施工電梯與外爬架一體化工作系統(tǒng)試驗研究

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計院有限公司 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. 廣州特威工程機械有限公司 廣東 廣州 510000；5. 廣州達蒙安防科技有限公司 廣東 廣州 510000

為解決在爬架工程中，施工電梯不能運行至爬架樓層導致的施工人員上下作業(yè)面費時費力的現(xiàn)狀，將電梯與外爬架進行集成，研發(fā)設計了一套“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 原型機模型

為驗證該系統(tǒng)是否能滿足安全要求，特進行了原型機的測試。原型機安裝在廣州某項目3#樓的西南側1—16F陽臺位置，該項目為住宅項目，共24層，高度為85 m。為不影響實體工程施工作業(yè)，原型機由1個爬架單元（雙機位）和1臺SC200/200型電梯組成，獨立組裝，不參與施工，僅作為試驗測試使用，如圖2所示。

圖2 試驗場地外觀

1 原型機的安裝

原型機由施工電梯標準組件、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）〕共同組成上部結構，承擔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。原型機于2017年1月進場，3月在結構第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構進行反復試驗和改造調整。原型機的安裝工藝如圖3、圖4所示。

圖3 試驗原型機安裝流程

圖4 試驗原型機安裝現(xiàn)場

2 原型機現(xiàn)場試驗

2.1 電梯登頂試驗

根據(jù)原型機的功能設計，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。在完成原型機安裝后，我們使用施工電梯的檢修工況模式，同時使用2個梯籠同步運行至爬架頂部樓層，模擬了電梯的登頂狀態(tài)[1-3]。

2.2 從電梯進入樓層試驗

施工人員在本電梯系統(tǒng)中，不僅可以進入爬架層覆蓋的樓層，還能夠自由進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計。當施工電梯到達指定樓層后，電梯內人員先上推梯門，打開爬架通道門，再推動電梯翻板門，實現(xiàn)了施工電梯在爬架覆蓋樓層“穿架進樓”的目的。

2.3 同步提升試驗

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

圖5 提升機位荷載情況

由于摩擦力作用，提升過程各提升點荷載值存在一定程度的波動狀態(tài)，當處于正常提升狀態(tài)時，各點位不會出現(xiàn)大幅度激增。在該項目中，進行了9次提升試驗和1次下降試驗，爬架機位最大荷載為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個機位所使用的電動葫蘆單個最大荷載為60 kN，運行時均未出現(xiàn)故障（圖6）。

圖6 同步提升

2.4 電梯荷載監(jiān)測試驗

2.4.1 試驗狀態(tài)及監(jiān)控點布置

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

表1 原型機測試時位置狀態(tài)

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

圖7 JM3841動態(tài)應變測試系統(tǒng)

圖9 位移監(jiān)測點位置

圖8 TS50自動觀測機器人

2.4.2 試驗條件設計

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

圖10 試驗工況示意

2）對每種工況進行5級荷載試驗，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）對高位附墻結構中的斜拉桿設置進行試驗，設置了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種高位附墻結構是基于最上面一道活動附墻座和斜拉桿的?？赡芤蚧炷笼g期較短，強度不足、錨固不牢，故提出此種狀態(tài)下是否仍能夠滿足系統(tǒng)安全需要而進行的試驗狀態(tài)。

圖11 設計及兩種高位附墻斜拉桿試驗狀態(tài)

4）試驗預警值設計。本試驗中，所有施工電梯部件材料為Q235鋼，按照鋼結構的許用應力值計算，應變報警值設為785 με，其中：鋼材屈服強度取235 MPa，安全系數(shù)取1.5，鋼材彈性模量取200 GPa，許用應力為157 MPa。電梯在運動狀態(tài)時，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》中5.2.3條“塔吊在空載，風速不大于3 m/s狀態(tài)下，獨立狀態(tài)塔身（或附著狀態(tài)下最高附著點以上塔身）軸心線的側向垂直度允差為4/1 000”的要求進行設計。在進行試驗時，電梯主標準節(jié)最高位置超出最后一道固定附墻的部分高度約26.8 m，則設計標準節(jié)最高自由端允許位移為100 mm＜26.8 m×4/1 000。

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

圖12 荷載堆積

3 試驗結果及分析

由于試驗內容較多，數(shù)據(jù)量大，僅主要對最大荷載（25 kN）時的試驗數(shù)據(jù)進行分析。

3.1 電梯運行位置狀態(tài)

試驗時，采用遠距離線控的方式操作電梯運行，這樣的好處是設備響應迅速，人員安全。啟動時，電梯梯籠在短暫加速度后，以46 m/min勻速運行，在進入頂部預設的停止位置時，由電梯的限位器自動控制電梯停止（該操作僅在測試試驗中進行）。

根據(jù)測試區(qū)域的高度和電梯速度，可測出單個梯籠從1F開始上升時，在第34秒時到達第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構上運行；到第68秒時，電梯將達到最高位置，此后電梯短暫停滯后，將開始下降；到第102秒時，電梯回到第8F高度，離開高位附墻結構，重新到達常規(guī)附墻；在第136秒左右，電梯?？吭?F，完成一個試驗周期。該時間周期在單梯籠升降、雙梯籠同步升降試驗中相同，在雙籠對向升降測試中，在第1個梯籠運行68秒后，啟動第2個梯籠。

3.2 最大應變位置

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

表2 25 kN荷載下單梯籠測試中梯籠最高位置時各測點情況

在測試中，無論進行哪一種附墻結構，均未在斜拉桿上測出明顯應變。經分析，本次試驗中，由于斜拉桿采用萬向鉸進行固定，且未做八字形布設，僅能提供沿桿件軸向的約束力，對因電梯荷載產生的偏心荷載，沒有起到約束作用。

3.3 應變曲線分析

1）根據(jù)試驗電梯在8F固定附墻位置監(jiān)測到的最大應變反應，我們對比了不同試驗條件下，電梯運行過程中的應變數(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變曲線如圖13所示，各試驗組中出現(xiàn)的正負應變極值如表3所示，均低于測試預警值（785 με）。

圖13 各工況最大應變監(jiān)測點的動態(tài)應變曲線

表3 監(jiān)測試驗中最大應變反應值對比情況

2）在單籠、雙籠對升降試驗中，8F固定附墻架上的應變片在試驗啟動時數(shù)值較小，一般在試驗進行到34.0 s時，應變開始出現(xiàn)顯著增加；試驗進行到102.0 s時，應變曲線又重新降低并趨于平緩。結合電梯位置狀態(tài)分析，電梯梯籠在34.0～102.0 s時，電梯梯籠的運行區(qū)間是高位附墻結構中，8F附墻架位置的應力應變出現(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動時，對試驗電梯架體系統(tǒng)影響較小。

3）以單籠運行試驗進行分析（圖14），結合表1中應變片的粘貼位置，可以發(fā)現(xiàn)試驗是以靠近8F-3和8F-4應變片一側的梯籠進行運行。當梯籠從底部上升至最后一道固定附墻時，靠近梯籠一側的8F-3和8F-4應變片出現(xiàn)了顯著應變，而遠離梯籠的8F-1和8F-2應變片反應略小。隨著電梯上行，各測點很快出現(xiàn)最大值。結合應變曲線可以發(fā)現(xiàn)，8F-3應變片在桿件內側，表現(xiàn)出受拉狀態(tài)（應變?yōu)檎担?F-4應變片在桿件外側，表現(xiàn)出受壓狀態(tài)（應變?yōu)樨撝担?，與梯籠的運行位置一致。

3.4 位移情況監(jiān)測及分析

使用TS50自動觀測機器人，對布設在施工電梯主標準節(jié)最高自由端上的反射棱鏡進行自動追蹤記錄。圖15～圖17是試驗電梯分別在不同運行工況，兩種附墻結構下最大荷載時的電梯自由端位移變化曲線。

圖15 單籠升降工況最大運行荷載電梯自由端位移

圖16 雙籠同步升降工況最大運行荷載電梯自由端位移

圖17 雙籠對向升降工況最大運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，當一側梯籠運行到最高位置時，試驗架體以主標準節(jié)中心為原點，向梯籠方向產生了明顯傾斜，并在電梯運行至最高位置時，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，均未超過試驗預警值。

3.5 其他測試

為了驗證試驗系統(tǒng)的安全性，還進行了隨機運行高度、常規(guī)電梯對比測試等內容，因篇幅有限故不進行描述。在所有測試中，監(jiān)測到的應變極值與頂部位移形變均未超過預警值[4-6]。

4 結語

結合理論研究、設備改進安裝以及現(xiàn)場原型機測試，對施工電梯與外爬架一體化升降系統(tǒng)進行了研究，研究結果表明：

1）通過對不同工況、不同荷載狀態(tài)、不同附墻結構下的電梯進行運行測試，其結構體系的最大應力應變狀態(tài)、最大位移響應均未超過預警值。

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

3）試驗原型機的構造設計滿足了電梯梯籠在超出固定附墻架以上位置運行的安全條件，最高可實現(xiàn)施工電梯爬升至操作層，為實現(xiàn)該系統(tǒng)的實際應用提供了理論和試驗依據(jù)，這將有利于人員、材料的高效運輸，極大地改進了現(xiàn)有傳統(tǒng)模式下的施工電梯運送方式，達到綠色施工、降本增效目的。