爬架导向座安全验算

李金龙 杨阳 廖敏

摘 要：某爬架的导向座集成了导向、防倾、防坠、卸载的功能。本文基于工程实例，依据最新的规范，通过合理的验算，介绍了导向座安全验算过程。希望通过合理的验算来确保导向座在防坠、卸载时的施工安全。

关键词：爬架；导向座；安全

1.引言

某爬架的导向座集成了导向、防倾、防坠、卸载的功能，通过穿墙螺杆安装于建筑结构上预定位置。防坠机构采用五星轮与导轨组件中防坠挡杆啮合，由棘轮、棘爪机构的原理实现防坠。当架体快速下坠时，导轨带动五星轮快速转动，使棘轮、棘爪机构触发，从而实现对五星轮的锁止动作，使导轨停止下降，卸载顶杆与档杆配合达到卸载的作用。本文依据最新的规范[1-4]，对导向座进行安全验算，以保证施工安全，防止因导向座强度不够而产生安全事故。

2.附墙支撑安全验算

2.1 导向座支反力计算

爬架静荷载计算值为Pj=32041N，爬架最大活载荷计算值为Ph=23184N，由文献1知计算附墙支座时，应按使用工况进行，其设计荷载值应乘以冲击系数γ2=2。故使用工况下，计算附墙支座时荷载的计算值为：Ps=γ2×Pj+Ph=110450N。每榀架体有四个导向座，计算导向座支反力时把两个导向座作为一组计算，所以每两个导向座受力为P=Ps22=55225N，图1为导向座的受力简图。其中3000mm为导向座的间距，载荷作用点与导向座支点的距离为架体内侧净宽的一半即300mm加上导向座侧板的长度300mm，所以距离为600mm。

图1 导向座受力

（1）不考虑风荷载时，固定导向座的支反力计算。

根据固定导向座的受力简图可知：

PAx=PBx=P×6003000=11045NPAy+PBy=P=55225N

考虑两个固定导向座不是均匀承载的情况，不妨取PAy=2PBy，则：

PAy=P×23=36817NPBy=P×13=18408N

（2）考虑风荷载时，固定导向座的支反力计算：

风载荷的标准值为ω—k=10858N/m

架体高15米、宽46米。风荷载水平拉力为：

Fω—=ω—k×15×46=74920N

风荷载产生的支座反力由4个固定导向座共同承担。

则在使用工况下（考虑风荷载），每个固定导向座承受的水平力为：

PAx=11045+Fw4=29775NPBx=11045-Fw4=-7685N

风荷载不影响固定导向座在竖直方向的受力。故考虑风荷载时，固定导向座在竖直方向的受力为：

PAy=36817NPBy=18408N

2.2 穿墙螺栓强度校核

连接固定导向座的螺栓采用M27螺栓，数量每处1个。

由文献2知同时承受剪力和轴杆方向拉力的螺栓的承载力设计公式为NvNbv2+NtNbt2≤1

Nv、Nt：一个普通螺栓所承受的剪力和拉力設计值；

Nbv、Nbt：一个普通螺栓抗剪力和抗拉承载力设计值；

螺栓在使用工况（考虑风荷载）下承受的最大剪力Nv、最大拉力Nt分别为：

Nv=PAy=36817N，Nt=PAx=29775N

由文献2知一个普通Q235 M27螺栓：

Nbt=78KN，Nbv=802，所以

NvNbv2+NtNbt2=06<1

故穿墙螺栓的强度满足要求，结构安全。

2.3 混凝土结构螺栓孔处局部承压计算

穿墙螺栓M27受剪力368MPa。

在墙、梁砼强度达到C15等级时，允许爬架爬升，验算此时的墙、梁、板强度按下列公式计算：

R1、R2≤Fi，Fi=135βfcAm

R1、R2：螺栓对穿孔处混凝土产生的作用力；

b1、b2：孔壁压力R1、R2沿外墙厚度方向承压面的长度；

Fi：螺栓孔处的混凝土局部承压、承载力设计值；

β：混凝土局部承压强度提高系数，β=173；

fc：爬升龄期的混凝土试块轴心抗压强度设计值，fc=12Mpa；

Am：混凝土局部受压净面积，Am1=db1、Am2=db2（d为螺栓直径，有套管时为套管外径）；

b：混凝土外墙的厚度；

Nv：单个螺栓所承受的剪力设计值。

R2b-Nv（b1+c）=0R1-R2-Nv=0R1（b-b1）-R2b1=0b=b1+b2

已知b=200mm，c=10mm，由上面的方程组可解得：Nv=368kN、b1=140mm、b2=60mm R1=644kN、R2=276kN

而F1=135βfcAm1=106kN

F2=135βfcAm2=454kN

因此，R1

故，墙、梁完全能满足安全使用要求。

3.防坠时导向座安全验算

3.1 防坠时导向座受力计算

坠落时的受力方式参考图1，只是力P与支座的距离由600mm变为300mm。而且其计算方法同导向座支反力计算方式一样，只是距离有变化，所以按照前面的计算方式得到最后的计算结果为：

PAx=242525NPBx=-132075N PAy=36817NPBy=18408N

3.2 卸载顶杆强度校核卸载顶杆的作用是在使用工况下，与档杆配合达到卸载的作用，其受的力F与导轨的夹角为β，F在Y方向的力与导向座在Y方向的力PAy=36817N平衡，所以卸载顶杆的力F=PAycosβ，而夹角β∈（2428，3465），所以Fmax=36817cos3465=44755N

卸载顶杆上端螺纹套的截面是外径为50，内径为32的空心圆，所以面积为：

S1=π×252-π×162=1159mm2

支承螺杆截面是直径为30的圆，其面积S2=π×152=707mm2，所以危险截面的面积为707mm2。卸载顶杆材料为Q235，查的其抗压强度设计值为215MPa。所以卸载顶杆危险截面处的应力为：

σ=44775707=633MPa<215MPa

卸载顶杆强度满足要求。

3.3 五星轮强度校核

3.3.1五星轮计算参数

图2（a）五星轮的截面形状，（b）为五星轮计算简图。

图2 五星轮

已知L1=65mm，L2=315mm

五星轮受到的力为Pc=PAy=36817N，可得

F=Pc×L1L2=759716N

五星轮的材料为45钢，由文献2知其抗压强度设计值为f=355MPa，抗剪强度设计值为210MPa。

3.3.2五星轮凸齿根部强度校核

五星轮凸齿根部危险截面的弯矩为

Mmax=Pc×L=1104510N·mm

该危险截面的模量为：

W=2ab26=2×12×3926=6084mm3

则该截面的应力为：

σ=MmaxW=18154MPa<355MPa

故五星轮凸齿根部满足强度要求。

3.3.3五星轮外齿抗剪强度校核

五星轮外齿受到的剪力为Pc=36817N，该处（A-A断面）的截面积为：As=12×25=300mm2

则截面的最大剪力为：

τmax=PcAs=123MPa<210MPa

故五星輪外齿抗剪强度满足要求。

4.结论

通过计算知道，该爬架导向座各个部分零件都满足强度要求，附墙支撑也通过了安全验算，该爬架已经应用于实际工程当中，事实证明导向座卸载、防坠都得到较好的效果。本文从实际出发，以准确的原则对导向座进行了合理的安全验算，为爬架的安全性提供了依据。（作者单位：西华大学机械工程学院）

参考文献：

[1] JGJ 202-2010， 建筑施工工具式脚手架安全技术规范[S].

[2] J GB 50017-2003， 钢结构设计规范[S].

[3] GB 50009-2001， 建筑结构荷载规范[S].

[4] JGJ 59-99， 建筑施工安全检查标准[S].