建筑升降施工平台结构有限元分析

刘晓明，杨晓翔，韦铁平

(1. 福州大学 机械工程及自动化学院, 福建 福州 350116; 2. 福建工程学院 机械与汽车工程学院, 福建 福州 350118)

0 引言

升降施工平台为高层建筑外墙施工用的安全防护、工人操作和解决楼层水平运输的操作平台，平台配合升降系统使用可进行提升和下降操作[1-2]。在使用状态时，施工平台依靠附墙导座与建筑外墙固定连接；在升降状态时，施工平台脚手架的导轨与附墙导座进行滑道配合升降。

升降施工平台本质上属于机械件，用于建筑施工现场，但是施工平台在搭设与使用过程中存在较多的作业危险因素，因此极易发生倒塌事故[3-5]。因此具有较好的承载性能是升降施工平台安全的必要因素，必须对其进行安全性校核计算[6-8]。通过有限元软件ANSYS对施工平台的4种工况进行安全校核计算，为其结构的设计和改进提供理论依据。

1 有限元模型建立

1.1 力学模型的简化与假设

升降施工平台主要由立杆、网框、水平桁架、水平吊点

小桁架、上层平台焊接组件、固定机位支撑件、活动机位支撑件、导轨、附墙导座及各部件连接件组成，如图1所示。为了研究4种不同工况下施工平台各部件的应力分布规律，根据平台运行的工况条件做如下简化：

图1 施工平台二维图

1) 升降施工平台各部件之间采用螺栓连接，且数量众多，将螺栓连接简化为固定连接，并不影响分析结果[9]。

2) 将网框和上层平台焊接组件和其他焊接组件简化成一体，不影响计算结果。

3) 将附墙导座简化，固定约束施加在导轨与导座接触的位置。

1.2 材料物理参数

网框和所有螺栓材料为304不锈钢，材料在常温下的屈服极限为206MPa，强度极限为520MPa[6]，弹性模量为2.04×105MPa，材料的泊松比取为0.285，密度为7 930kg/m3。

施工平台其他部件材料均为6061-T6铝型材，材料在常温下的屈服极限为240MPa，强度极限为265MPa，弹性模量为0.731×105MPa，材料的泊松比取为0.33，密度为2 700kg/m3。

1.3 加载及边界条件

升降施工平台主要是同时承受自重、风荷载和各种不同均布载荷，固定约束施加在2根导轨与6个导座接触的位置。

a) 风荷载

升降施工平台主要使用在沿海城市市区，风压高度变化系数按A类场地取值；高层施工升降平台风荷载体型系数：μs=1.3φ。

WK=βz×μs×μz×W0

其中：基本风压 W0=750N/m2(深圳市50年风压取值)；高度修正系数μz=2.64(建筑物高度按150m取值)；βz=1.0；体型系数 μs=1.3φ(基本值)。

钢丝网挡风系数 φ=0.3， 因此μs=0.3×1.3=0.39；所以风荷载Wk=1.0×0.39×2.64×750=772.2N/m2。

风载方向由外向里，作用在导座最上端的外侧架体上，如图1(b)所示。

b) 4种计算工况

1) 工况1：施加自重及风荷载，同时第一、二层平台同时施加均布荷载3×10-3MPa。

2) 工况2：施加自重及风荷载，同时第一、二、三层平台同时施加均布荷载2×10-3MPa。

3) 工况3：考虑安全系数及施工平台强度校核需要，施加自重及风荷载，同时第一、二层平台同时超载1.25倍施加荷载，即同时施加均布荷载3.75×10-3MPa。

4) 工况4：考虑安全系数及施工平台强度校核需要，施加自重及风荷载，同时第一、二、三层平台同时超载1.25倍施加荷载，即同时施加均布荷载2.5×10-3MPa。

将以上荷载分别施加到模型所对应的构件上并求解。升降施工平台应力云图分布按第四强度理论准则计算输出。

1.4 有限元网格模型

本文结合使用Solid185单元和Solid186单元，按照ANSYS建立模型的基本步骤，建立升降施工平台结构的三维有限元模型[10]。整个模型结构共划分了1 022 565个单元，有限元模型如图2所示。

图2 施工平台有限元网格模型

2 有限元计算结果

2.1 工况1

工况1下，施工平台整体及各部件应力分布云图如图3-图6所示。从应力分析结果可知，施工平台整体最大VonMises应力值为538.01MPa，位于顶部网框横杆与竖杆焊接处(图4(a))，但是不锈钢网框上只有顶部网框横杆与竖杆焊接处极个别点VonMises应力值超过206MPa，其余各处均小于304不锈钢的屈服强度(如图4(b))，满足施工设计要求。2.4m上层平台焊接组件最大VonMises应力值为312.61MPa，位于第一层平台与导轨连接的焊接件与平台组件的焊接位置(图5)，且仅有此处VonMises应力值超过240MPa，这是由于上部网框施加了风载，其余各处均小于6061-T6的屈服强度，满足施工设计要求。立杆最大VonMises应力值出现在立杆与每层2.4m施工平台焊接组件的连接部位，最大VonMises应力值为199.17MPa，小于6061-T6的屈服强度，满足施工设计要求。其余各部件最大VonMises应力均小于6061-T6的屈服强度，满足施工设计要求。工况3各部件应力分布与工况1类似。

图3 工况1施工平台整体应力分布云图

图4 工况1不锈钢网框应力分布

图5 工况1下第一层平台焊接组件应力分布云图

图6 工况1下立杆应力分布云图

2.2 工况4

工况4下，施工平台整体及各部件应力分布云图如图7-图10所示。从应力分析结果可知，施工平台整体最大VonMises应力值为644.60MPa，位于顶部网框横杆与竖杆焊接处(图8(a))，不锈钢网框横杆与竖杆多处焊接处VonMises应力值超过206MPa，超过304不锈钢的屈服强度，但是焊接材料一般强度较高。2.4m上层平台焊接组件最大VonMises应力值为264.96MPa，位于第一层平台与导轨连接的焊接件与平台组件的焊接位置(图9)，且仅有此处VonMises应力值超过240MPa，其余各处均小于6061-T6的屈服强度，满足施工设计要求。立杆最大VonMises应力出现在立杆与每层2.4m施工平台焊接组件的连接部位，最大VonMises应力为176.46MPa，小于6061-T6的屈服强度，满足施工设计要求。其余各部件最大VonMises应力均小于6061-T6的屈服强度，满足施工设计要求。工况2各部件应力分布与工况4类似。

图7 工况4施工平台整体应力分布云图

表1列出了4种工况下各部件最大的VonMises应力值，由此可知工况3和工况4各部件最大的VonMises应力值基本是工况1和工况2的1.25倍。说明作用载荷呈线性增长，应力分布也呈线性增长。

表1 施工平台4种工况各部件最大 Von Mises应力值汇总表 MPa

图8 工况4不锈钢网框应力分布云图

图9 工况4下第一层平台焊接组件应力分布云图

图10 工况4下立杆应力分布云图

3 结果分析与讨论

1) 工况3为最危险的工况。由于顶部网框施加了风载，每个网框与立杆之间靠3个螺栓连接而上下网框之间仅靠1个螺栓连接，因此4种工况下施工平台最大VonMises应力值均位于顶部网框横杆与竖杆焊接处，建议增加不锈钢网框与立杆之间及上下网框之间的螺栓连接数量。

2) 2.4m上层平台焊接组件最大VonMises应力值均位于第一层平台与导轨连接的焊接件与平台组件的焊接位置，但是焊接材料的强度一般比6061-T6的强度高，且仅有此处VonMises应力值超过240MPa，其余各处均小于6061-T6的屈服强度，因此可认为各平台焊接组件满足施工设计要求。

3) 4种工况中，只有工况3时立杆有一处VonMises应力值稍微超过6061-T6的屈服强度，属于极个别点，可认为立杆满足施工设计要求。施工平台其余各部件4种工况下VonMises应力值均小于6061-T6的屈服强度，满足施工设计要求。

4 结语

对建筑施工平台在4种不同工况进行强度分析，得到施工平台各部件的应力分布：

1) 工况1、3和工况2、4下作用载荷成线性，仅需考虑较危险载荷工况3与4。

2) 任意工况下升降施工平台最危险位置发生在风载作用的顶部网框横杆与竖杆焊接处，计算结果符合强度要求。