高处作业超高支架非标吊篮悬挂装置力学分析

甄颂 宋平

0 引言

随着我国建筑施工行业进入高速发展时期，高处作业吊篮因其安装、拆卸方便，经济效益相对较高等优势，广泛应用于外墙装饰装修等施工作业。高处作业吊篮是指悬挂装置架设于建筑物或构筑物上，起升装置通过钢丝绳驱动悬吊平台沿立面上下运行的一种非常设悬挂接近设备。在工作完成后，吊篮被拆卸从现场撤离，并可在其他地方重新安装和使用。高处作业吊篮通常由悬挂装置、悬吊平台、起升装置、防坠落装置和电气控制系统等配套组成。悬挂装置通过钢丝绳承受悬吊平台自重、施工人员、物料和风荷载，其强度和刚度不仅影响吊篮可靠性，而且关系到施工作业人员的生命安全。为此本文以某工程应用的吊篮悬挂装置为例对强度、刚度以及稳定性进行研究。

1 工程概况

某工程由11 栋建筑物组成，其中1、3、4、11 号楼高度为53.45m，2、9 号楼高度为46.65m，10 号楼高度为49.55m，5、6、7、8 号楼高度为52.45m，结构类型为现浇钢筋混凝土剪力墙结构。综合考虑安全、施工效率以及经济效益等各方面因素，选用ZLP630 型吊篮用于外墙涂料施工。由于建筑物北侧局部女儿墙高度为2.20m，超过吊篮正常安装高度，需要将吊篮支架加高，因此采用超高支架非标吊篮，见图1 所示。

图1 吊篮作业示意图

2 超高支架非标吊篮悬挂装置受力分析和验算

ZLP630 型非标吊篮悬挂装置架设高度为2.4m，前梁外伸悬挑段长度1.37m，前、后支架间距4.6m。两套悬挂装置通过动力钢丝绳共同承受一个悬吊平台的荷载，悬吊平台尺寸（长×宽×高）为6.10m×0.685m×1.18m，其与建筑物外墙水平距离200mm，标准配重1 000kg。悬挂装置由前梁、中梁、后梁、前支架、后支架、配重和加强钢丝绳等部件组成，见图2 所示，悬挂装置主要部件参数见表1 所示，悬吊平台见图3 所示。

表1 悬挂装置主要部件截面尺寸和相关参数

图2 悬挂装置结构图

图3 悬吊平台示意图

2.1 悬吊平台水平荷载计算

2.1.1 悬吊平台风荷载按照以下计算公式进行计算

式中：为风力系数；为计算风压；为垂直于风向的实体迎风面积。

由于悬吊平台是由两片平行的平面桁架组成的空间结构，通过查表取风力系数=1.7。在工作状态下，应能承受的基本风压值不低于500pa；在非工作状态下，当吊篮安装高度不大于60m 时，应能承受的基本风压值不低于1 915pa。考虑到吊篮严禁在5 级风力以上的条件下使用，因此取=500pa。

假定风沿着悬挂装置的纵向作用于悬吊平台，结构迎风充实率=实体部分面积/轮廓面积=1.961/7.198=0.272，间隔比=两片构件相对面之间的距离/构件迎风面的高=0.61/1.18=0.636，根据结构迎风面充实率和间隔比，查表得挡风折减系数=0.352。考虑到前片对后片的挡风折减作用，即用后片的迎风面积乘以挡风折减系数来计算。

为便于计算假设物料的迎风面积为1m，每名施工人员迎风面积为0.5m，可求得迎风面积：

代入（1）式得悬吊平台风荷载计算值：

2.1.2 钢丝绳在悬挂装置悬挂点的最小水平荷载计算

根据高处作业吊篮规范规定：钢丝绳在悬挂点的最小水平荷载1各个方向均为0.1×T，为施加在悬挂装置悬挂点的静荷载。

2.2 悬挂装置荷载工况计算

平台起升装置极限工作荷载

式中： S为悬吊平台自重，见表2 所示；

表2 悬吊平台自重 Swp

为进行外墙涂料施工时悬吊平台额定载重量，见表3 所示。

表3 双人平台额定载重量Rl

代入（2）式得平台起升装置极限工作荷载：

根据高处作业吊篮规范规定，悬挂装置结构计算荷载工况有以下三种情况：

荷载工况1 正常工作时：总悬挂荷载T=1.25×W，水平力F=1.25×P+1.25×P；

荷载工况2 静力试验时：总悬挂荷载T=1.5×W，水平力F=0；

荷载工况3 极限情况，后备装置触发时：总悬挂荷载T=2.5×W，水平力F=0；

式中： T为施加在悬挂装置悬挂点的静荷载，由悬吊平台的额定载重量和平台、附属设备、钢丝绳、电缆和配重块自重等组成。P为钢丝绳在悬挂装置悬挂点的最小水平荷载。

根据对悬挂装置工况的分析和水平力作用力计算，现将悬挂装置结构计算荷载工况汇总，见表4 所示。

表4 悬挂装置结构计算荷载工况计算表

2.3 吊篮动力钢丝绳强度验算

根据高处作业吊篮规范规定起升装置的极限工作荷载可作为钢丝绳的最大计算力，因此吊篮动力钢丝绳所承受的荷载，应符合下列规定：

（1）吊篮动力钢丝绳所承受竖向荷载标准值应按式（3）计算：

（2）作用于吊篮上的水平荷载可只考虑风荷载，并应由两根钢丝绳各负担1/2，故动力钢丝绳水平荷载标准值应按式（4）计算：

（3）吊篮在使用时，其动力钢丝绳所受拉力应按式（5）核算：

式中：为安全系数，取=9 。

该工程吊篮选用φ8.3 钢丝绳，其额定破断拉力为53600() ＞43701()，满足要求。

2.4 配重悬挂装置抗倾覆性验算

根据高处作业吊篮规范规定，在正常工作状态下，吊篮悬挂装置抗倾覆力矩大于或等于3 倍倾覆力矩比值，则认为悬挂装置具有足够的稳定性，计算简图见图4。

图4 配重悬挂装置稳定性计算简图

用公式表示为：

代入式（3）得：

2.5 前支架压杆稳定性验算

对悬挂装置进行整体分析，A 点为悬吊平台悬挂点位置，BF 为上立柱，BD 为前支架，CE 为后支架，D 点和E 点均为铰支座，钢丝绳水平夹角、分别为31.8°和10.5°，荷载按工况3 考虑，悬挂装置受力图见图5。

图5 悬挂装置受力图

图6 前梁悬挑段受力图

根据静力平衡条件得：

因前支架BD 架设高度为2.4m，受到的轴向压力为F=14772，故要考虑压杆稳定的问题。

根据欧拉公式的柔度界限值：

式中：为材料的弹性模量，悬挂装置采用Q235A 材料，取E=206Gpa；σ为比例极限，取σ=200Mpa。

代入式（5）得：

而对于两端铰支的等截面轴心压杆BD 柔度：

式中：为长度因素，取=1 ；为压杆横截面对中性轴的惯性半径，查型钢表得=2.665；为有效杆长，取=2.4。

代入式（6）得：

可知该杆件为中柔度杆，适用经验公式计算临界应力。

式中：σ为材料屈服强度，与材料有关的常数，查表得=0.00668。

代入式（7）得：

临界应力σ=σ-=235 -0.00668 ×90=180.89()临界荷载P=σ·=180.89 ×10.147 ×10=183549()＞F=1 147 772()，前支架压杆稳定性满足要求。

3 结论

综合上述分析和计算结果，得出以下结论：

（1）当架设高度大于标准前支架最大高度时须对悬挂装置进行专门设计，确保非标吊篮悬挂装置抗倾覆性、稳定性和承载力满足要求。

（2）在吊篮使用中，由于悬吊平台的载荷通过钢丝绳传递至悬挂装置，导致前梁端部钢丝绳悬挂点处和前梁悬挑段根部应力较大，应对上述节点进行加强处理。

（3）对加强钢丝绳进行预紧可以提升悬挂装置的承载力和减少前梁悬臂端的变形。当材料、截面积和截面形状一定时，适当增大加强钢丝角度不但可以降低钢丝绳的预紧力，还能提高悬挂装置的承载力和安全性。

（4）由于架设高度的增加带来了悬挂装置侧向倾覆隐患，非标吊篮悬挂装置应有可靠的防侧向失稳措施。