施工升降机Ⅱ型附墙架结构安装安全性研究

谢贻东，杨明翰，刘佳欢

在施工机械中，施工升降机用于沿导轨架做垂直运输，其结构由导轨架、吊笼、外笼、传动系统、附墙架、电缆装置等组成。其中附墙架是按照一定间距连接升降机导轨架与建筑物的重要侧向支撑构件［1］。学者们在多年的建筑起重机械的研究和检测工作中，经常发现施工升降机附墙架安装不规范的情况，这些不规范的安装整改困难，同时在相关标准及说明书上没有针对在施工现场条件限制的情况下附墙架的安装给予技术指导和说明，因此给施工升降机的管理方、使用方、产权单位及第三方检测机构带来了困惑。本文旨在总结施工升降机附墙架在现实安装中存在的各种不同情况，并运用传统计算方法和现代设计分析手段，探究附墙架的结构安全性。

1 问题与解决思路

施工升降机附墙架基本有六种型号，如图1（a）-（f）所示。

上述6种型式的附墙架，最常用的为II型附墙架，根据近10年对北京市施工现场使用的施工升降机检测情况来看，绝大部分均采用II型附墙架，因此本文重点研究II型附墙架在非正常安装过程中的结构安全。具体存在问题总结如下：

（1）附墙架支撑杆接长，接头处的焊接强度（见图2）；

（2）附墙架支撑杆接长后，未安装斜支撑，或者安装的斜支撑不规范（见图3）；

（3）附墙架斜支撑未安装（见图3、4）。

图1 6种型号附墙架

图2 多处焊接接长的附墙架支撑杆

图3 附墙架超长支撑杆

图4 附墙架斜支撑未安装

对于问题（1）和问题（2），本文通过对附墙架的受力分析、焊缝的强度验算以及支撑杆的稳定性验算，评价出支撑杆焊缝焊接质量及长度对施工升降机安全的影响。对于问题（3），本文运用

计算机三维建模技术建立附墙架的三维模型，通过ANSYS软件进行有限元分析，从而分析出该问题的潜在危害。

2 II型附墙架结构安装安全性研究

2.1 支撑杆接长处接头焊接问题的安全性研究

施工现场的场地以及楼层结构千差万别，导致施工升降机在安装时会遇到各种情况，施工升降机与楼面的距离是最为典型的问题，通常情况下，采用Ⅱ型附墙架的施工升降机，其导轨架中心线距离墙面锚固点的距离为2900～3600mm之间，超出此长度，支撑杆需接长。

2.1.1 附墙架受力计算

根据附墙架受力（经验）计算公式：

式中 F——附墙架作用在建筑物上的力，kN；

L——附着点距离吊笼中心线的距离，mm；

S——附墙架两支撑管中心线的距离，mm。

本文选取3个不同L值进行受力计算，S取1430mm，结果见表1。

表1 不同附着点与吊笼中心线距离下附墙架的受力情况

2.1.2 焊缝强度的计算

附墙架支撑管所用的材料通常为Q235，直径为Φ76mm，壁厚为4.5mm。采用手工电弧焊进行接长焊接。根据对接焊缝截面应力的验算公式：

式中 N——轴心拉力或压力，kN；

l ——焊缝计算长度，mm；

δ ——焊缝计算厚度，mm；

［σh］——对接焊缝的许用正应力，MPa。

施工升降机在现场安装过程中，当支撑管长度不够，需要接长时，通常由工人现场将钢管对接焊接，无相应的焊接工艺处理，如打坡口等。因此在计算焊缝截面应力时，根据现场实际情况，采用以下假定：

（1）考虑到采用手工电弧焊、工人素质、未打坡口以及钢管材料壁厚的制造误差等，取焊缝计算厚度δ为4mm；

（2）考虑附墙架的斜支撑未安装，且N=F/2。因此可计算出焊缝的截面应力，详见表2。

表2 焊缝截面应力

由计算结果可以得出：σ＜125MPa，因此支撑管接长处焊缝的截面应力满足要求，能够保证附墙架的结构安全。

2.2 II型附墙架结构安装安全性研究

2.2.1 载荷计算

根据GB26557—2011 《吊笼有垂直导向的人货两用施工升降机》中所规定的载荷情况，选取Ia工况：最大工作载荷工况。本文研究的施工升降机的型号为：SC200/200TD，相关参数如表3所示。

表3 SC200/200TD型施工升降机相关参数

（1）标准节风载荷P0。

当风向和标准节纵轴线或标准节表面垂直时，风载荷按（1）、（2）、（3）式计算：

式中 P0—— 工作状态作用在每个标准节上的最大风载荷，N；

C——风力系数；

P1——风力系数，取250N/m2；

A—— 标准节垂直于风向的实体迎风面积，m2；

η ——挡风折减系数，取0.25；

A0——构件迎风面积的外形轮廓面积，m2；

φ——结构迎风面充实率。

则计算结果P0=230N。

（2）传动机构风载荷P2。

运用式（1）计算传动机构风载荷，取C=1.2，则计算结果P2=230N。

（3）吊笼风载荷P3。

运用式（1）计算吊笼风载荷，取C=1.2，P3=2812.8N。

（4）载重、吊笼、传动小车的垂直载荷G。运用式（4）和（5）计算载重、吊笼、传动小车的垂直载荷：

式中 G——垂直载荷，N；

G1——载重、吊笼、小车的自重，N；

μ——冲击系数；

v——额定提升速度，m/s。

则计算结果P3=55369.6N。

（5）载重、吊笼、小车的偏心弯矩计算M。

垂直载荷对标准节中心引起的弯矩为M，设定垂直方向为Z轴，向上为正，平行于吊笼长度方向为X轴，垂直于吊笼长度方向为Y轴。

根据GB/T10054-2005 《施工升降机》对载荷重心位置的规定，可计算

MX=动载荷系数×（载重+吊笼自重）×吊笼载重力臂+动载荷系数×传动小车自重×传动小车力臂。

将MX、My引起的弯矩等效作用在标准节4个主肢的顶端，且方向为垂直方向，则：

2.2.2 附墙架三维建模

运用Pro/E 5.0三维建模技术，对附墙架和标准节分别建立三维模型，然后装配成装配体。本文重点研究4种状态：

（1）支撑杆长度为1.5m的标准附墙架且安装斜支撑（见图5）；

图5 标准附墙架模型

（2）支撑杆长度为1.5m的标准附墙架不安装斜支撑（见图6）；

（3）支撑杆长度为4m的标准附墙架且安装斜支撑（见图7a）；

（4）支撑杆长度为4m的标准附墙架不安装斜支撑（见图7b）。

图6 标准附墙架无斜支撑模型

图7 加长附墙架模型

图8 附墙架结构安装模型

2.2.3 II型附墙架结构安装安全性研究有限元分析

将附墙架结构安装模型另存为.igs文件，导入ANSYS分析软件，进行相关设置以及约束、加载、网格划分和分析计算，附墙架4种不同状态最后得到的应力和应变如图9～16所示。

图9 标准附墙架应力分布图

图10 标准附墙架形变分布图

图11 无斜支撑标准附墙架应力分布图

图12 无斜支撑标准附墙架形变分布图

图13 加长标准附墙架应力分布图

图14 加长标准附墙架形变分布图

图15 加长无斜支撑附墙架应力分布图

图16 加长无斜支撑附墙架形变分布图

2.2.4 II型附墙架结构安装安全性研究结论

通过对附墙架建模和有限元分析，4种不同附墙架安装结构的应力和应变情况如表4所示。

通过表4可得出如下结论：

（1）4种附墙架结构支撑杆根部应力均较小，最大17.4MPa，但无斜撑杆的大于有斜撑杆；

（2）4种附墙架结构变截面危险点的最大应力均在80MPa内，且变化不明显；

（3）4种附墙架结构分析模型形变变化情况明显，无斜支撑的比有斜支撑的大，加长附墙架的比标准附墙架变化大，但标准长度附墙架有无斜支撑变化不大，分别为2.01mm和2.76mm，加长附墙架有无斜支撑变化明显，分别为2.85mm和7.22mm。

表4 4种不同附墙架安装结构的应力和应变情况表

3 结论

通过对施工升降机II型附墙架结构安装安全性研究，可得出以下结论：

（1）对于标准长度附墙架，安装和不安装斜支撑，附墙架支撑杆根部截面应力变大，但整体应力值较小，均在20MPa以下；同时，形变变化也较小，由2.01mm增加到2.76mm，因此在楼层较低、非特殊场合下，标准长度附墙架不安装斜支撑能够保证安全使用。

（2）对于加长附墙架，安装和不安装斜支撑，附墙架支撑杆根部截面应力变大，但整体应力值较小，均在20MPa以下；但形变非常大，由2.85mm增加到7.22mm，因此对于加长附墙架，斜撑杆必须安装。

［1］ GB26557—2011. 吊笼有垂直导向的人货两用施工升降机［S］.

［2］ 濮良贵，纪名刚. 机械设计（第七版）［M］. 北京：高等教育出版社，2001.

［3］ 吴宗泽. 机械设计实用手册（第三版）［M］. 北京：化学工业出版社，2010.652-679.

［4］ 韩先征，等. Pro/ENGINEER Wildfire 5.0应用实践［M］. 北京：化学工业出版社，2011.

［5］ 乔建军，等. Pro/ENGINEER Wildfire 5.0动力学与有限元分析从入门到精通［M］. 北京：机械工业出版社，2010.