上的电机和防坠器重量6.5 kN，合计13 kN，在计算导轨架时考虑。

②施工荷载

包括物料堆载、施工人员及机具荷载等。施工状态下，施工活荷载作为均布荷载布置在二层作业平台主桁架层，每层2.0 kN/m2.

③风荷载

风荷载标准值Wk按下式计算：

式中风振系数βZ取1.0，场地类别为C，高度取100 m处，对应的μZ=1.50.由于该施工平台不属于永久结构，并且其所具备的快速升降功能可有效避免在台风等极端环境工况下作业，因此基本风压W0工作状态按上海地区的10年风压最大值选用，取0.4 kN/m2；风荷载体型系数，背靠建筑物开洞，μS=1.3φ，φ为挡风系数，网孔板开孔面积比率为0.5，考虑架体挡风，取 0.6，μS＝ 0.78.

3 工况分析

本文主要选取防护与作业一体化施工平台最不利情况进行分析，即平台在满载作业状态下受风荷载的影响分析，其中风荷载按照风向可分为正风向与反向风，正风向为平台防护围挡行进至建筑墙面方向，反风向为建筑墙面行进至平台防护围挡方向。

各工况及模型的荷载组合见表1，荷载效应组合分项系数按照相关规范进行取值。

表1 工况及模型对应荷载

4 有限元分析及构件选型

（1）双层封闭平台结构分析

建立的操作平台及机位架体有限元整体模型如图3所示，在机位架与导轨架的连接处设置约束支座，其中各水平约束支座按实际情况设置为只承受压力的单向支座。为了减少自重，施工平台的构件材料均采用Q345钢材。正风向荷载作用下的最大组合应力为49.3 MPa，位于操作平台斜撑杆与机位架连接处，最大位移为22.7 mm，位于操作平台中间栏杆顶部，如图4、图5所示。

图3 操作平台有限元模型及边界条件

图4 工况一操作平台架体组合应力云图

图5 工况一操作平台位移云图

表2给出了各工况下操作平台及机位架主要构件的最大组合应力比以及相应的构件型号，图6则展示了整体模型各单元最大组合应力比分布情况。可以看出，所选用的操作平台及机位架体构件均能满足强度与刚度要求，并具有较大的安全余量。

表2 操作平台及机位架主要构件型号及应力比

图6 各单元最大组合应力比分布图

（2）机位架支座反力

正风向荷载作用下机位架上的各个支座反力如下图7所示，最大竖向反力为83.8 kN，最大水平反力为19.9 kN.将各个工况下的支座反力调整方向，作为荷载施加在导轨架有限元模型，从而对导轨架进行分析。

图7 工况一机位架支座反力

（3）导轨架受力分析

按照最不利情况建立导轨架有限元模型，即平台悬停在导轨架顶部进行作业（见图8）。导轨架最大高度为100 m，平均附墙间距为6 m，最顶端的附墙装置到地面距离为94.5 m，外部荷载施加在导轨架体顶端的标准节相应位置处。

图8 悬臂施工状态

通过分析平行墙面水平方向DX、垂直墙面水平方向DY以及垂直地面方向DZ的变形情况（图9），可以看出，DZ方向位移从0～100 m呈现线性增加趋势，而水平方向上，由于附墙装置的约束作用，位于导轨架顶端的施工平台对80 m以下导轨架的水平变形影响较小。

图9 工况一导轨架位移

图10、图11给出了80 m以上导轨架在不同工况下的变形曲线，同时也给出相应的无风荷载状态下变形曲线。进行对比可知，在DX方向，无论何种工况，导轨架变形均偏向操作平台重心位置一侧，在DY方向，正风向和无风工况下导轨架均偏向靠近墙面一侧，而反风向工况下导轨架则在风荷载作用下偏向远离墙面一侧，其中，导轨架顶端位移最大值为36.7 mm，满足悬臂端变形要求。

图10 水平D X方向变形

图11 水平D Y方向变形

导轨架标准节为650 mm×650 mm×150 8 mm的钢框架，其主要的4根立杆均采用○76×6钢管，齿条固定横杆承受电动机传力的竖向力，采用L75×50×8角钢，工况一条件下的应力云图如图12所示，其余杆件型号与最大组合应力比见表3，均满足要求。

图12 机位附着处导轨架应力图

表3 导轨架主要构件型号及应力比

5 结束语

分析结果表明，防护与作业一体化施工平台作为装配式建筑施工的专用装备，能有效满足装配式建筑的主体结构建造的外立面封闭式围护、重载提升、高悬臂施工等防护与作业要求，具有良好的推广应用前景。