王 梅， 孫 毅， 張 意

(1.重慶科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，重慶 401331； 2.重慶建工住宅建設(shè)有限公司，重慶 400015)

高層建筑電梯井施工的傳統(tǒng)做法一般采取由底至頂搭設(shè)鋼管腳手架，隨混凝土的澆筑，從下至上逐層安裝平臺(tái)。由于電梯井內(nèi)作業(yè)面狹窄，施工質(zhì)量和速度乃至安全性均得不到保障，因此新型的提升式平臺(tái)研發(fā)無(wú)疑具有重要的意義。

傳統(tǒng)做法采用腳手架隨樓層的澆筑，循環(huán)安裝，拆除。隨著樓層越來(lái)越高，各種較為成熟的一些施工平臺(tái)提升技術(shù)逐漸出現(xiàn)。有的是使鋼平臺(tái)工具化、模塊化，可以將模架裝備中的部分部件制成標(biāo)準(zhǔn)模塊[1]；有的是采用液壓整體提升技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)大跨度臨時(shí)鋼結(jié)構(gòu)施工平臺(tái)的整體提升和下降[2]。在操作空間比較狹窄的電梯井中，施工平臺(tái)系統(tǒng)整體提升的技術(shù)還未在文獻(xiàn)中還見(jiàn)過(guò)。

本文針對(duì)住宅建筑中的電梯井施工，提出了一種可用塔吊提升的施工平臺(tái)系統(tǒng)，改善了傳統(tǒng)施工方法在電梯井內(nèi)部操作的不便；對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和驗(yàn)算，保障了該體系在施工過(guò)程中的安全性。

1 平臺(tái)工作原理

平臺(tái)架的具體組成構(gòu)件及布置位置如圖1所示。其工作原理是平臺(tái)系統(tǒng)整體工作，澆筑混凝土，澆筑完后，用塔吊提升整個(gè)系統(tǒng)，再澆筑上一層混凝土。平臺(tái)系統(tǒng)具體操作程序：(1)平臺(tái)架擱置于門(mén)洞兩端，所有部件連接成整體，實(shí)現(xiàn)電梯井澆筑；(2)澆筑完畢后，平臺(tái)架底部支座向電梯井內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，從門(mén)洞兩端取出；(3)整體提升平臺(tái)架，進(jìn)行上一層澆筑。按此步驟循環(huán)工作，完成電梯井澆筑。

(a)

(b)

(c)

2 計(jì)算假定

施工平臺(tái)承受其上部的人員、材料、模板體系等施工荷載，因此需要對(duì)平臺(tái)架進(jìn)行截面設(shè)計(jì)和驗(yàn)算，判斷能否滿足應(yīng)力、位移要求。本文采用SAP2000建立施工平臺(tái)三維有限元模型(圖2)進(jìn)行計(jì)算分析。

圖2 有限元模型

2.1 材料假定

考慮到取材便利性，平臺(tái)采用Q235的鋼材[3]。截面形式有工字鋼、槽鋼及角鋼，其中工字鋼與槽鋼用于主要受力構(gòu)件，角鋼用于次要受力構(gòu)件和減少計(jì)算長(zhǎng)度起連接作用的構(gòu)件。

2.2 節(jié)點(diǎn)約束假定

平臺(tái)節(jié)點(diǎn)采用焊縫連接，平臺(tái)梁為受彎構(gòu)件，平臺(tái)柱為壓彎構(gòu)件，因此假定平臺(tái)所有桿件之間的連接節(jié)點(diǎn)為剛接。

施工平臺(tái)下部支座采用擱置的方式承載于已澆筑的下層電梯間門(mén)洞兩端，支撐節(jié)點(diǎn)平動(dòng)方向的約束很強(qiáng)，但轉(zhuǎn)動(dòng)方向幾乎沒(méi)有約束，因此假定該處為鉸接；上部支座則直接抵靠在電梯井剪力墻內(nèi)壁，因此只考慮剪力墻法向的平動(dòng)約束。

2.3 平臺(tái)架頂部鋪板假定

施工過(guò)程中，平臺(tái)頂部采用鋪板，其剛度對(duì)于平臺(tái)結(jié)構(gòu)無(wú)影響。有限元模型中將平臺(tái)鋪板厚度設(shè)為0，僅僅作為傳導(dǎo)施工面荷載的作用。

根據(jù)常見(jiàn)住宅電梯井尺寸[4]和層高進(jìn)行建模計(jì)算，模型的x、y、z方向分別對(duì)應(yīng)的電梯井的開(kāi)間、進(jìn)深和層高?？紤]正方形平面的電梯井，取1.8m、2.0m、2.2m、2.4m、2.6m共5個(gè)邊長(zhǎng)尺寸，每個(gè)邊長(zhǎng)考慮3.0m和3.3m共2個(gè)不同的層高，其中1.8m和2.0m這2個(gè)尺寸的門(mén)洞寬800mm，其余尺寸電梯井門(mén)洞寬均為1 000mm。

2.4 荷載取值

文獻(xiàn)[5]將平臺(tái)自重、平臺(tái)鋪板及內(nèi)掛平臺(tái)荷載等另列出，施工荷載取值1kN/m2；文獻(xiàn)[6]將綁扎鋼筋、護(hù)欄、模板等荷載另行考慮，只取在澆筑過(guò)程中所需荷載1kN/m2；文獻(xiàn)[6]將材料堆載和架體自重統(tǒng)一考慮，施工荷載取值5kN/m2；綜合以上文獻(xiàn)且據(jù)實(shí)際施工中的荷載考慮，平臺(tái)表面搭設(shè)鋪板且無(wú)材料堆載，只考慮施工人員及簡(jiǎn)單的施工工具，取平臺(tái)的施工荷載為1kN/m2。平臺(tái)頂層承受模板體系重量，作用于施工平臺(tái)的4個(gè)點(diǎn)上。參考某工程荷載情況，電梯井尺寸不同，所受荷載不同，各電梯井尺寸單點(diǎn)受力如表1所示：

表1 單點(diǎn)集中荷載

3 計(jì)算建模

3.1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

考慮到施工現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)輸、安裝、提升等諸多不確定因素，平臺(tái)需要足夠的安全冗余量，因此按屈服強(qiáng)度的0.5倍作為構(gòu)件允許應(yīng)力。

考慮到施工的安全性，常規(guī)工作工況驗(yàn)算時(shí)設(shè)定構(gòu)件豎向變形限值為2mm。整體提升吊裝時(shí)，平臺(tái)架上無(wú)人員，設(shè)定構(gòu)件的豎向變形限值可放寬為5mm。

3.2 荷載工況

考慮三種荷載工況組合：一是常規(guī)作業(yè)時(shí)，平臺(tái)上部滿布恒載和活載，見(jiàn)圖3(a)，其中小圓點(diǎn)表示設(shè)置集中荷載，陰影部分表示設(shè)置均布荷載；二是可能出現(xiàn)的傾覆最不利情況，在懸挑單側(cè)區(qū)域滿布活荷載，見(jiàn)圖3(b)；三是平臺(tái)整體提升工況，在模型中將設(shè)在主桁梁上的吊裝點(diǎn)設(shè)置為鉸接支座，同時(shí)去掉平臺(tái)的其他支座，此時(shí)考慮1.5的吊裝動(dòng)力系數(shù)。

(1)常規(guī)作業(yè)工況：1.2×恒載+1.4×滿布活載；

(2)抗傾覆工況：1.0×恒載+1.4×單側(cè)懸挑部分活載；

(3)整體提升工況：1.5×1.2×恒載+1.5×1.4×滿布活載。

(a)

(b)

4 計(jì)算結(jié)果

在計(jì)算結(jié)果中，重點(diǎn)考查主要構(gòu)件的應(yīng)力和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的變形。常規(guī)工作工況的計(jì)算中，立柱的應(yīng)力最大，達(dá)到50MPa；y向中間梁的位移最大，為1.98mm，說(shuō)明平臺(tái)架設(shè)計(jì)主要由變形控制；抗傾覆驗(yàn)算工況中，支座反力為791N的拉力，平臺(tái)架有傾覆風(fēng)險(xiǎn)；整體提升工況中，最大應(yīng)力為63MPa，最大位移為4.4mm。根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)，平臺(tái)架鋼構(gòu)件的建議型號(hào)為：各電梯井尺寸中，立柱為I10；斜柱為[5；除頂層外的梁為，除x、y兩個(gè)方向除吊裝點(diǎn)梁和邊梁，其余梁均用∟40×4。吊裝點(diǎn)梁和邊梁隨電梯井尺寸的增大，鋼構(gòu)件截面型號(hào)也增大，具體型號(hào)如表2所示：

表2 鋼構(gòu)件截面型號(hào)

5 平臺(tái)支座驗(yàn)算

5.1 抗剪驗(yàn)算

平臺(tái)下部支座節(jié)點(diǎn)為焊接，焊縫主要承受剪力，需進(jìn)行抗剪驗(yàn)算：

(1)

式中：V取為下部支座的豎向反力，S和I為剪應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)的面積矩和截面慣性矩，t為剪應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)垂直于剪力方向的截面寬度。

采用10號(hào)的工字鋼截面，最大剪應(yīng)力為27.2MPa，滿足要求。

5.2 混凝土局部強(qiáng)度驗(yàn)算

平臺(tái)下部和上部支座處混凝土承受支座反力時(shí)，并未達(dá)到其設(shè)計(jì)強(qiáng)度。根據(jù)住宅建筑的常規(guī)施工速度，上部支座按澆筑后3d達(dá)到50 %強(qiáng)度驗(yàn)算，下部支座按澆筑后7d達(dá)到70 %強(qiáng)度驗(yàn)算。

根據(jù)GB50010-2010 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]，驗(yàn)算公式為：

Fl≤1.35βcβlfcAln

(2)

(3)

局部受壓面上作用的局部荷載應(yīng)為平臺(tái)架下部支座的豎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。平臺(tái)支座反力如表3所示：

表3 平臺(tái)支座反力

根據(jù)平臺(tái)支座反力和混凝土強(qiáng)度發(fā)展情況，可根據(jù)局部強(qiáng)度要求計(jì)算得到所需要的混凝土與平臺(tái)支座接觸面積。設(shè)定接觸面為矩形，其長(zhǎng)寬分別用變量a和b表示，其結(jié)果如表4所示：

6 結(jié)論

本文針對(duì)住宅建筑電梯井施工技術(shù)，提出了一種可用塔吊進(jìn)行整體提升的施工平臺(tái)系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行了一系列設(shè)計(jì)和驗(yàn)算，得到了以下結(jié)論：

(1)電梯井整體提升施工平臺(tái)系統(tǒng)改善了傳統(tǒng)的高層建筑電梯井的施工不便利情況，可反復(fù)利用，極大提高施工效率；

(2)施工平臺(tái)架是主要的施工荷載受力結(jié)構(gòu)，通過(guò)常規(guī)的電梯井尺寸驗(yàn)算，說(shuō)明了所選用構(gòu)件尺寸的合理性和安全性。

表4 局部受壓面的長(zhǎng)寬建議最小取值 mm