陸 峰，趙金寶

（沈陽(yáng)建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧，沈陽(yáng)，110168）

0 引言

近年來, 隨著中國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，國(guó)家經(jīng)濟(jì)得到了高速發(fā)展。在此背景下中國(guó)城市化發(fā)展使得城市用地更加緊張。大量功能化高層、超高層建筑出現(xiàn)同時(shí)也因?yàn)槠鋸?fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)、多樣的功能、密集的人口分布、樓內(nèi)縱橫交錯(cuò)的復(fù)雜管路及內(nèi)部存有高火災(zāi)載荷物品等因素，使得高層建筑的火災(zāi)發(fā)生概率大大增加。統(tǒng)計(jì)資料表明,近十年,國(guó)內(nèi)每年發(fā)生高層建筑火災(zāi)上萬起,每年平均國(guó)內(nèi)發(fā)生高層建筑火災(zāi)18432 起,736 人死亡,1166 人受傷,直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)314 億元[1]。根據(jù)消防部發(fā)布的一則數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)現(xiàn)有落成的各類高層、超高層建筑中在人們的視野中，成為城市中不可或缺的一道風(fēng)景線。但是，各類地標(biāo)性高層、超高層建筑的消防基礎(chǔ)設(shè)施合格率較低，加之樓內(nèi)人口密度較大，一旦發(fā)生火災(zāi)樓內(nèi)人員只能通過樓道進(jìn)行逃生。而由于高層建筑多在300m 以上，垂直逃生距離較長(zhǎng)，此外火災(zāi)發(fā)生時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量煙氣，煙氣在樓道內(nèi)向上高速擴(kuò)散，與向下逃生的受災(zāi)人員相反，因此難以在較短時(shí)間內(nèi)將人員全部撤離火災(zāi)發(fā)生區(qū)[2]。受災(zāi)人員常因得不到及時(shí)有效的救援，加之火場(chǎng)煙氣較大極易發(fā)生踩踏，摔傷等危險(xiǎn)。

本課題涉及的高層建筑消防救援平臺(tái)是一種科技含量較高的機(jī)電一體化設(shè)備，其性價(jià)比高、使用操作方便，針對(duì)上述高層、超高層建筑的消防救援工作中所面臨的樓外救援難題，整合現(xiàn)有高層建筑消防現(xiàn)有設(shè)備及相關(guān)技術(shù)，創(chuàng)新突破，優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了可在高層、超高層建筑火災(zāi)中發(fā)揮消防滅火、救人、排煙、供水等功能，提高高層建筑的消防救援工作效率，極大程度的保護(hù)了火場(chǎng)中受災(zāi)人員及消防工作人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。彌補(bǔ)我國(guó)高層、超高層建筑火災(zāi)消防救援裝備方面存在的不足，大大提升消防部門處置高層、超高層建筑火災(zāi)的能力，為高層、超高層建筑創(chuàng)造良好的消防安全環(huán)境。

1 消防救援平臺(tái)的結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)

根據(jù)《高處作業(yè)平臺(tái)GB19155-2003》設(shè)計(jì)消防救援平臺(tái),平臺(tái)主要采用2 米的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)通過螺栓連接而成材料均為Q235A，自重800kg，具體尺寸為（長(zhǎng)×寬×高/mm）[3]為額定載荷為800 kg，相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1。圖1、圖2為平臺(tái)組成及工作流程。

表1 消防救援平臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1Firerescueplatform designparameters

圖1 消防救援平臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.1 Fire rescue platform structure schematic drawing

圖2 消防救援平臺(tái)工作示意圖Fig.2 Fire rescue platform working schematic drawing

平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主要由底座、護(hù)欄、提升機(jī)安裝架組成其基本結(jié)構(gòu)，底架由邊梁連接橫梁和焊接在其上的花紋地板組成；護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主要由橫桿、豎桿和起加強(qiáng)作用的加強(qiáng)桿焊接在一起，位于平臺(tái)兩端的提升機(jī)安裝架用于安裝提升機(jī)和起安全作用的安全鎖；此外平臺(tái)還包括一些功能附件，如平臺(tái)上具有救生伸縮爬梯、電動(dòng)升降器、安全保護(hù)裝置、動(dòng)力提升裝置、錨式固定索及救生拋投錨鉤發(fā)射器、拉力傳感器及限載警報(bào)器、消防滅火裝備。

2 消防救援平臺(tái)屈曲分析

對(duì)于消防救援平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，其不同位置的桿件受到不同的拉力或壓力，因此，在設(shè)計(jì)過程中需注意平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)在受各類力的作用時(shí)穩(wěn)定性會(huì)有哪些變化,通過分析得出易發(fā)生失穩(wěn)的位置，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡量避免結(jié)構(gòu)失穩(wěn)進(jìn)而降低不安全因素。否則，很容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。一旦失穩(wěn)現(xiàn)象出現(xiàn)將會(huì)影響平臺(tái)的整體穩(wěn)定性甚至?xí)a(chǎn)生破壞[4]。因此有必要研究結(jié)構(gòu)的屈曲性能，找出容易失穩(wěn)的部位和先后順序，根據(jù)分析結(jié)果可以對(duì)平臺(tái)局部進(jìn)行強(qiáng)化和改進(jìn)，從而增加平臺(tái)的穩(wěn)定性。

2.1 有限元屈曲分析概述

屈曲分析常用于分析結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，屈曲即是指所分析結(jié)構(gòu)因外部載荷的變化發(fā)生失穩(wěn)，致使平臺(tái)無法正常工作。實(shí)際工程中結(jié)構(gòu)的臨界載荷和屈曲模態(tài)的確定就是通過上述方法而得。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析常用以下兩種分析辦法：特征值屈曲分析（線性屈曲分析）和非線性屈曲分析[5～6]。

線性屈曲分析所分析的結(jié)果是理論屈曲強(qiáng)度，這種分析主要適用于理想的彈性結(jié)構(gòu)，通常會(huì)產(chǎn)生比較保守的分析結(jié)果，但線性屈曲分析有以下優(yōu)點(diǎn)：比非線性屈曲分析計(jì)算更節(jié)省時(shí)間，并且應(yīng)當(dāng)作第一步計(jì)算來評(píng)估臨界載荷（屈曲開始發(fā)生時(shí)的載荷）；線性屈曲分析可以用來作為決定產(chǎn)生什么樣的屈曲模型形狀的設(shè)計(jì)工具，為設(shè)計(jì)做指導(dǎo)。線性屈曲分析所確定結(jié)構(gòu)的臨界載荷和各階屈曲模態(tài)無需經(jīng)過復(fù)雜的分析過程其數(shù)學(xué)方程如下所示：

式中：λ—特征值；{φ}—向量；[Kβ]—?jiǎng)偠染仃嚕籟Kσ]—初應(yīng)力矩陣。

本文選取線性屈曲分析對(duì)平臺(tái)穩(wěn)定性進(jìn)行研究，對(duì)其載荷和約束做如表2 所示。

2.2 高處作業(yè)懸吊平臺(tái)特征值屈曲分析

根據(jù)上述載荷及約束條件下，結(jié)合實(shí)際工程需要對(duì)平臺(tái)進(jìn)行的特征值分析階數(shù)無需過高，本文選取5 階進(jìn)行分析。我們可以根據(jù)分析結(jié)果對(duì)平臺(tái)進(jìn)行評(píng)價(jià)：

表2 消防救援平臺(tái)載荷參數(shù)Tab.2Firerescueplatform loadparameters

其中：Fs—臨界載荷；F—加載的實(shí)際載荷；U—載荷因子；相應(yīng)的屈曲模態(tài)如圖3～5 所示。

圖3 第一階屈曲模態(tài)Fig.3 First step buckling modality

圖4 第三階屈曲模態(tài)圖Fig.4 Third step buckling modality

圖5 第五階屈曲模態(tài)Fig.5 Fifth step buckling morality

2.3 消防救援平臺(tái)屈曲分析結(jié)果

由上文可知在實(shí)際分析時(shí)線性屈曲分析結(jié)果僅作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參考，這是因特征值分析結(jié)果相對(duì)保守。此外，線性屈曲分析的載荷值較大，結(jié)構(gòu)在沒有達(dá)到這一計(jì)算值時(shí)可能已經(jīng)發(fā)生了結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)[7]。為了確保消防救援平臺(tái)具有良好的穩(wěn)定性，根據(jù)上述分析的結(jié)果得出不同屈曲模態(tài)的階數(shù)下的變形位置及失穩(wěn)規(guī)律，各階結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)形式如表3 所示。

表3 結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)形式Tab.3 Thestructureoftheform ofinstability

通過上表發(fā)現(xiàn)平臺(tái)的主要失穩(wěn)部位有外中間護(hù)欄橫桿、外中間護(hù)欄橫桿及豎桿、內(nèi)中間護(hù)欄橫桿、內(nèi)中間護(hù)欄橫桿及豎桿。共同失穩(wěn)有兩種趨勢(shì)，即隨著載荷的增加護(hù)欄中間標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段上橫桿由中間逐步向兩側(cè)發(fā)生失穩(wěn)；當(dāng)護(hù)欄中間標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段上橫桿失穩(wěn)到一定程度后會(huì)帶動(dòng)附近的豎桿發(fā)生自上而下的失穩(wěn)，甚至?xí)跋聶M桿發(fā)生一定失穩(wěn)。消防救援平臺(tái)在實(shí)施救援工作時(shí)，因其火場(chǎng)存在諸多復(fù)雜外界條件，如火場(chǎng)氣流引起的風(fēng)載，平臺(tái)在救人過程中發(fā)生偏載，平臺(tái)移動(dòng)過程中的平穩(wěn)性等一系列工況都會(huì)使平臺(tái)受到較大的慣性力影響，導(dǎo)致平臺(tái)發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)現(xiàn)象。降低平臺(tái)的安全可靠性，因此，需加強(qiáng)工作人員對(duì)消防救援平臺(tái)的操控，開展火場(chǎng)救援工作時(shí)在行走和急停過程中速度不應(yīng)發(fā)生過大的突變，防止因速度的聚變產(chǎn)生沖擊載荷，致使平臺(tái)發(fā)生危險(xiǎn)。所以應(yīng)在保證平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下提高救援質(zhì)量和效率。

3 消防救援平臺(tái)的優(yōu)化及結(jié)論

優(yōu)化就是指在多種設(shè)計(jì)方案中選取一種既能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能的最大化又可以降低結(jié)構(gòu)成本的設(shè)計(jì)方案。在設(shè)計(jì)過程中要同時(shí)滿足最優(yōu)的功能設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可能會(huì)發(fā)生一些矛盾的設(shè)計(jì)，在此時(shí)要在能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本功能的前提下對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。本文在消防救援平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)其基本救援功能的基礎(chǔ)上對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計(jì)日益收到工業(yè)界的重視。結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的在于降低制造成本，改善產(chǎn)品外形，提高產(chǎn)品品質(zhì)。如結(jié)構(gòu)的總重量最輕。這些解需要滿足一定的約束條件，如桿件中的應(yīng)力小于許用應(yīng)力。在結(jié)構(gòu)力學(xué)中，可以精確分析一個(gè)承受給定載荷的結(jié)構(gòu)而求得應(yīng)力變形，卻有可能不清楚應(yīng)該如何布置和配置一個(gè)結(jié)構(gòu)，使之有效地限制最大變形又可滿足約束條件[8]。

（1）將標(biāo)準(zhǔn)節(jié)護(hù)欄上豎向加強(qiáng)桿的數(shù)量減少，在2m范圍內(nèi)均布2 個(gè)，減小護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的重量，同時(shí)優(yōu)化下側(cè)加強(qiáng)桿的分布型式，改善其受力狀況，降低變形程度和應(yīng)力集中的狀態(tài)。

（2）在豎桿和護(hù)欄橫桿連接部位內(nèi)外兩側(cè)個(gè)增加一塊加強(qiáng)板，有效的減小應(yīng)力集中，防止由于超載等復(fù)雜工況下導(dǎo)致護(hù)欄連接部位的連接失效。

4 結(jié)論

（1）利用三維Solidworks 對(duì)消防救援平臺(tái)進(jìn)行建模直觀的給出了消防救援平臺(tái)的組成結(jié)構(gòu)，并根據(jù)其實(shí)際應(yīng)用需求確定消防救援平臺(tái)的技術(shù)參數(shù)。

（2）結(jié)合有限元分析軟件Ansys Workbench，對(duì)消防救援平臺(tái)進(jìn)行了5 階屈曲分析，通過分析得出不同屈曲模態(tài)的階數(shù)下的兩種共同失穩(wěn)有趨勢(shì)，即隨著載荷的增加護(hù)欄中間標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段上橫桿由中間逐步向兩側(cè)發(fā)生失穩(wěn)；當(dāng)護(hù)欄中間標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段上橫桿失穩(wěn)到一定程度后會(huì)帶動(dòng)附近的豎桿發(fā)生自上而下的失穩(wěn)，甚至?xí)跋聶M桿發(fā)生一定失穩(wěn)。

（3）通過對(duì)平臺(tái)的屈曲分析找出平臺(tái)在正常工況下易發(fā)生失穩(wěn)變形的位置，在設(shè)計(jì)過程中在豎桿和護(hù)欄橫桿連接部位內(nèi)外兩側(cè)個(gè)增加一塊加強(qiáng)板優(yōu)化平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，增加平臺(tái)在使用過程中的安全性。

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