装配式移动平台设计及安全性分析

侯照保，郭云飞，郭爱芹

（1、广州市市政集团有限公司 广州 510060；2、广州市市政集团设计院有限公司 广州 510060）

0 引言

2016 年，国务院办公厅印发了《关于大力发展装配式建筑的指导意见》，装配式建筑的发展逐渐推向高潮［1-2］，桥梁工程中，主体结构的装配化施工正在稳步发展，与此同时，在桥梁工程施工过程中，诸多大临钢结构也逐步采用装配式的概念，将模块化钢构件（基本拼装单元）提前在加工厂内制作完成，然后运输至施工现场，通过螺栓连接、销轴连接等连接形式实现拼接组装，形成装配化的大临钢结构，装配化概念的引入，大幅度减少在现场高空焊接的作业量，加快施工速度，保证结构质量，有助于在不改变原有主要受力构件性能和完整性的前提下，实现重复循环利用。基于施工的便捷性和质量的优越性，大临结构的装配化成为目前行业发展的大趋势。

施工平台是大临结构的重要内容之一，行业内对移动平台的研究也比较多，例如，韩纪亮等人［3］对收折式移动平台在高墩现浇箱梁中的应用进行了研究，苏立超［4］对移动支架异步施工法在波形钢腹板组合桥梁中的应用展开了研究，王海林［5］对大跨度波形钢腹板连续梁桥移动支架法施工进行了研究，邓林对现浇箱梁组合移动支架体系进行了设计计算及试验分析［6］。装配式移动平台应用逐渐增多，但是，标准化、模块化程度还是不够高，部分装配式移动平台构件连接的可行性以及操作的适用性欠佳，安全可靠度有些还需要进一步深入研究验证。本文针对装配化施工的移动平台，进行安全性分析，通过运用有限元计算软件，建立移动平台模型，设置边界、荷载条件，分析了在自重、施工活荷载以及风荷载等荷载组合工况下，装配式移动平台的强度、刚度及稳定性［7-8］，计算结果表明移动平台的安全系数满足《钢结构设计标准：GB 50017—2017》［9］要求，内力、变形以及整体稳定性均能较好地控制在安全范围内，配套的安全保障措施能使移动平台充分保证安全性，根据装配式移动平台各结构部件的设计参数进行装配化拼装，可以满足移动平台的安全要求，为同类型装配式移动平台的设计及施工提供经验。

1 工程概况

某高速公路一标里程为K0+000～K1+100，全长1.1 km，位于广州市白云区，主要工程内容为修建太成互通式立交，桥梁上部结构形式包含现浇箱梁、钢箱梁、预制小箱梁和空心板。钢箱梁结构位于既有的高速公路之上，箱梁的结构类型为一箱两室、一箱三室、一箱五室结构，钢箱梁的3种桥宽10.5 m、12.5 m、15.5 m，桥身高度统一，单跨度最长为55.0 m。

钢箱梁架设时，钢结构箱体就位后，为完成各个箱体之间的连接，接缝位置需要现场焊接，钢箱梁的顶板以及箱室内部焊接相对方便，但是，钢箱梁挑翼和底板下部中间的焊接较为困难，通长情况下使用举高车或搭设钢管支架，由于钢箱梁大多跨越既有的高速公路，如此会临时封闭交通，造成不良的影响。因此，该工程在箱梁顶部设计了一种移动式工作平台，作业人员可以直接在此移动平台上进行焊接，在不影响交通行车的情况下能够正常焊接。

2 装配式移动平台设计及施工

2.1 移动平台设计

⑴移动式工作平台采用钢材制作的方管制成钢桁架，桁架之间用高强螺栓接连，下部铺设木板和铁板。根据钢箱梁的3 种桥宽，将移动平台设计成组合通用型的结构，通过更换中间连接节段长度调整适用桥宽，标准组合节段之间使用8.8级高强度螺栓连接；架体采用方管50 mm×3.5 mm 和40 mm×3 mm 两种规格，材料选用Q235，结构设计如图1所示。

图1 结构设计Fig.1 Structural Design （mm）

⑵移动式工作平台的钢桁架在桥面作4点支承，一侧配备2 个减速电动轮，另一侧配备2 个一般万向轮，用于支架平台移动。万向轮为工业用8寸铁芯PU聚氨酯类超重型万向轮，带刹车器，最大承重力为1.5 t。

⑶平台底部桁架离桥底需至少保持100 mm，一般情况为200 mm，两侧立架离挑翼边距离为280 mm，预留活动空间，保证移动式工作平台移动过程不会受阻。

⑷ 平台底部横向桁架同时充当作业平台的围栏，桁架高度为0.926 m，组合最大长度为16.9 m，宽度1.885 m。

⑸底部平台下方铺设20 mm 木板，再在两侧围栏及木板上铺一层0.8 mm铁皮，可根据现场实际使用情况加铺一层防火布。

2.2 移动平台安装

移动平台支架分上、下两部分结构；先将支架的上部吊装至桥面，再在上部支架的正下方空地位置，组装下部支架平台，在支架两端使用卷扬机配合导轮，将下部平台架整体提升，并拼装成型。拼装前后的示意图如图2所示。

图2 拼装前后示意图Fig.2 Schematic Diagram before and after Assembly

2.3 配套的安全保障措施

⑴用40 mm×40 mm×3 mm 的方管在移动平台的下部按图示尺寸焊接支架，然后各设置2个定位轮，轮径200 mm，轮边离钢箱梁腹板50 mm 作活动距离，用于调整支架顺桥型方向行走和起限位作用，横向限位装置示意图如图3所示。

图3 横向限位装置示意图Fig.3 Schematic Diagram of Horizontal Limit Device（mm）

⑵支架平台每次停车施工时，桥面所有的行走轮必须踩下刹车装置，使行走轮停止移动。随后断开电动轮电源，并在4处行走轮侧塞置斜木，防止支架滑动；若钢箱梁桥面纵横坡坡度过大，可在移动平台与钢箱梁梁体之间用4 根12 mm 钢丝绳拉设紧固，优先与梁表面吊耳紧固，若吊耳不方便可用HPB300 钢筋弯成直径8～10 cm的半圆形状再与钢箱梁焊接作为固定支座，再勾住即可，缆风绳布置如图4所示。

图4 缆风绳布置示意图Fig.4 Schematic Diagram of Cable and Wind Rope Layout

⑶任何情况下，两侧卷扬机钢丝绳都要保持与下方作业平台连接，钢丝绳不得松弛，作为除上、下部结构螺栓连接外的第二道保障。

3 移动平台结构验算

3.1 有限元分析模型

3.1.1 节点及单元模型简化

采用有限元计算分析软件Midas-Civil 建立整体移动平台模型，单元简化如下：格构架的方形钢管为梁单元，底木板为板单元。采用线弹性本构模型进行分析。

3.1.2 材料及边界条件

移动平台支撑点约束设置为：一般支承D-all，支架采用方管50 mm×3.5 mm 和40 mm×3 mm 两种规格，材料选用Q235，底木板的板单元的“板厚”、“面内和面外”均设置为2 cm。

3.1.3 荷载

荷载取值主要依据《建筑施工承插型盘扣式钢管脚手架安全技术标准：JGJ∕T 231—2021》［10］和《建筑结构荷载规范：GB 50009—2012》［11］，对荷载及其荷载分项系数作如下取值：

自重：软件自动形成移动平台自重。

施工活荷载：施工人员及设备荷载标准值为2.5 kN∕m2；

风荷载：根据文献［11］第8.1.1条，wk=βz·μs·μz·w0

风振系数βz取1，风压高度变化系数μz取1.52。地形取B类地区，R=50，基本风压w0取0.5 kN∕m2，风荷载体型系数取值如下：

单榀桁架（横桥向）：

故模型中简化的线荷载：0.26×0.05=0.013 kN∕m2多榀桁架（纵桥向）：

故模型中简化的线荷载：0.26×0.05=0.035 kN∕m2。

纵、横向风荷载如图5所示。

图5 纵、横向风荷载Fig.5 Longitudinal and Transverse Wind Loads

荷载组合为：1.3×自重+1.5×施工活荷载+1.5×风荷载。

3.2 移动平台结构验算结果

为验算移动平台的可靠性，以下对移动平台的强度、刚度及稳定性均进行验算。

3.2.1 强度验算移动平台桁架的应力云图如图6 所示，最大应力154 MPa；最大应力小于钢管的设计应力215 MPa，满足强度要求。

图6 应力云图Fig.6 The Stress Nephogram

3.2.2 刚度验算

移动平台桁架的变形云图如图7所示，位移最大值为-30.25 mm，平均值为-6.42 mm。变形较小，未超过变形限值：1∕400×16 900 mm=42.25 mm，满足文献［9］要求。

图7 变形云图Fig.7 Deformation Nephogram

3.2.3 稳定性验算

移动平台桁架的一阶屈曲模态云图如图8 所示，结构一阶屈曲模态计算特征值（临界荷载系数）为6.43＞4.0，满足整体稳定性的要求。

图8 一阶屈曲模态云图Fig.8 First Order Buckling Modal Cloud Image

4 移动平台安全措施验算

4.1 螺栓强度验算

装配式移动平台桁架的基本模块单元之间结合法兰盘，采用螺栓连接，连接节点螺栓布置如图9 所示，根据文献［9］第11.4.2条，摩擦型高强螺栓承载力：

图9 连接节点螺栓布置示意图Fig.9 Schematic Diagram of Connecting Joint Bolts（mm）

其中，P为一个高强螺栓的预拉力设计值。

经有限元模型分析计算，螺栓连接处杆件的最大受力为3.6 kN，连接处共4 个螺栓，每个螺栓受力为3.6∕4=0.9 kN≤=64 kN，螺栓强度满足要求。

4.2 缆风绳验算

4.2.1 纵向缆风绳

经有限元模型分析计算，支点的纵向水平反力为1.7 kN。缆风绳倾角为45°，则斜向钢丝绳的受力为1.7∕cos45°=2.4 kN，取钢丝绳的安全系数为10，则有钢丝绳的破断拉力为P=10×2.4=24 kN；

钢丝绳的公称抗拉强度为1 700 MPa，那么需要配置的钢丝总断面面积的最小值为：

根据《路桥施工计算手册》［12］规格参数表，取直径8.7 mm 的钢丝绳，钢丝绳钢丝总断面积27.88 mm2＞17.24 mm2，即可满足使用需求。

4.2.2 横向缆风绳

经有限元模型分析计算，支点的横向水平反力为275.6 N。缆风绳倾角45°，钢丝绳受力为275.6∕cos45°=389.8 N，取钢丝绳的安全系数为10，则有钢丝绳的破断拉力P=10×389.8=3 898 N；

钢丝绳的公称抗拉强度为1 700 MPa，那么需要配置的钢丝总断面积的最小值为：

根据《路桥施工计算手册》规格参数表，取直径8.7 mm 钢丝绳，钢丝绳钢丝总断面积27.88 mm2，即可满足使用需求。

综上4.2.1 和4.2.2 小节分析，纵向缆风绳和横向缆风绳，统一取直径8.7 mm 钢丝绳，钢丝绳钢丝总断面积27.88 mm2，即可满足使用需求。

4.3 兜底钢丝绳验算

经有限元模型分析计算，连接处杆件的最大受力为3.6 kN，钢丝绳受力为3×3.6=10.8 kN，取钢丝绳的安全系数为10，则有钢丝绳破断拉力为P=10×10.8=108 kN；

公称抗拉强度1 700 MPa，那么需要配置的钢丝总断面积的最小值为：

根据文献［12］规格参数表，取直径为15 mm 的钢丝绳，钢丝绳钢丝总断面积为85.39 mm2，即可满足使用需求。

4.4 底木板验算

采用厚度为20 mm的木板均匀铺在移动平台底板下，移动平台底板示意图如图10 所示，承受施工人员荷载和少量小型机具的荷载，均布荷载取2.5 kN∕m2。取木板最大受力面积单元（0.6 m×1.0 m）进行计算，根据文献［12］，所需要的木板厚度分别按强度和刚度进行计算。

按强度要求：

按刚度要求：

H取值的最小值应为H=17.41 mm＜20 mm。因此，厚度为20 mm的底木板可以满足要求。

图10 移动平台底板示意图Fig.10 Schematic Diagram of Moving Platform Base Plate （mm）

5 结语

本文针对装配式移动平台，阐述了装配式移动平台的设计和施工，结合工程实例，采用有限元软件建立装配式移动平台结构模型，设置边界、荷载条件，分析了装配式移动平台的受力、变形以及整体稳定性，得到装配式移动平台的强度、刚度以及稳定性均满足文献［9］要求，并具有较大的安全储备，移动平台配套的安全措施均能满足使用要求，较好地为移动平台的安全性能提供保证。装配式移动平台设计合理、安全可靠、施工便捷，为同类型装配式移动平台的设计及施工提供参考。