動臂塔吊的工程案例抗震分析

毛耐民,徐子強(qiáng),史明輝,呂 龍

(云南大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院,昆明650000)

近些年來,以施工時(shí)變理論為數(shù)值計(jì)算基礎(chǔ),對結(jié)構(gòu)在施工過程中內(nèi)力和豎向變形累積等問題進(jìn)行研究的工作有:李瑞禮等[1]利用超級有限元-有限元耦合法對高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工模擬分析,傅學(xué)怡提出了全面精確施工模擬的計(jì)算方法,范峰等[2]利用ANSYS軟件對上海環(huán)球金融中心結(jié)構(gòu)建立了較為細(xì)化的有限元模型[3]。

該文以昆明地區(qū)某酒店項(xiàng)目為實(shí)例,分析塔吊在作業(yè)時(shí)抗震特性,創(chuàng)建模型并進(jìn)行有限元分析,以找出塔吊在各種荷載形式下的結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn),并分析薄弱點(diǎn)能否達(dá)到抗震要求,是否需要加固,同時(shí)為類似工程提供參考和借鑒。

1 項(xiàng)目概況

酒店是大屋面結(jié)構(gòu)高度近167 m 的超高層建筑,塔樓幕墻頂高度近179 m。主體結(jié)構(gòu)共40層,其結(jié)構(gòu)體系為框架-核心筒結(jié)構(gòu),其中外框?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu),外框柱為鋼管混凝土柱。工程塔吊施加荷載于核心筒剪力墻結(jié)構(gòu)上。塔吊荷載以節(jié)點(diǎn)荷載形式加載于塔吊支撐梁上,塔吊支撐梁支撐于核心筒上。

2 模擬塔吊工作狀態(tài)

在現(xiàn)行的類似超高層建筑施工中,爬模體系為較為常用的施工工藝,即核心筒先行施工,在核心筒墻體上采用爬模體系進(jìn)行施工；其次再進(jìn)行核心筒外圍鋼框架結(jié)構(gòu)施工,最后進(jìn)行樓板結(jié)構(gòu)施工以及后續(xù)的幕墻安裝。

塔吊第二次剛爬升之后的狀態(tài):核心筒施工完成樓層為1～25層,核心筒在上部超前5層,此時(shí)外框正好施工到20層。塔吊下部外掛架支撐水平梁位于21層核心筒上,斜撐桿撐到19層墻體上。

塔吊第五次剛爬升之后的狀態(tài):核心筒施工完成樓層為1～37層,核心筒在上部超前5層,此時(shí)外框正好施工到32層。塔吊下部外掛架支撐水平梁位于33層核心筒上,斜撐桿撐到31層墻體上。

核心筒超前施工過程中,核心筒內(nèi)部有2 臺外爬式動臂塔吊,塔吊隨著核心筒的施工按照一定的步驟進(jìn)行爬升,塔吊支撐結(jié)構(gòu)外爬在核心筒外墻上。立面圖如圖1所示。

塔吊桿件與平臺鉸接,只能朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)動。桿件與墻體預(yù)埋件固結(jié)?；炷恋谋緲?gòu)關(guān)系采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的附錄C 提供的公式。鋼筋、鋼材本構(gòu)關(guān)系選擇雙斜線本構(gòu)模型[5]。

塔吊支撐系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)形式如圖2所示,分為主支撐梁、豎向斜撐桿及水平撐桿三部分,其中豎向斜撐桿主要將塔吊豎向自重傳遞到墻體上,水平斜撐桿傳遞塔吊水平力。

塔吊在實(shí)際運(yùn)行工作過程中塔吊臂并不總是指向某一特定方向,而是在其能活動的范圍內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)。為充分考慮塔吊荷載對結(jié)構(gòu)的不利影響,該文所討論的模型均假設(shè)塔吊臂與水平方向呈60°夾角[6]。為合理討論該文所選計(jì)算模型,假定塔吊臂僅指向南北方向或東西方向,且忽略兩個(gè)塔吊存在的荷載差異(僅考慮塔吊分布時(shí)忽略兩個(gè)塔吊荷載的差別,計(jì)算時(shí)仍按實(shí)際情況考慮兩個(gè)塔吊荷載的差異),故共存在16種塔吊分布模型。顯然,當(dāng)討論塔吊的對稱性時(shí),進(jìn)一步可簡化為7種塔吊分布模型。

示例:當(dāng)塔吊布置如圖3(a)時(shí),將其簡化表達(dá)為圖3(b)。其余類推。

結(jié)構(gòu)在當(dāng)前服役期內(nèi)按抗震設(shè)防烈度為6度進(jìn)行考慮[4],即該文所選的地震波其加速度的最大值分別調(diào)至18 cm/s2(多遇地震)、50 cm/s2(設(shè)防地震)和125 cm/s2(罕遇地震)[4]。

3 不同工況狀態(tài)下危險(xiǎn)性評估

3.1 塔吊關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和關(guān)鍵單元節(jié)點(diǎn)

塔吊關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和關(guān)鍵單元節(jié)點(diǎn)的標(biāo)注如圖4所示。

3.2 塔吊工作節(jié)點(diǎn)及地震波選擇

由于現(xiàn)場進(jìn)度已經(jīng)進(jìn)行到塔吊的第五次爬升,所以選擇第五次爬升作為分析的工作狀態(tài)。模擬過程中使用了三種地震波,分別為El Centro波、唐山波、人工波。分別對7種工作狀態(tài)進(jìn)行有限元分析,通過時(shí)程分析,El Centro波作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)結(jié)果比唐山波和人工波激勵下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)要大,即可視El Centro波作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)為其包絡(luò)值。故僅分析結(jié)構(gòu)在El Centro波作用下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。

通過對7種模型三種地震的有限元分析可知,塔吊分布模式1、2、3、4、5、6、7是結(jié)構(gòu)在地震作用下的不利分布模式(結(jié)構(gòu)響應(yīng)相近),在“小震”作用下最大位移為第6模型中節(jié)點(diǎn)1的55 mm,最大應(yīng)力為第7模型的單元節(jié)點(diǎn)B的1.7 MPa；在“中震”作用下最大位移為第6模型1節(jié)點(diǎn)的151 mm,最大應(yīng)力處為第4模型中B單元節(jié)點(diǎn)的4.6 MPa；在“大震”作用下最大位移為第6模型中1節(jié)點(diǎn)的390 mm,而最大應(yīng)力為第5模型A 單元節(jié)點(diǎn)的11.5 MPa。

4 局部ABAQUS有限元分析

針對整體分析可知,結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位是外掛、塔吊和外掛與核心筒連接部位的預(yù)埋件。大震作用下對這些關(guān)鍵部位進(jìn)行局部ABAQUS有限元分析[7]。

從分析結(jié)果可以知道結(jié)構(gòu)在遭遇大震作用時(shí),豎向斜支撐桿的應(yīng)力最大為99.94 MPa,因此塔吊的斜支撐處最容易受到破壞。從塔吊部分的應(yīng)變圖可以知道,在主支撐梁和核心筒的連接處應(yīng)變最大為4.547×10-4,連接處的應(yīng)力最大為93.16 MPa,因此主支撐梁與核心筒的連接處也屬于薄弱點(diǎn)。豎向斜支撐與核心筒的連接處最大應(yīng)力為3.512 MPa,因此斜支撐與核心筒的連接處相比于主支撐和水平支撐與核心筒的連接處更不易破壞。而斜支撐所用材料為Q345鋼筋,其對應(yīng)的屈服應(yīng)力為345 MPa,因此該結(jié)構(gòu)在遭遇大震時(shí)不會遭遇破壞。

5 結(jié) 語

對該項(xiàng)目塔吊的兩個(gè)工作階段的不同荷載狀態(tài)進(jìn)行建模分析,得出塔吊的斜支撐處最容易受到破壞,主支撐梁與核心筒的連接處也屬于薄弱點(diǎn)。

進(jìn)行了兩次有限元分析,第一次用SAP2000進(jìn)行整體分析,得出動臂塔吊的薄弱環(huán)節(jié)為預(yù)埋件。第二次用ABAQUS有限元分析預(yù)埋件,分別得出小震、中震,大震三種地震下的最大位移和最大應(yīng)力。

所討論的地震動強(qiáng)度按實(shí)際服役期結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防烈度進(jìn)行折減進(jìn)行,與我國抗規(guī)規(guī)定的50年設(shè)計(jì)使用年限要求不一致。若實(shí)際情況中發(fā)生與討論地震動水平相當(dāng)?shù)牡卣鹱饔脮r(shí),可借鑒該文討論結(jié)果；而當(dāng)發(fā)生超過該文所討論范圍地震時(shí),則應(yīng)按實(shí)際情況具體討論。