消防救援平台的稳定性分析

陆 峰，赵金宝

（沈阳建筑大学 机械工程学院，辽宁，沈阳，110168）

0 引言

近年来, 随着中国现代化进程的加快，国家经济得到了高速发展。在此背景下中国城市化发展使得城市用地更加紧张。大量功能化高层、超高层建筑出现同时也因为其复杂的建筑结构、多样的功能、密集的人口分布、楼内纵横交错的复杂管路及内部存有高火灾载荷物品等因素，使得高层建筑的火灾发生概率大大增加。统计资料表明,近十年,国内每年发生高层建筑火灾上万起,每年平均国内发生高层建筑火灾18432 起,736 人死亡,1166 人受伤,直接经济损失达314 亿元[1]。根据消防部发布的一则数据显示，中国现有落成的各类高层、超高层建筑中在人们的视野中，成为城市中不可或缺的一道风景线。但是，各类地标性高层、超高层建筑的消防基础设施合格率较低，加之楼内人口密度较大，一旦发生火灾楼内人员只能通过楼道进行逃生。而由于高层建筑多在300m 以上，垂直逃生距离较长，此外火灾发生时会产生大量烟气，烟气在楼道内向上高速扩散，与向下逃生的受灾人员相反，因此难以在较短时间内将人员全部撤离火灾发生区[2]。受灾人员常因得不到及时有效的救援，加之火场烟气较大极易发生踩踏，摔伤等危险。

本课题涉及的高层建筑消防救援平台是一种科技含量较高的机电一体化设备，其性价比高、使用操作方便，针对上述高层、超高层建筑的消防救援工作中所面临的楼外救援难题，整合现有高层建筑消防现有设备及相关技术，创新突破，优化设计，实现了可在高层、超高层建筑火灾中发挥消防灭火、救人、排烟、供水等功能，提高高层建筑的消防救援工作效率，极大程度的保护了火场中受灾人员及消防工作人员的生命财产安全。弥补我国高层、超高层建筑火灾消防救援装备方面存在的不足，大大提升消防部门处置高层、超高层建筑火灾的能力，为高层、超高层建筑创造良好的消防安全环境。

1 消防救援平台的结构与技术参数

根据《高处作业平台GB19155-2003》设计消防救援平台,平台主要采用2 米的标准节通过螺栓连接而成材料均为Q235A，自重800kg，具体尺寸为（长×宽×高/mm）[3]为额定载荷为800 kg，相关技术参数见表1。图1、图2为平台组成及工作流程。

表1 消防救援平台设计参数Tab.1Firerescueplatform designparameters

图1 消防救援平台结构Fig.1 Fire rescue platform structure schematic drawing

图2 消防救援平台工作示意图Fig.2 Fire rescue platform working schematic drawing

平台标准节主要由底座、护栏、提升机安装架组成其基本结构，底架由边梁连接横梁和焊接在其上的花纹地板组成；护栏标准节主要由横杆、竖杆和起加强作用的加强杆焊接在一起，位于平台两端的提升机安装架用于安装提升机和起安全作用的安全锁；此外平台还包括一些功能附件，如平台上具有救生伸缩爬梯、电动升降器、安全保护装置、动力提升装置、锚式固定索及救生抛投锚钩发射器、拉力传感器及限载警报器、消防灭火装备。

2 消防救援平台屈曲分析

对于消防救援平台结构的设计，其不同位置的杆件受到不同的拉力或压力，因此，在设计过程中需注意平台整体结构在受各类力的作用时稳定性会有哪些变化,通过分析得出易发生失稳的位置，并对其进行优化设计，尽量避免结构失稳进而降低不安全因素。否则，很容易出现失稳现象。一旦失稳现象出现将会影响平台的整体稳定性甚至会产生破坏[4]。因此有必要研究结构的屈曲性能，找出容易失稳的部位和先后顺序，根据分析结果可以对平台局部进行强化和改进，从而增加平台的稳定性。

2.1 有限元屈曲分析概述

屈曲分析常用于分析结构的稳定性，屈曲即是指所分析结构因外部载荷的变化发生失稳，致使平台无法正常工作。实际工程中结构的临界载荷和屈曲模态的确定就是通过上述方法而得。结构稳定性分析常用以下两种分析办法：特征值屈曲分析（线性屈曲分析）和非线性屈曲分析[5～6]。

线性屈曲分析所分析的结果是理论屈曲强度，这种分析主要适用于理想的弹性结构，通常会产生比较保守的分析结果，但线性屈曲分析有以下优点：比非线性屈曲分析计算更节省时间，并且应当作第一步计算来评估临界载荷（屈曲开始发生时的载荷）；线性屈曲分析可以用来作为决定产生什么样的屈曲模型形状的设计工具，为设计做指导。线性屈曲分析所确定结构的临界载荷和各阶屈曲模态无需经过复杂的分析过程其数学方程如下所示：

式中：λ—特征值；{φ}—向量；[Kβ]—刚度矩阵；[Kσ]—初应力矩阵。

本文选取线性屈曲分析对平台稳定性进行研究，对其载荷和约束做如表2 所示。

2.2 高处作业悬吊平台特征值屈曲分析

根据上述载荷及约束条件下，结合实际工程需要对平台进行的特征值分析阶数无需过高，本文选取5 阶进行分析。我们可以根据分析结果对平台进行评价：

表2 消防救援平台载荷参数Tab.2Firerescueplatform loadparameters

其中：Fs—临界载荷；F—加载的实际载荷；U—载荷因子；相应的屈曲模态如图3～5 所示。

图3 第一阶屈曲模态Fig.3 First step buckling modality

图4 第三阶屈曲模态图Fig.4 Third step buckling modality

图5 第五阶屈曲模态Fig.5 Fifth step buckling morality

2.3 消防救援平台屈曲分析结果

由上文可知在实际分析时线性屈曲分析结果仅作为结构设计的参考，这是因特征值分析结果相对保守。此外，线性屈曲分析的载荷值较大，结构在没有达到这一计算值时可能已经发生了结构的失稳[7]。为了确保消防救援平台具有良好的稳定性，根据上述分析的结果得出不同屈曲模态的阶数下的变形位置及失稳规律，各阶结构的失稳形式如表3 所示。

表3 结构的失稳形式Tab.3 Thestructureoftheform ofinstability

通过上表发现平台的主要失稳部位有外中间护栏横杆、外中间护栏横杆及竖杆、内中间护栏横杆、内中间护栏横杆及竖杆。共同失稳有两种趋势，即随着载荷的增加护栏中间标准节段上横杆由中间逐步向两侧发生失稳；当护栏中间标准节段上横杆失稳到一定程度后会带动附近的竖杆发生自上而下的失稳，甚至会波及下横杆发生一定失稳。消防救援平台在实施救援工作时，因其火场存在诸多复杂外界条件，如火场气流引起的风载，平台在救人过程中发生偏载，平台移动过程中的平稳性等一系列工况都会使平台受到较大的惯性力影响，导致平台发生结构失稳现象。降低平台的安全可靠性，因此，需加强工作人员对消防救援平台的操控，开展火场救援工作时在行走和急停过程中速度不应发生过大的突变，防止因速度的聚变产生冲击载荷，致使平台发生危险。所以应在保证平台整体结构稳定性的前提下提高救援质量和效率。

3 消防救援平台的优化及结论

优化就是指在多种设计方案中选取一种既能实现结构功能的最大化又可以降低结构成本的设计方案。在设计过程中要同时满足最优的功能设计和结构设计，可能会发生一些矛盾的设计，在此时要在能满足结构设计的基本功能的前提下对结构进行优化。本文在消防救援平台可实现其基本救援功能的基础上对平台结构进行优化。结构最优化设计日益收到工业界的重视。结构最优化设计的目的在于降低制造成本，改善产品外形，提高产品品质。如结构的总重量最轻。这些解需要满足一定的约束条件，如杆件中的应力小于许用应力。在结构力学中，可以精确分析一个承受给定载荷的结构而求得应力变形，却有可能不清楚应该如何布置和配置一个结构，使之有效地限制最大变形又可满足约束条件[8]。

（1）将标准节护栏上竖向加强杆的数量减少，在2m范围内均布2 个，减小护栏标准节的重量，同时优化下侧加强杆的分布型式，改善其受力状况，降低变形程度和应力集中的状态。

（2）在竖杆和护栏横杆连接部位内外两侧个增加一块加强板，有效的减小应力集中，防止由于超载等复杂工况下导致护栏连接部位的连接失效。

4 结论

（1）利用三维Solidworks 对消防救援平台进行建模直观的给出了消防救援平台的组成结构，并根据其实际应用需求确定消防救援平台的技术参数。

（2）结合有限元分析软件Ansys Workbench，对消防救援平台进行了5 阶屈曲分析，通过分析得出不同屈曲模态的阶数下的两种共同失稳有趋势，即随着载荷的增加护栏中间标准节段上横杆由中间逐步向两侧发生失稳；当护栏中间标准节段上横杆失稳到一定程度后会带动附近的竖杆发生自上而下的失稳，甚至会波及下横杆发生一定失稳。

（3）通过对平台的屈曲分析找出平台在正常工况下易发生失稳变形的位置，在设计过程中在竖杆和护栏横杆连接部位内外两侧个增加一块加强板优化平台的结构强度，增加平台在使用过程中的安全性。

[1]潘燕红.高层建筑消防安全疏散现状问题与对策研究[D].华南理工大学，2013.

[2]陈志玮.浅谈如何预防和扑救高层建筑火灾[J]. 科技资讯，2010，35.

[3]屠凤莲，范顺成，罗文龙. 基于ANSYS 的支撑架特征值屈曲分析[J].河北工业大学学报，2010，3.

[4]黄志新.ANSYS Workbench14.0 超级学习手册[M].北京:人民邮电出版社，2013.

[5]高耀东.ANSYS Workbench 机械工程应用精华30 例[M].北京:电子工程出版社，2013.

[6]赵亮. L 型高处作业悬吊平台力学性能分析及结构优化[D]. 沈阳建筑大学，2012.

[7]阎思宇.火灾下钢架结构的屈曲反应分析[D].哈尔滨工程大学，2013.

[8]吴玉厚，宋国仓,. U 型高处作业平台提升吊点位置分布[J].沈阳建筑大学学报：自然科学版，2010，3.