超高層-框-筒-結(jié)構(gòu)中內(nèi)爬式塔吊附著節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能分析

超高框-筒結(jié)構(gòu)中內(nèi)爬式塔吊附著節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能分析姚佳琳1張家偉2王澤云3(1．西華大學(xué)西華學(xué)院四川成都9;2．重慶大學(xué)土木工程學(xué)院重慶5;3．西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院四川成都9)摘要:塔吊的安全性和穩(wěn)定性決定著整個(gè)工程項(xiàng)目能否順利進(jìn)行。為了確保塔吊的安全需要對(duì)塔吊附著節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能進(jìn)行分析。本文以某工程項(xiàng)目為背景用S軟件建立了內(nèi)爬式塔吊附著節(jié)點(diǎn)的模型分析了附著節(jié)點(diǎn)中牛腿部件的安全儲(chǔ)備情況改變附著墻體混凝土級(jí)別墻厚和預(yù)埋件結(jié)構(gòu)形式后附著墻體和預(yù)埋件的受力性能為此類附著點(diǎn)的設(shè)計(jì)和施工提供了經(jīng)驗(yàn)。關(guān)鍵詞:內(nèi)爬式塔吊;混凝土墻體;預(yù)埋件中圖分類號(hào):.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào)8－3(4)2－5－5MecacalroeryaaysoneaacetoferalcgoercraenerghraeercreOialin1Giaei2Geyun3(1．lfaayu9a;2．lflggyg5a;3．lfedlgayu9a)t:eydyfreneetndyrt．ssnretsyoeeyfre．srsatsadgetlfrgreyS．eynftsntsd．Mlsftlddtsodnnftefeesfelddsegerendnnsdft．Kys:lgre;el;dt0 前 言塔吊是超高層建筑中必不可少的施工機(jī)械塔吊工作的安全性和穩(wěn)定性決定著整個(gè)工程項(xiàng)目能否順利進(jìn)行。內(nèi)爬式塔吊通過(guò)附著框架附著于已建墻柱上支承鋼梁通過(guò)高強(qiáng)螺栓固定于焊接在預(yù)埋件上的鋼牛腿上。其附著框架及支架的安全性極為重要國(guó)內(nèi)一些學(xué)者亦對(duì)此進(jìn)行了分1］為了保證塔吊安全地工作內(nèi)爬式塔吊的附著部件必須要有足夠的安全儲(chǔ)備基于此本文對(duì)附著框架的支承鋼牛腿進(jìn)行了驗(yàn)算對(duì)塔吊附著節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了力學(xué)性能收稿日期20140122作者簡(jiǎn)介:姚佳琳(1992－)女重慶人西華大學(xué)西華學(xué)院土木工程專業(yè)學(xué)生。E－al:qu@p．na．m

分析。1 工程背景某工程項(xiàng)目用地面積7942m2總建筑面積177756m2其中地上145125m2地下32631m2地上65層地下5層塔樓總高度296.5］。主體結(jié)構(gòu)為框架核心筒結(jié)構(gòu)內(nèi)部核心筒為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)外部筒體為由鋼管混凝土柱組成的豎向支撐體系。工程施工面積廣工期緊吊裝量大故選用兩臺(tái)S420型動(dòng)臂式內(nèi)爬式塔吊分別布置在核心筒東北和西南角的電梯井內(nèi)塔吊平面布置如圖1所示。2 承載主鋼梁副鋼梁的牛腿性能分析焊接在預(yù)埋件上的鋼牛腿由面板和勁板組合而圖1塔吊平面布置g．1ernfre圖2牛腿受力示意g．2scmflt成所有牛腿的面板和勁板均采用相同厚度的鋼材，牛腿各部件經(jīng)臨時(shí)固定安裝后運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)高空焊接于埋置在已建墻柱的預(yù)埋件面板上。牛腿鋼材參數(shù)見(jiàn)表1。表1牛腿鋼材參數(shù)e1erflt

圖3主鋼梁牛腿等效應(yīng)力g．3nssnfetfenlm圖4副鋼梁牛腿等效應(yīng)力g．4nssnfetfeelm知應(yīng)力較大處位于牛腿面板的螺栓孔附近牛腿與鋼材型號(hào) 鋼材厚度/m

彈性模量/(N/m3)

密度/(kg/m3)

泊松比

預(yù)埋件面板的焊縫連接處以及牛腿勁板靠近支承鋼梁的部位牛腿的最大位移矢量和位置則位于牛腿345B 40 206000 7850 0．3本文采用有限元分析軟件BS中320

面板靠近支承鋼梁的邊緣。由圖5圖6計(jì)算結(jié)果可知牛腿整體計(jì)算模型的最大等效折算應(yīng)力為單元對(duì)鋼牛腿進(jìn)行模擬計(jì)算。鋼牛腿焊接于預(yù)埋件

255.8N/m2

＜f=265N/m2

＜f=345N/m2最y面板故將預(yù)埋件面板邊界條件設(shè)置為固接。為了驗(yàn)算牛腿的安全儲(chǔ)備施加在模型上的荷載取值為塔吊公司提供數(shù)據(jù)中的最大值豎向力取值為220y

大位移矢量和為0.471m皆滿足要求。表2主副鋼梁最大參數(shù)數(shù)值e2emrsflmt水平力取值為55t。塔吊附著框架的支撐鋼梁通

參數(shù) Mxmax/(kN·m)

Mymax/(kN·m)

VmaxkN

Nmax/kN

Wmax/m過(guò)高強(qiáng)螺栓支承于鋼牛腿面板上為使計(jì)算模型更接近實(shí)際受荷方式豎向力以均布面荷載施加于牛腿面板水平力經(jīng)均分耦合后施加于螺栓孔側(cè)壁。經(jīng)BS分析后得到了附著框架主鋼梁和副鋼梁牛腿的應(yīng)力及變形圖(圖34)。由圖3圖4主副鋼梁牛腿等效應(yīng)力分布可

主鋼梁 1023 255．5 716．2 273．3 2．59副鋼梁 587．5 26．6 782．7 144．9 2 在施加最大荷載的情況下牛腿承載力儲(chǔ)備仍在25%以上且位移矢量為允許最大位移的18%。所以采用這種形式的牛腿具有足夠的承載力與剛度可以保證內(nèi)爬式塔吊在工作狀態(tài)及非工作狀態(tài)圖70混凝土墻體拉應(yīng)力g．7Mxlnf0el圖5主鋼梁牛腿位移矢量g．5trnfetfenlm圖8牛腿預(yù)埋件等效折算應(yīng)力g．8Mstsnftds圖6副鋼梁牛腿位移矢量g．6trnfetfeelm皆有足夠的安全儲(chǔ)備。3 附著節(jié)點(diǎn)分析塔吊荷載的傳力路徑一般為塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)→頂升框架→附著框架→預(yù)埋件→建筑主體結(jié)構(gòu)。附著節(jié)點(diǎn)建模時(shí)先分別建立混凝土墻體鋼筋骨架預(yù)埋件和牛腿部件再通過(guò)裝配和相互作用組合而成。當(dāng)內(nèi)爬式塔吊附著框架位于高層建筑下部樓層時(shí)核心筒剪力墻厚度為700m混凝土采用70。塔吊荷載根據(jù)塔吊公司提供的S420動(dòng)臂式內(nèi)爬式塔式起重機(jī)內(nèi)爬各階段對(duì)核心筒的作用力表選取最大荷載值即豎向力為220t水平力為55t荷載簡(jiǎn)化為均布荷載施加于附著節(jié)點(diǎn)牛腿面板上分析結(jié)果如圖78所示。根據(jù)分析結(jié)果可知附著墻體的最大主應(yīng)力為2.95a＜2.99a(70混凝土抗拉強(qiáng)度值)預(yù)

埋件最大等效折算應(yīng)力為115.3a＜295a＜345a均滿足混凝土規(guī)范要求;同時(shí)可見(jiàn)附著墻體的最大拉應(yīng)力處主要分布在預(yù)埋件面板的兩側(cè)及上部中間兩列錨板處的附著墻體拉應(yīng)力較大;預(yù)埋件主要受力部位分布于面板的上半部分及上部?jī)膳佩^板處極值位于一排中部?jī)蓧K錨板與面板的連接處。3．1 混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)附著節(jié)點(diǎn)受力性能的影響為了分析混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)附著節(jié)點(diǎn)受力性能的影響將附著節(jié)點(diǎn)模型的混凝土強(qiáng)度等級(jí)分別設(shè)置為6560和50根據(jù)拉應(yīng)力分布圖在混凝土墻體上選取20個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析結(jié)果如圖910所示根據(jù)等效折算應(yīng)力分布圖在不同等級(jí)混凝土預(yù)埋件上選取12個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析結(jié)果如圖1112所示。表3不同等級(jí)混凝土墻體峰值應(yīng)力e3 ekesfeelfthe混凝土等級(jí) 70 65 60 50墻體峰值應(yīng)力/a 2．95 2．92 2．87 2．65抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值/a2．99 2．93 2．852．64抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值/a2．14 2．09 2．041．89 圖95混凝土墻體拉應(yīng)力g．9Mxllsnf5el 圖0相同特征點(diǎn)下不同等級(jí)混凝土墻體拉應(yīng)力對(duì)比g．0Mxllstfeelfthenlct

圖2相同特征點(diǎn)下不同等級(jí)混凝土預(yù)埋件等效應(yīng)力對(duì)比g．2tstftdsfeelfthenlct變化但當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)變更為50時(shí)等效折算應(yīng)力有顯著的增加但都在規(guī)范要求范圍內(nèi)。所以對(duì)于厚度一定的塔吊附著墻體混凝土強(qiáng)度等級(jí)的變化會(huì)對(duì)附著墻體的拉應(yīng)力產(chǎn)生一定的影響工程實(shí)踐中需要慎重考慮這方面因素從而選擇合理的混凝土等級(jí)來(lái)保證塔吊運(yùn)行時(shí)具有足夠的安全儲(chǔ)備。3．2剪力墻厚度對(duì)附著節(jié)點(diǎn)受力性能的影響按核心筒剪力墻厚度隨著建筑高度的增加由700m遞減為500m建立不同厚度的混凝土墻體附著節(jié)點(diǎn)模型部分附著墻體及預(yù)埋件的分析結(jié)果如圖1314所示。圖10預(yù)埋件折算應(yīng)力g．1tnsnftdsn0el從表3結(jié)果可知此時(shí)附著墻體混凝土已部分開(kāi)裂;對(duì)預(yù)埋件來(lái)說(shuō)等效折算應(yīng)力值產(chǎn)生了細(xì)微的

圖30m厚0混凝土墻體拉應(yīng)力g．3Mxllsnf0elness0m根據(jù)分析結(jié)果可知當(dāng)附著墻體厚度更改為600m和500m時(shí)墻體最大拉應(yīng)力峰值皆符合規(guī)范要求即小于混凝土抗拉強(qiáng)度值;但在附著墻體厚度減小時(shí)峰值拉應(yīng)力的分布范圍逐漸擴(kuò)大附著墻體負(fù)荷增大及當(dāng)附著墻體厚度進(jìn)一步減少時(shí)混 圖40m厚預(yù)埋件等效折算應(yīng)力g．4nssnfdsness0m凝土?xí)恢饾u拉壞。而在這其中的預(yù)埋件應(yīng)力分布變化甚微且峰值等效折算應(yīng)力符合要求。3．3 預(yù)埋件結(jié)構(gòu)形式對(duì)附著節(jié)點(diǎn)受力性能的影響附著墻體厚度變更為400m時(shí)通過(guò)建立模型計(jì)算可知峰值拉應(yīng)力分布范圍進(jìn)一步擴(kuò)大而接近開(kāi)裂。所以當(dāng)附著墻體厚度減小到一定程度后，需要采取一定處理措施通過(guò)改變預(yù)埋件的結(jié)構(gòu)形式采用了對(duì)拉式預(yù)埋件。分別建立了600m500m400m厚墻體對(duì)拉式預(yù)埋件下的附著節(jié)點(diǎn)模型其中400m厚墻體對(duì)拉式預(yù)埋件下的附著節(jié)點(diǎn)模型分析結(jié)果如圖1516所示。

圖60m對(duì)拉式預(yù)埋件等效折算應(yīng)力g．6nsnsnfdedtnesss0m附著墻體厚度進(jìn)一步減小為400m墻體拉應(yīng)力有明顯減小且在規(guī)范要求的抗拉強(qiáng)度值以內(nèi);對(duì)于預(yù)埋件可見(jiàn)其等效折算應(yīng)力有些許增加變化不明顯;所以改變附著節(jié)點(diǎn)預(yù)埋件結(jié)構(gòu)形式對(duì)減小附著墻體拉應(yīng)力有一定的改善效果且對(duì)較薄附著墻體改善效果較明顯而對(duì)較厚附著墻體的改善效果則不明顯。而當(dāng)附著墻體厚度進(jìn)一步減小時(shí)僅靠改變預(yù)埋件的結(jié)構(gòu)形式已不足以使內(nèi)爬式塔吊附著節(jié)點(diǎn)滿足規(guī)范要求此時(shí)需要采取加固措施如在附著處埋設(shè)型鋼柱或型鋼梁從而提高附著點(diǎn)的抗拉能力。以400m厚50混凝土墻為原型建立附著節(jié)點(diǎn)模型改變預(yù)埋件錨板排數(shù)分析結(jié)果如圖1718所示。圖50m厚對(duì)拉式預(yù)埋件混凝土墻體拉應(yīng)力g．5Mxllsnfelnss0mdedtsde由計(jì)算結(jié)果可知改變預(yù)埋件結(jié)構(gòu)形式后對(duì)于600m厚附著墻體墻體整體拉應(yīng)力有明顯減小，對(duì)于500m厚附著墻體墻體拉應(yīng)力的分布更加均勻但峰值拉應(yīng)力已超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度值而當(dāng)

圖7兩排錨板時(shí)混凝土墻體拉應(yīng)力分布g．7Mxllsnfelnedtsosfrs(下轉(zhuǎn)第360頁(yè))5．3 卸載過(guò)程安全措施為使現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況與結(jié)構(gòu)分析模型相吻合提出卸載前條件如下:1)屋蓋主體鋼結(jié)構(gòu)所有構(gòu)件全部安裝到位;2)所有節(jié)點(diǎn)的連接已經(jīng)完成且驗(yàn)收合格;3)屋蓋結(jié)構(gòu)外形已經(jīng)設(shè)計(jì)監(jiān)理等驗(yàn)收合格;4)卸載當(dāng)天的風(fēng)力不得大于4級(jí)。6 應(yīng)用效果經(jīng)對(duì)本工程鋼結(jié)構(gòu)焊縫分別進(jìn)行超聲波探傷、磁粉探傷和滲透檢］未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷分別符合G/2032007標(biāo)準(zhǔn)B類Ⅱ級(jí)和A類Ⅲ級(jí)焊縫要］;在結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中進(jìn)行了全程的應(yīng)變和撓度監(jiān)控桁架桿件的應(yīng)變均在彈性范圍內(nèi)變化，

鋼管柱腳的焊縫拉應(yīng)力小于鋼管的拉應(yīng)力實(shí)測(cè)撓度最大值為41.9m;桁架柱姿態(tài)一致徑向桁架整齊劃一環(huán)向桁架曲率園順收到了鋼管桁架屋蓋的流暢美觀的視覺(jué)效果。參考文獻(xiàn):］郭彥林崔曉強(qiáng)．大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的若干技術(shù)問(wèn)題及探．工業(yè)建筑200434(12)25．］高秋利張玉蘭王榮芝．205m跨鋼結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技．施工技術(shù)200736(6)1921．］楊文偉姜磊．復(fù)雜大跨度鋼管桁架結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技．四川建筑科學(xué)研究201036(6)275279．］502052001鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)．］C/2032007鋼結(jié)構(gòu)超聲波探傷及質(zhì)量分級(jí)．櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏(上接第349頁(yè))圖8三排錨板時(shí)混凝土墻體拉應(yīng)力分布g．8Mxllsnfelnedtsesfrs圖15和圖17與圖18比較可知當(dāng)附著節(jié)點(diǎn)預(yù)埋件錨板排數(shù)變更為兩排或三排時(shí)附著墻體拉應(yīng)力有明顯增大且超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度值墻體遭到破壞所以對(duì)預(yù)埋件來(lái)說(shuō)本工程中所采用四排錨板最為合理。

4 結(jié) 論本文對(duì)附著節(jié)點(diǎn)中的部件和約束進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化選取了合適的材料本構(gòu)模型后建立了內(nèi)爬式塔吊附著節(jié)點(diǎn)的有限元模型。用第一強(qiáng)度理論(最大拉應(yīng)力)和第四強(qiáng)度理論(等效折算應(yīng)力)分析了了附著節(jié)點(diǎn)中牛腿部件的安全儲(chǔ)備情況改變附著墻體的混凝土等級(jí)墻厚和預(yù)埋件結(jié)