整体提升式电梯井施工平台研究

王 梅， 孙 毅， 张 意

(1.重庆科技学院建筑工程学院，重庆 401331； 2.重庆建工住宅建设有限公司，重庆 400015)

高层建筑电梯井施工的传统做法一般采取由底至顶搭设钢管脚手架，随混凝土的浇筑，从下至上逐层安装平台。由于电梯井内作业面狭窄，施工质量和速度乃至安全性均得不到保障，因此新型的提升式平台研发无疑具有重要的意义。

传统做法采用脚手架随楼层的浇筑，循环安装，拆除。随着楼层越来越高，各种较为成熟的一些施工平台提升技术逐渐出现。有的是使钢平台工具化、模块化，可以将模架装备中的部分部件制成标准模块[1]；有的是采用液压整体提升技术，可以实现大跨度临时钢结构施工平台的整体提升和下降[2]。在操作空间比较狭窄的电梯井中，施工平台系统整体提升的技术还未在文献中还见过。

本文针对住宅建筑中的电梯井施工，提出了一种可用塔吊提升的施工平台系统，改善了传统施工方法在电梯井内部操作的不便；对整个系统进行了设计和验算，保障了该体系在施工过程中的安全性。

1 平台工作原理

平台架的具体组成构件及布置位置如图1所示。其工作原理是平台系统整体工作，浇筑混凝土，浇筑完后，用塔吊提升整个系统，再浇筑上一层混凝土。平台系统具体操作程序：(1)平台架搁置于门洞两端，所有部件连接成整体，实现电梯井浇筑；(2)浇筑完毕后，平台架底部支座向电梯井内转动，从门洞两端取出；(3)整体提升平台架，进行上一层浇筑。按此步骤循环工作，完成电梯井浇筑。

(a)

(b)

(c)

2 计算假定

施工平台承受其上部的人员、材料、模板体系等施工荷载，因此需要对平台架进行截面设计和验算，判断能否满足应力、位移要求。本文采用SAP2000建立施工平台三维有限元模型(图2)进行计算分析。

图2 有限元模型

2.1 材料假定

考虑到取材便利性，平台采用Q235的钢材[3]。截面形式有工字钢、槽钢及角钢，其中工字钢与槽钢用于主要受力构件，角钢用于次要受力构件和减少计算长度起连接作用的构件。

2.2 节点约束假定

平台节点采用焊缝连接，平台梁为受弯构件，平台柱为压弯构件，因此假定平台所有杆件之间的连接节点为刚接。

施工平台下部支座采用搁置的方式承载于已浇筑的下层电梯间门洞两端，支撑节点平动方向的约束很强，但转动方向几乎没有约束，因此假定该处为铰接；上部支座则直接抵靠在电梯井剪力墙内壁，因此只考虑剪力墙法向的平动约束。

2.3 平台架顶部铺板假定

施工过程中，平台顶部采用铺板，其刚度对于平台结构无影响。有限元模型中将平台铺板厚度设为0，仅仅作为传导施工面荷载的作用。

根据常见住宅电梯井尺寸[4]和层高进行建模计算，模型的x、y、z方向分别对应的电梯井的开间、进深和层高。考虑正方形平面的电梯井，取1.8m、2.0m、2.2m、2.4m、2.6m共5个边长尺寸，每个边长考虑3.0m和3.3m共2个不同的层高，其中1.8m和2.0m这2个尺寸的门洞宽800mm，其余尺寸电梯井门洞宽均为1 000mm。

2.4 荷载取值

文献[5]将平台自重、平台铺板及内挂平台荷载等另列出，施工荷载取值1kN/m2；文献[6]将绑扎钢筋、护栏、模板等荷载另行考虑，只取在浇筑过程中所需荷载1kN/m2；文献[6]将材料堆载和架体自重统一考虑，施工荷载取值5kN/m2；综合以上文献且据实际施工中的荷载考虑，平台表面搭设铺板且无材料堆载，只考虑施工人员及简单的施工工具，取平台的施工荷载为1kN/m2。平台顶层承受模板体系重量，作用于施工平台的4个点上。参考某工程荷载情况，电梯井尺寸不同，所受荷载不同，各电梯井尺寸单点受力如表1所示：

表1 单点集中荷载

3 计算建模

3.1 设计准则

考虑到施工现场的运输、安装、提升等诸多不确定因素，平台需要足够的安全冗余量，因此按屈服强度的0.5倍作为构件允许应力。

考虑到施工的安全性，常规工作工况验算时设定构件竖向变形限值为2mm。整体提升吊装时，平台架上无人员，设定构件的竖向变形限值可放宽为5mm。

3.2 荷载工况

考虑三种荷载工况组合：一是常规作业时，平台上部满布恒载和活载，见图3(a)，其中小圆点表示设置集中荷载，阴影部分表示设置均布荷载；二是可能出现的倾覆最不利情况，在悬挑单侧区域满布活荷载，见图3(b)；三是平台整体提升工况，在模型中将设在主桁梁上的吊装点设置为铰接支座，同时去掉平台的其他支座，此时考虑1.5的吊装动力系数。

(1)常规作业工况：1.2×恒载+1.4×满布活载；

(2)抗倾覆工况：1.0×恒载+1.4×单侧悬挑部分活载；

(3)整体提升工况：1.5×1.2×恒载+1.5×1.4×满布活载。

(a)

(b)

4 计算结果

在计算结果中，重点考查主要构件的应力和关键节点的变形。常规工作工况的计算中，立柱的应力最大，达到50MPa；y向中间梁的位移最大，为1.98mm，说明平台架设计主要由变形控制；抗倾覆验算工况中，支座反力为791N的拉力，平台架有倾覆风险；整体提升工况中，最大应力为63MPa，最大位移为4.4mm。根据计算数据，平台架钢构件的建议型号为：各电梯井尺寸中，立柱为I10；斜柱为[5；除顶层外的梁为，除x、y两个方向除吊装点梁和边梁，其余梁均用∟40×4。吊装点梁和边梁随电梯井尺寸的增大，钢构件截面型号也增大，具体型号如表2所示：

表2 钢构件截面型号

5 平台支座验算

5.1 抗剪验算

平台下部支座节点为焊接，焊缝主要承受剪力，需进行抗剪验算：

(1)

式中：V取为下部支座的竖向反力，S和I为剪应力计算点的面积矩和截面惯性矩，t为剪应力计算点垂直于剪力方向的截面宽度。

采用10号的工字钢截面，最大剪应力为27.2MPa，满足要求。

5.2 混凝土局部强度验算

平台下部和上部支座处混凝土承受支座反力时，并未达到其设计强度。根据住宅建筑的常规施工速度，上部支座按浇筑后3d达到50 %强度验算，下部支座按浇筑后7d达到70 %强度验算。

根据GB50010-2010 《混凝土结构设计规范》[8]，验算公式为：

Fl≤1.35βcβlfcAln

(2)

(3)

局部受压面上作用的局部荷载应为平台架下部支座的竖向和水平反力以及上部支座的水平反力，其中下部和上部支座的水平反力大小相等。平台支座反力如表3所示：

表3 平台支座反力

根据平台支座反力和混凝土强度发展情况，可根据局部强度要求计算得到所需要的混凝土与平台支座接触面积。设定接触面为矩形，其长宽分别用变量a和b表示，其结果如表4所示：

6 结论

本文针对住宅建筑电梯井施工技术，提出了一种可用塔吊进行整体提升的施工平台系统，对其进行了一系列设计和验算，得到了以下结论：

(1)电梯井整体提升施工平台系统改善了传统的高层建筑电梯井的施工不便利情况，可反复利用，极大提高施工效率；

(2)施工平台架是主要的施工荷载受力结构，通过常规的电梯井尺寸验算，说明了所选用构件尺寸的合理性和安全性。

表4 局部受压面的长宽建议最小取值 mm