外爬式塔吊附著節點安全性分析

朱現磊 楊 林 張 濤

(1.中國礦業大學(北京)基建處，北京 100083； 2.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100083)

外爬式塔吊附著節點安全性分析

朱現磊1楊 林1張 濤2

(1.中國礦業大學(北京)基建處，北京 100083； 2.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100083)

以某高層科研樓工程項目為背景，運用有限元程序ABAQUS，模擬了不同荷載條件下外爬式塔吊附著結構的塑性損傷情況，并在極限荷載下對預埋件截面面積進行了驗算分析，得出了一些有價值的結論。

外爬式塔吊，附著節點，有限元，安全性分析

0 引言

隨著我國社會經濟的快速發展，高層建筑大量出現[1]，在其結構施工中，塔吊是工程施工的核心設備[2]。高層建筑塔吊的科學、安全運行是確保工程施工質量、進度和安全的關鍵因素[3]。高層建筑動臂塔吊爬升方式分為內爬式和外爬式兩種，外爬式塔吊具有塔身短、整機輕、適用性強等優點[4,5]。由于外爬式塔吊自重和外載作用于爬塔支撐架上，爬塔支撐架通過預埋件與建筑的主體結構相連[6]，因此合理的爬塔支撐架、預埋件及附著節點的受力安全性，是外爬式塔吊安全可靠工作的重要保證。

1 工程概況

以某科研樓工程為例，根據工程特點和實際需要，施工過程中采用M760D-US型外爬附著式塔吊，塔吊通過支撐架附著于墻體上，塔架與核心筒墻體經預埋件連接。支撐架共有三道，下支撐架、上支撐架及擬附著支撐架，上支撐架和下支撐架的支座水平力平衡外爬式塔吊頂部的集中彎矩如圖1所示。每個支撐架均選用Q345B鋼結構材料，由主梁、次梁等結構單元組成，如圖2所示。預埋件形式采用對拉鋼板，錨板選用Q345鋼材。錨板下混凝土強度類別為C50，軸心抗壓強度設計值為19.1 MPa。本文主要對附著節點進行安全性模擬分析和計算驗證。

2 節點極限荷載的有限元分析

2.1 模型建立

混凝土采用ABAQUS中的混凝土塑性損傷本構模型，該模型采用的是由Lubliner[7]和Lee[8]提出的混凝土塑性損傷斷裂模型，以此來模擬混凝土中損傷引起的彈性剛度退化。由于模型的對稱性，因此建立一半模型，節點受力考慮為極限荷載情況，梁采用彈簧單元進行簡化，墻體邊界耦合上彈簧單元，為柔性約束，彈簧剛度為截面法向剛度，計算式如式(1)所示。

K=∑EiAi/L(i=1，…，j)

(1)

其中，E為材料彈性模量；A為材料面積；L為結構長度；j為結構內部件數。

鋼筋則采用理想彈塑性的雙折線模型，三維桁架單元，鋼筋和預埋件預埋部分通過ABAQUS提供的Embedded region技術耦合到混凝土部件內，各彈簧一端分別與相應的混凝土節點進行耦合，同時約束另一端位移，如圖3所示。預埋件外板內側與混凝土表面定義接觸約束，法向定義為硬接觸。

2.2 計算結果及分析

本文分析了模型在1倍、1.5倍、1.6倍最大外荷載條件下各部分受力、損傷以及破壞情況。不同加載條件下混凝土受力及相應混凝土結構拉伸損傷情況分別如圖4，圖5所示。

當加載1倍外荷載時，混凝土最大應力位于預埋件的壓載部位，最大應力為10.58 MPa，核心筒墻體出現值為0.60的小范圍拉伸損傷，但并未出現開裂。當荷載增加到1.5倍時，最大等效應力增加到41.56 MPa，位于核心筒墻體下部，同時拉伸裂縫繼續向上下兩端擴展，墻體連接位置和預埋件位置均產生了斜向裂縫，且裂縫間未見明顯貫通，整個結構仍處于穩定平衡狀態。當荷載繼續增加至1.6倍外荷載時，核心筒土墻體斜向裂縫貫穿整個橫截面，此時整個結構已經破壞，無法繼續承載。

當加載1倍外荷載時，預埋件下部個別縱筋和拉筋達到屈服強度；當增加到1.5倍外荷載時，節點應力逐漸由錨筋承擔，同時中部暗柱箍筋逐漸屈服，鋼筋屈服位置與混凝土開裂位置基本重合，而在墻體端柱下部內側和暗柱內側出現局部范圍壓縮屈服；當加載力繼續增加時，鋼筋屈服范圍進一步擴大，結構破壞。

3 預埋件的安全性驗算

3.1 支撐架最大支座反力

通過外爬式塔吊附著節點的有限元模擬分析，得知1.5倍的外部荷載為此外爬式塔吊的極限荷載，現用1.5倍的放大系數來進行預埋件的安全性驗算。

圖1中，M760D-US型外爬附著式塔吊水平力H1，H2及豎向力V分別取1 080 kN，930 kN及4 350 kN，驗算時假定塔吊荷載以4個均分集中力的形式作用于外爬式塔吊支撐架的支承鋼梁上，即均分后的270 kN水平力作用在上支撐架，232.5 kN水平力和1 087.5 kN豎向力作用于下支撐架。

根據GB 50009—2012建筑結構荷載規范[10],計算支座反力時按承載能力極限狀態設計。通過有限元分析軟件MIDAS/Gen進行分析，得到支撐架最大支座反力值見表1。

表1 支撐架最大支座反力

3.2 預埋件安全性驗算

根據GB 50010—2010混凝土結構設計規范[11]，該預埋件錨筋的總截面面積As≥max(A,B)，其中：

當剪力、法向拉力和彎矩共同作用時：

(2)

(3)

當剪力、法向壓力和彎矩共同作用時：

(4)

(5)

(6)

ab=0.6+0.25t/d

(7)

其中,M為彎矩設計值；V為剪力設計值；N為法向拉力或壓力設計值；ar為錨筋層數影響系數；ab為錨板彎曲變形折減系數；av為錨筋受剪承載力系數；t為錨板厚度，40 mm；d為錨筋直徑；z為沿剪力方向最外層錨筋中心線間距；fy為錨筋的抗拉強度設計值，不大于300 N/mm2；fc為混凝土軸心抗壓強度，設計值為19.1 MPa。

1)主梁節點埋腿截面面積驗算。

2)水平撐處埋腿截面面積驗算。

3)豎向斜撐處埋腿截面面積驗算。

4 結語

以某特定工程為背景，運用數值軟件ABAQUS，模擬分析不同外載條件下外爬式塔吊附著節點處的穩定性情況，并進行附著節點處預埋件截面面積理論計算，得出如下結論：

1)隨著外部荷載的增大，外爬式塔吊附著節點處最大應力位置沿混凝土墻體向下移動，墻體逐漸出現裂縫，直至開裂破壞；同時，錨筋由小部分損傷變形至大部分屈服斷裂，最后整個結構無法繼續承載。

2)1.5倍外荷載條件下時，外爬式塔吊附著結構最大應力位于墻體下部，墻體中拉伸裂縫擴展發育，預埋件周圍墻體產生斜向裂縫，此時裂縫并未完全貫穿，整個結構處于失穩邊緣。

3)通過外爬式塔吊附著節點處預埋件截面面積驗算可知，極限外荷載條件下，外爬式塔吊安全可靠，滿足相關規范要求，為現場使用提供指導。

[1] 摩天城市網.沖向天空的1.7萬億——中國摩天城市報告[EB/OL].(2012.7.31)[2013.6.1]http//www.Motiancity.com/2012/index.php.

[2] 田金成,曹新飛,董 明.內爬式塔吊在高層建筑中的應用[J].施工技術,2009,38(10):75-77.

[3] 卿龍邦,姚 雄,肖成志，等.外爬式塔吊對高層鋼板剪力墻結構影響的分析[J].華北地震科學,2013(31):24-27.

[4] 李 迪,王朝陽.超高層建筑施工中塔吊的合理應用[J].工業建筑,2012(12):79-80.

[5] 張 宇,陳曉明.爬升塔吊的外掛支承系統設計研究[J].建筑施工,2007，29(10):802-803.

[6] 曾 強.巨型桁架—核心筒結構施工技術研究與施工過程力學模擬分析[D].重慶:重慶大學,2009.

[7] Lubliner J, J.Oliver, S.Oller, et al. A Plastic-Damage Model for Concrete[J]. International Journal of Solids and Structures,1989(25):299-329.

[8] Lee J, Fenves GL. Plastic-Damage Model for Cyclic Loading of Concrete Structures[J].ASCE Journal of Engineering Mechanic,1998,124(3):892-900.

[9] ABAQUS Theory Manual, version 6.3[M].Hibbitt Karlson & Sorensen, Inc 2002.

[10] GB 50009—2012，建筑結構荷載規范[S].

[11] GB 50010—2010，混凝土結構設計規范[S].

Safety analysis of external climbing tower crane attached nodes

Zhu Xianlei1Yang Lin1Zhang Tao2

(1.ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)InfrastructureDepartment,Beijing100083,China;2.CentralResearchInstituteofBuildingandConstructionCo.,Ltd,MCCGroup,Beijing100083,China)

Based on a high-rise building project, the plastic damage of external climbing tower crane attached nodes is simulated in different load conditions using ABAQUS. Embedded parts section is checked under the condition of limit load, achieves some valuable conclusion.

external climbing tower crane, attached nodes, finite element method, safety analysis

2015-06-01

朱現磊(1983- )，男，碩士，工程師； 楊 林(1982- )，男，工程師； 張 濤(1983- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)23-0025-03

TU731

A