邓程通
（广东省建筑机械厂有限公司，广东，广州，510000）
【摘 要】文章从超高层建筑用施工升降机结构的角度入手，对有限元建模的基本条件进行了分析，然后研究了载荷以及结构计算方面的要点，最后对升降机结构进行了有限元分析，以此为后续升降机结构的设计分析提供参考与依据。
【关键词】 超高层建筑；升降机；结构；建模；有限元分析
升降机作为建筑施工中非常关键性的设备之一，其运行性能会对整个施工质量产生非常关键的影响。为了能够方便施工升降机结构参数的设计工作，本文研究适用于超高层建筑的施工升降机结构在建模方面的关键问题，望引起各方重视。
1 有限元建模
对于高度较高的施工升降机而言，其上部结构、中部结构、以及下部结构所使用的标准节有所不同，考虑到施工期间的安全性，附墙间距由三种不同的跨度所构成。其相应的设计值可以通过分析计算的方式加以确定。考虑到整个结构有桁架组成，导轨架与附墙架需啊哟以超静定桁架为标准建模，建模分析软件为ANSYS 软件，建模期间所使用的单元类型包括两个方面，其一是适用于BEAM 189 的升降机主结构建模单元，其二是适用于BEAM 44 的吊笼结构建模单元。图 1 即为升降机机构在导架底部以及附墙尾部添加约束作用力条件下所形成的约束关系示意图。图中“X/Z”均为的与铅垂相互垂直的两个方向所对应的位移约束，同时，来自附墙架于楼面上的连接则通过附墙架3 个方向的约束作用力表示。
建模中还必须考虑的一个问题是：升降机结构与其他相关部件并非表现为固定的连接关系，因此在有限元分析时必须通过耦合约束的方式完善分析过程。对于一般意义上的升降机结构而言，头架与导架部分、传动机构与导架部分、附墙架与标准节部分、以及导架与附墙架部分的连接都需要通过耦合方式实现。在建模过程当中，为了确保施工升降机结构的计算更加的精确与合理，就必须确保对结构连接形式的描述合理。但由于当前建筑施工中所使用的升降机结构很多连接是通过线接触、铰接、或者是销轴方式实现的，计算中可不做约束释放处理，一律作为铰接或刚性连接方式处理，由此可能导致计算结构的偏差非常严重。为了避免这一问题，就需要在约束关系的建立以及耦合简化时正确的看待结构形式，对结构传力，受力，以及接触方式进行综合分析。
2 载荷及其结构计算
2.1 载荷计算
在对载荷进行计算分析的过程当中，需要考虑的指标包括以下几个方面：①结构自重指标：该指标可以通过录入已知密度以及质量参数的方式，由程序自动计算得出；②对重指标：该指标可选择通过集中力的方式加载得知；③结构动载荷系数指标：该指标可参照现行国外已有BS4465 或EN12159 标准中的要求，按照1.522 取标准值（注意：在考虑到防坠安全器动作条件的情况下，动载荷系数取值可调整为1.615）；④风载荷作用力指标：在对该指标进行计算分析时，必须综合对非工作状态、工作状态这两种情况的综合考量。参照现行起重机设计规范中的要求来看，风载荷的计算可以通过如下式实现：风载荷作用力＝风力系数（工作状态下取值1.3，非工作状态下取值1.0）*高度系数（工作状态下可忽略，非工作状态下取值（总高度/10）0.3）*计算风压取值*迎风面积*风振系数（一般情况下按照1.5 计算）。
特别需要说明的一点是：在非工作工况下，风力沿导架的45°方向吹起，因此，可以考虑将非工况分析状态下的风载高度系数进行单元性划分，以50.0m 作为间隔区间，设置多个变化工作区，以各个工作区的中点高度作为计算标准值。同时，由于吹起角度为45°，因此风载荷还可进一步分解为两个方向相互垂直，大小一致的载荷作用力。
2.2 结构计算
通过对大量超高层建筑用施工升降机应用实践经验的综合分析认为，在施工升降机的作业期间，危险系数较高的工况有两种类型：其一是工作工况，其二是非工作工况。首先，从工作工况的角度上来说，最不利的工况在于：升降机两个吊笼均处于满载状态下，其中A 吊笼处于导架顶部（对重区域为导架底部），B 吊笼处于导架底部（对重区域为导架顶部），风载荷为主要承受作用力。其次，从非工作工况的角度上来说，最不利的工况在于：升降机两个吊笼均处于空载状态下，A、B 吊笼对重均位于导架顶部。
3 有限元分析
3.1 计算方法
超高层建筑用施工升降机所对应的有限元模式实质上是通过弹性杆件构成的超静定桁架结构。在外部作用力的影响下，弹性梁会产生一定程度上的应变力、位移力、以及内力。在这一状态下，对梁体结构的有限元分析实质上就是对梁结构三类变量进行求解的过程。在定义应变力为（χ，γ），位移作用力为（ω，θ），内力为（M，Q）的情况下，梁体结构承受外力的影响下其处于平衡状态，所对应的三类变量应当同时满足以下要求：
第一，内力与外力的对应关系需要满足如下方程：
梁体结构相对于x 的二阶导数＋梁体结构上横向分布荷载作用力＝0；（x∈[0，梁体跨度]）
第二，曲率与挠度的对应关系需要满足如下方程：
梁体结构曲率＝﹣梁体结构挠度相对于x 的二阶导数；（x∈[0，梁体跨度]）
第三，内力与曲率的对应关系需要满足如下方程：
梁体结构弯矩作用力＝梁体结构抗弯强度*梁体结构曲率；（x∈[0，梁体跨度]）
3.2 屈曲分析
由于此类施工升降机所适用的建筑物为超高层建筑物，其结构类型为超高型受压桁架结构，因此在有限元分析中必须对其结构的稳定性进行单独计算。考虑结构受压作用的影响，在载荷作用力增大的条件下，弱化效应表现更为明显。在达到某个特定载荷后，弱化效应＞结构自身固有强度。出现此情况后，净刚度可直接忽略，且位移作用力无限增大，此时可判定为结构整体出现屈曲。
在ANSYS 有限元分析中，针对造成结构出现负刚度状态的应力刚度矩阵比例因子进行计算，可以直接引入特征值公式，对应如下所示：
（刚度矩阵＋特征值*应力刚度矩阵）*位移特征矢量＝0；
通过对该式的计算分析可以确定整个施工升降机结构所对应的分叉点，针对分叉点已知的分析结构而言，在达到屈曲载荷前，其所对应的位移-变形曲线有线性相关性关系。
4 结束语
施工升降机中很多连接形式在有限元模型中的合理的简化和表达在模型计算中非常重要。对于多数结构部件之间的焊接，需要根据实际的安装形式在模型中采用耦合的方法，释放某些方向的自由度,以保证载荷传递的正确性，这需要结构设计人员和有限元分析师共同合作完成。本文即从升降机结构建模的角度入手展开分析，望引起重视。
参考文献：
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作者简介：
邓程通（1983-）男，广东电白人，机械工程师，本科，从事工作：技术支持。
论文作者:邓程通
论文发表刊物:《工程建设标准化》2015年5月总第198期供稿
论文发表时间:2015/9/15
标签：结构论文; 载荷论文; 升降机论文; 建模论文; 作用力论文; 工况论文; 工作论文; 《工程建设标准化》2015年5月总第198期供稿论文;