董 藝 林力勛 夏 翔,3 趙偉程 江楚杰 楊 銳

1. 中國建筑第四工程局有限公司 廣東 廣州 510665；2. 貴州中建建筑科研設(shè)計(jì)院有限公司 貴州 貴陽 550001；3. 中建四局第六建筑工程有限公司 安徽 合肥 230000；4. 廣州特威工程機(jī)械有限公司 廣東 廣州 510000；5. 廣州達(dá)蒙安防科技有限公司 廣東 廣州 510000

為解決在爬架工程中，施工電梯不能運(yùn)行至爬架樓層導(dǎo)致的施工人員上下作業(yè)面費(fèi)時(shí)費(fèi)力的現(xiàn)狀，將電梯與外爬架進(jìn)行集成，研發(fā)設(shè)計(jì)了一套“施工電梯與外爬架一體化工作系統(tǒng)”，有效提高了施工電梯的使用效率和整個(gè)施工管理的工作效率，該系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 原型機(jī)模型

為驗(yàn)證該系統(tǒng)是否能滿足安全要求，特進(jìn)行了原型機(jī)的測試。原型機(jī)安裝在廣州某項(xiàng)目3#樓的西南側(cè)1—16F陽臺位置，該項(xiàng)目為住宅項(xiàng)目，共24層，高度為85 m。為不影響實(shí)體工程施工作業(yè)，原型機(jī)由1個(gè)爬架單元（雙機(jī)位）和1臺SC200/200型電梯組成，獨(dú)立組裝，不參與施工，僅作為試驗(yàn)測試使用，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)場地外觀

1 原型機(jī)的安裝

原型機(jī)由施工電梯標(biāo)準(zhǔn)組件、電梯高位附墻組件、爬架單元組合而成〔圖1（a）〕。電梯高位附墻組件〔圖1（b）〕和爬架單元〔圖1（c）〕共同組成上部結(jié)構(gòu)，承擔(dān)施工電梯直升爬架覆蓋樓層的功能，爬架單位覆蓋樓層為5層。原型機(jī)于2017年1月進(jìn)場，3月在結(jié)構(gòu)第3層開始向上組裝，3月上旬初步組裝完成。隨后根據(jù)現(xiàn)場情況，對爬架通道門和電梯翻板門結(jié)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)和改造調(diào)整。原型機(jī)的安裝工藝如圖3、圖4所示。

圖3 試驗(yàn)原型機(jī)安裝流程

圖4 試驗(yàn)原型機(jī)安裝現(xiàn)場

2 原型機(jī)現(xiàn)場試驗(yàn)

2.1 電梯登頂試驗(yàn)

根據(jù)原型機(jī)的功能設(shè)計(jì)，爬架覆蓋位置的最頂部一層位置，可以模擬為正常施工狀態(tài)下的支模樓層。在完成原型機(jī)安裝后，我們使用施工電梯的檢修工況模式，同時(shí)使用2個(gè)梯籠同步運(yùn)行至爬架頂部樓層，模擬了電梯的登頂狀態(tài)[1-3]。

2.2 從電梯進(jìn)入樓層試驗(yàn)

施工人員在本電梯系統(tǒng)中，不僅可以進(jìn)入爬架層覆蓋的樓層，還能夠自由進(jìn)入爬架層以下位置的所有樓層。為此，我們采用了爬架通道門和電梯翻板門的設(shè)計(jì)。當(dāng)施工電梯到達(dá)指定樓層后，電梯內(nèi)人員先上推梯門，打開爬架通道門，再推動電梯翻板門，實(shí)現(xiàn)了施工電梯在爬架覆蓋樓層“穿架進(jìn)樓”的目的。

2.3 同步提升試驗(yàn)

高位附墻設(shè)置了一套提升機(jī)構(gòu)，由爬架的同步控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，確保提升時(shí)高位附墻和外爬架提升一致。在提升過程中，通過觀察提升機(jī)位上的荷載傳感器數(shù)值，結(jié)合人員巡查，判斷提升過程是否出現(xiàn)阻礙。圖5為初次提升時(shí)提升機(jī)位的荷載情況。

圖5 提升機(jī)位荷載情況

由于摩擦力作用，提升過程各提升點(diǎn)荷載值存在一定程度的波動狀態(tài)，當(dāng)處于正常提升狀態(tài)時(shí)，各點(diǎn)位不會出現(xiàn)大幅度激增。在該項(xiàng)目中，進(jìn)行了9次提升試驗(yàn)和1次下降試驗(yàn)，爬架機(jī)位最大荷載為21 kN，與初始狀態(tài)相比，增加荷載6.2 kN，高位附墻上的機(jī)位最大荷載16.5 kN，較初始狀態(tài)增加1.5 kN荷載。上述3個(gè)機(jī)位所使用的電動葫蘆單個(gè)最大荷載為60 kN，運(yùn)行時(shí)均未出現(xiàn)故障（圖6）。

圖6 同步提升

2.4 電梯荷載監(jiān)測試驗(yàn)

2.4.1 試驗(yàn)狀態(tài)及監(jiān)控點(diǎn)布置

在原型機(jī)完成第9次提升后，一體化系統(tǒng)爬架覆蓋至14F，此時(shí)對系統(tǒng)進(jìn)行荷載試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)3#樓已修建至22F（約70 m），其下部結(jié)構(gòu)空曠，無其他交叉施工作業(yè)，在周圍設(shè)置警戒線并派人值守。各測試區(qū)域情況如表1所示。

表1 原型機(jī)測試時(shí)位置狀態(tài)

采用16通道JM3841型動態(tài)應(yīng)變采集儀，結(jié)合BX120-5AA型電阻應(yīng)變片進(jìn)行動態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集，對原型機(jī)電梯部分的最后一道固定附墻、高位附墻座、斜拉桿進(jìn)行測試；采用萊卡TS50自動觀測機(jī)器人，結(jié)合反射棱鏡（反射棱鏡安裝在最高處主標(biāo)準(zhǔn)節(jié)上，高度約16.5F位置），對主標(biāo)準(zhǔn)節(jié)端部位移情況進(jìn)行監(jiān)測（圖7～圖9）。

圖7 JM3841動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)

圖9 位移監(jiān)測點(diǎn)位置

圖8 TS50自動觀測機(jī)器人

2.4.2 試驗(yàn)條件設(shè)計(jì)

1）試驗(yàn)采用3種電梯運(yùn)行狀態(tài)：單籠升降、雙籠同升同降、雙籠對向升降，如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)工況示意

2）對每種工況進(jìn)行5級荷載試驗(yàn)，施工電梯提籠的額定載重是2.0 t，分級荷載為：空載、50%荷載、75%荷載、100%荷載、125%荷載。

3）對高位附墻結(jié)構(gòu)中的斜拉桿設(shè)置進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)置了2種狀態(tài)：第1種為拆除低樓層位置的斜拉桿；第2種為保留低樓層位置斜拉桿，但拆除高樓層位置的斜拉桿和最高一座附墻座（為最不利狀態(tài)），如圖11所示。其中，第2種高位附墻結(jié)構(gòu)是基于最上面一道活動附墻座和斜拉桿的。可能因混凝土齡期較短，強(qiáng)度不足、錨固不牢，故提出此種狀態(tài)下是否仍能夠滿足系統(tǒng)安全需要而進(jìn)行的試驗(yàn)狀態(tài)。

圖11 設(shè)計(jì)及兩種高位附墻斜拉桿試驗(yàn)狀態(tài)

4）試驗(yàn)預(yù)警值設(shè)計(jì)。本試驗(yàn)中，所有施工電梯部件材料為Q235鋼，按照鋼結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力值計(jì)算，應(yīng)變報(bào)警值設(shè)為785 με，其中：鋼材屈服強(qiáng)度取235 MPa，安全系數(shù)取1.5，鋼材彈性模量取200 GPa，許用應(yīng)力為157 MPa。電梯在運(yùn)動狀態(tài)時(shí)，其最大自由端位移極限暫無規(guī)范確定，因此參照GB/T 5031—2008《塔式起重機(jī)》中5.2.3條“塔吊在空載，風(fēng)速不大于3 m/s狀態(tài)下，獨(dú)立狀態(tài)塔身（或附著狀態(tài)下最高附著點(diǎn)以上塔身）軸心線的側(cè)向垂直度允差為4/1 000”的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，電梯主標(biāo)準(zhǔn)節(jié)最高位置超出最后一道固定附墻的部分高度約26.8 m，則設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)最高自由端允許位移為100 mm＜26.8 m×4/1 000。

5）荷載。試驗(yàn)采用質(zhì)量為50 kg的袋裝水泥為荷載，采用均布方式進(jìn)行放置（圖12）。

圖12 荷載堆積

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

由于試驗(yàn)內(nèi)容較多，數(shù)據(jù)量大，僅主要對最大荷載（25 kN）時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1 電梯運(yùn)行位置狀態(tài)

試驗(yàn)時(shí)，采用遠(yuǎn)距離線控的方式操作電梯運(yùn)行，這樣的好處是設(shè)備響應(yīng)迅速，人員安全。啟動時(shí)，電梯梯籠在短暫加速度后，以46 m/min勻速運(yùn)行，在進(jìn)入頂部預(yù)設(shè)的停止位置時(shí)，由電梯的限位器自動控制電梯停止（該操作僅在測試試驗(yàn)中進(jìn)行）。

根據(jù)測試區(qū)域的高度和電梯速度，可測出單個(gè)梯籠從1F開始上升時(shí)，在第34秒時(shí)到達(dá)第8F，即最后一道固定附墻架的位置，此后電梯將在高位附墻結(jié)構(gòu)上運(yùn)行；到第68秒時(shí)，電梯將達(dá)到最高位置，此后電梯短暫停滯后，將開始下降；到第102秒時(shí)，電梯回到第8F高度，離開高位附墻結(jié)構(gòu)，重新到達(dá)常規(guī)附墻；在第136秒左右，電梯?？吭?F，完成一個(gè)試驗(yàn)周期。該時(shí)間周期在單梯籠升降、雙梯籠同步升降試驗(yàn)中相同，在雙籠對向升降測試中，在第1個(gè)梯籠運(yùn)行68秒后，啟動第2個(gè)梯籠。

3.2 最大應(yīng)變位置

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)較有規(guī)律，在所有試驗(yàn)組中，8F的固定附墻上的應(yīng)變片采集到了最大應(yīng)變值（表2為單梯籠在25 kN荷載下運(yùn)行至最高位置時(shí)，各應(yīng)變監(jiān)測點(diǎn)的試驗(yàn)值）。同時(shí)，單梯籠運(yùn)行和雙梯籠對向升降時(shí)應(yīng)變大，而雙梯籠同步升降時(shí)應(yīng)變小。

表2 25 kN荷載下單梯籠測試中梯籠最高位置時(shí)各測點(diǎn)情況

在測試中，無論進(jìn)行哪一種附墻結(jié)構(gòu)，均未在斜拉桿上測出明顯應(yīng)變。經(jīng)分析，本次試驗(yàn)中，由于斜拉桿采用萬向鉸進(jìn)行固定，且未做八字形布設(shè)，僅能提供沿桿件軸向的約束力，對因電梯荷載產(chǎn)生的偏心荷載，沒有起到約束作用。

3.3 應(yīng)變曲線分析

1）根據(jù)試驗(yàn)電梯在8F固定附墻位置監(jiān)測到的最大應(yīng)變反應(yīng)，我們對比了不同試驗(yàn)條件下，電梯運(yùn)行過程中的應(yīng)變數(shù)據(jù)變化。其中，在單籠升降、雙籠同步升降和雙籠對向升降工況組的典型應(yīng)變曲線如圖13所示，各試驗(yàn)組中出現(xiàn)的正負(fù)應(yīng)變極值如表3所示，均低于測試預(yù)警值（785 με）。

圖13 各工況最大應(yīng)變監(jiān)測點(diǎn)的動態(tài)應(yīng)變曲線

表3 監(jiān)測試驗(yàn)中最大應(yīng)變反應(yīng)值對比情況

2）在單籠、雙籠對升降試驗(yàn)中，8F固定附墻架上的應(yīng)變片在試驗(yàn)啟動時(shí)數(shù)值較小，一般在試驗(yàn)進(jìn)行到34.0 s時(shí)，應(yīng)變開始出現(xiàn)顯著增加；試驗(yàn)進(jìn)行到102.0 s時(shí)，應(yīng)變曲線又重新降低并趨于平緩。結(jié)合電梯位置狀態(tài)分析，電梯梯籠在34.0～102.0 s時(shí)，電梯梯籠的運(yùn)行區(qū)間是高位附墻結(jié)構(gòu)中，8F附墻架位置的應(yīng)力應(yīng)變出現(xiàn)了明顯的數(shù)據(jù)變化，而梯籠在固定附墻架以下位置運(yùn)動時(shí)，對試驗(yàn)電梯架體系統(tǒng)影響較小。

3）以單籠運(yùn)行試驗(yàn)進(jìn)行分析（圖14），結(jié)合表1中應(yīng)變片的粘貼位置，可以發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)是以靠近8F-3和8F-4應(yīng)變片一側(cè)的梯籠進(jìn)行運(yùn)行。當(dāng)梯籠從底部上升至最后一道固定附墻時(shí)，靠近梯籠一側(cè)的8F-3和8F-4應(yīng)變片出現(xiàn)了顯著應(yīng)變，而遠(yuǎn)離梯籠的8F-1和8F-2應(yīng)變片反應(yīng)略小。隨著電梯上行，各測點(diǎn)很快出現(xiàn)最大值。結(jié)合應(yīng)變曲線可以發(fā)現(xiàn)，8F-3應(yīng)變片在桿件內(nèi)側(cè)，表現(xiàn)出受拉狀態(tài)（應(yīng)變?yōu)檎担?F-4應(yīng)變片在桿件外側(cè)，表現(xiàn)出受壓狀態(tài)（應(yīng)變?yōu)樨?fù)值），與梯籠的運(yùn)行位置一致。

3.4 位移情況監(jiān)測及分析

使用TS50自動觀測機(jī)器人，對布設(shè)在施工電梯主標(biāo)準(zhǔn)節(jié)最高自由端上的反射棱鏡進(jìn)行自動追蹤記錄。圖15～圖17是試驗(yàn)電梯分別在不同運(yùn)行工況，兩種附墻結(jié)構(gòu)下最大荷載時(shí)的電梯自由端位移變化曲線。

圖15 單籠升降工況最大運(yùn)行荷載電梯自由端位移

圖16 雙籠同步升降工況最大運(yùn)行荷載電梯自由端位移

圖17 雙籠對向升降工況最大運(yùn)行荷載電梯自由端位移

根據(jù)電梯端部位移數(shù)據(jù)分析，在雙籠同步升降中，由于兩個(gè)梯籠載重相互平衡，電梯架體端部沒有出現(xiàn)明顯傾斜；在單梯籠升降及雙梯籠對向升降狀態(tài)時(shí)，當(dāng)一側(cè)梯籠運(yùn)行到最高位置時(shí)，試驗(yàn)架體以主標(biāo)準(zhǔn)節(jié)中心為原點(diǎn)，向梯籠方向產(chǎn)生了明顯傾斜，并在電梯運(yùn)行至最高位置時(shí)，端部位移出現(xiàn)最大值，其中，第1高位附墻狀態(tài)的最大位移值為39.0 mm，第2高位附墻狀態(tài)的最大位移值為56.0 mm，均未超過試驗(yàn)預(yù)警值。

3.5 其他測試

為了驗(yàn)證試驗(yàn)系統(tǒng)的安全性，還進(jìn)行了隨機(jī)運(yùn)行高度、常規(guī)電梯對比測試等內(nèi)容，因篇幅有限故不進(jìn)行描述。在所有測試中，監(jiān)測到的應(yīng)變極值與頂部位移形變均未超過預(yù)警值[4-6]。

4 結(jié)語

結(jié)合理論研究、設(shè)備改進(jìn)安裝以及現(xiàn)場原型機(jī)測試，對施工電梯與外爬架一體化升降系統(tǒng)進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：

1）通過對不同工況、不同荷載狀態(tài)、不同附墻結(jié)構(gòu)下的電梯進(jìn)行運(yùn)行測試，其結(jié)構(gòu)體系的最大應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、最大位移響應(yīng)均未超過預(yù)警值。

2）雙籠同步升降時(shí)，其結(jié)構(gòu)體系中的應(yīng)力幅值和位移幅值最低，是試驗(yàn)電梯系統(tǒng)受力最穩(wěn)定、最安全的狀態(tài)；而單籠偏心運(yùn)行時(shí)，試驗(yàn)電梯系統(tǒng)受力最大、變形最大，是電梯在運(yùn)行過程中壓力最大的工況。

3）試驗(yàn)原型機(jī)的構(gòu)造設(shè)計(jì)滿足了電梯梯籠在超出固定附墻架以上位置運(yùn)行的安全條件，最高可實(shí)現(xiàn)施工電梯爬升至操作層，為實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供了理論和試驗(yàn)依據(jù)，這將有利于人員、材料的高效運(yùn)輸，極大地改進(jìn)了現(xiàn)有傳統(tǒng)模式下的施工電梯運(yùn)送方式，達(dá)到綠色施工、降本增效目的。