北京国贸三期大厦擦窗机轨道系统的设计研究

吴 安，李玉杰，谢丹蕾，唐 明，祝志锋

（中国建筑科学研究院 建筑机械化研究分院，河北 廊坊 065000）

北京国贸（中国国际贸易中心）三期工程位于北京CBD中心，主塔楼集写字楼和五星级饭店为一体，共74层，总高330m，是北京的地标性建筑，与北京国贸一期、二期一起构成110万m2的庞大建筑群。

国贸三期主塔楼为超高层建筑，需清洗维护的外墙面积大，鉴于北方空气质量差，春秋季节风沙多，为保证每个季度能对建筑外立面完成一次清洗维护，保持其清洁美观，根据擦窗机工作效率和清洗人员每日能完成的清洗维护工作量测算，在楼顶设置了3台擦窗机设备，共用1圈轨道。设备最大工作幅度14.5m，单台设计总重量26936kg。

擦窗机结构基础为屋顶主体钢结构，内外轨间距2400mm，轨道与主体钢结构通过螺栓连接，为减少擦窗机设备运行时产生的振动对屋顶主体钢结构的影响，在轨道和主体钢结构中间加设了减震胶垫。受屋面结构钢梁位置限制，轨道支撑点最大间距为5.6m，加上设备自重较大，常规擦窗机轨道满足不了强度和刚度要求，因而采用了H500×200×16×10型钢作为轨道。

因3台擦窗机在同一圈轨道上运行，为防止运行过程中操作人员失误造成设备相互碰撞，需在设备可能接触的地方设置感应装置，当2台设备运行接近时会发出报警，提醒操作人员注意。

设备安装完成后，在试运行过程中，设备出现整体摇晃，尤其是在基础间距大的轨道上晃动幅度更大，目测轨道侧向偏摆幅度约30mm，导致设备调试无法进行。经过分析，产生轨道侧向偏摆的原因为型钢高度大而翼缘窄，侧向刚度小，在偏斜运行水平侧向力作用下，轨道侧向变形过大。在设计轨道时仅计算了轮压和竖直方向的变形，忽略了侧向载荷的影响。为此，必须对轨道系统进行改造加固。

在研究加固改造方案时，工程顾问提出应考虑地震载荷，轨道系统不仅要承受设备正常工作时的各种载荷，还要能承受发生地震时产生的额外载荷，保证轨道和设备工作时遇到地震不损坏。

1 轨道改造加固方案

原设计方案中，2条轨道各自独立，轨道各种载荷均单独承受。为适应擦窗机直线行走和转弯要求，从动行走轮安装在可自由转动的摆动梁上（图1），设备所有的水平侧向力均由外轨承受，内轨仅承受从动行走轮的轮压力。而在工作状态下，外轨轮压本身就比内轨要大，再加上水平侧向力，导致外轨承受的整体载荷比内轨要大得多，在内外轨材料相同的情况下，内轨承载能力没有充分发挥，材料性能浪费较大。

图1 擦窗机底盘直线行走及转弯示意图

基于上述分析，为尽可能充分发挥内轨的承载能力，增加轨道系统整体侧向刚度，在内外轨内侧面每间隔2 000mm设置截面为200mm×100mm×5mm的连接横杆，使两根轨道形成整体框架结构，水平侧向载荷由原来的仅外轨承受变成轨道系统整体承受，提高轨道系统承受侧向载荷的能力。为增强单根轨道局部侧向刚度，在不影响行走轮运行的情况下，在内外轨的外侧每间隔800～1000mm设置厚度为12mm的加强立筋板。加固改造后轨道系统如图2所示。

图2 加固后轨道系统截面图

2 轨道载荷分析

当在工作状态发生地震时，轨道系统承受的载荷包括4个部分：地震载荷、自重载荷、风载荷和运行水平侧向载荷。计算中各系数的取值根据相关标准的规定。

2.1 地震载荷

2.1.1 设备地震载荷

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2011）之规定，擦窗机设备及轨道所承受的地震载荷计算采用等效侧力法进行计算

式中 F—— 沿最不利方向施加于非结构构件重心处的水平地震作用标准值；

γ——非结构构件功能系数；

η——非结构构件类别系数；

ζ1——状态系数，ζ1=2；

ζ2——位置系数，ζ2=2；

αmax—— 地震影响系数最大值，αmax=0.16（北京地区）；

G——非结构构件自重，G＝264kN。

将参数取值代入公式中，计算得等效水平侧向地震载荷F=101.4kN。根据擦窗机设备结构特点，水平侧向载荷由外轨两个行走轮承受，故单轮地震载荷标准值F1=F/2=50.7kN。

2.1.2 轨道自身地震载荷

H500×200×16×10型钢自重为878N/m，计算得出轨道自身地震载荷为787N/m。

综上，轨道系统地震载荷取值如表1所示。

表1 轨道系统地震载荷取值

2.2 轨道承受的设备自重轮压

擦窗机工作示意图如图3所示。根据设备工作时各部件的受力情况，计算出轨道轮压如表2所示。

图3 擦窗机工作示意图

2.3 风载荷

工作状态设备承受的风载荷通过行走系统传递到轨道上。根据《擦窗机》（GB19154-2003)相关规定，按照擦窗机各部件最不利迎风面积和工作时风压，得设备工作状态总侧向风载荷Fw＝4250N，单轮载荷Fw1＝Fw/2＝2125N，取系数1.4，设计值为2975N。

表2 轨道轮压取值

2.4 设备运行水平侧向载荷

因为擦窗机在行走过程中会产生跑偏，为保持设备沿轨道行走，翼缘侧边会约束行走导向轮。根据《起重机设计规范》(GB3811-2008)，设备运行水平侧向载荷近似为

式中 ΣR—— 设备产生侧向载荷一侧最大轮压之和，ΣR=RA+RB=264.8kN；

λ——水平侧向载荷系数，根据擦窗机设备结构特点，λ取0.1。

代入数值计算得设备运行水平侧向载荷PS=13.24kN，单轮侧向载荷PS1=PS/2=6.62kN。

3 轨道强度和刚度分析

改造加固后的轨道系统是一个多支撑点且受力复杂的框架结构，为准确分析，本文采用有限元方法并使用ANSYS软件进行建模。将上述计算载荷施加在轨道系统最不利位置上，并加上轨道约束条件。

经有限元软件分析，在上述载荷综合作用下，外轨应力和变形仍然比内轨大，不计应力集中的影响，外轨最大应力不超过125.2MPa,最大侧向变形为9.63mm，最大应力与最大变形均位于两个驱动轮的中间位置，计算结果符合梁的受力特性。因轨道系统近似线性结构，如不计地震载荷影响，按比例计算，轨道最大侧向偏摆幅度不超过1.1mm，系统整体强度和刚度大幅提高，局部刚性也显著改善，加固改造方案达到了预期的目的。通过试验运行，设备行走平稳顺畅，取得了满意的效果。