預(yù)制構(gòu)件雙T板專用減振擱置架的有限元分析

樊 驊 時(shí)春霞 惲燕春 趙亞軍 張新峰

上海寶岳住宅工業(yè)有限公司 上海 201106

1 問題的提出

隨著國家、地方的不斷推廣，裝配式建筑得到了廣泛應(yīng)用。常見的預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸方式直接將構(gòu)件進(jìn)行堆疊（圖1），運(yùn)輸中裝配式構(gòu)件存在高破損率、低物流效率、運(yùn)輸安全隱患等問題，阻礙著裝配式建筑的發(fā)展。

預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土雙T板是從美國引入的混凝土預(yù)制構(gòu)件，適用于跨度大、承重高的結(jié)構(gòu)。該構(gòu)件采用先張預(yù)應(yīng)力法設(shè)計(jì)生產(chǎn)，具有截面受力合理、自重輕、承載力大、跨度大等顯著特點(diǎn)，已被國內(nèi)預(yù)制裝配式建筑市場接受并應(yīng)用。在運(yùn)輸過程中，因雙T板腹板的三維結(jié)構(gòu)形態(tài)，較其他預(yù)制構(gòu)件而言，對運(yùn)輸?shù)囊蟾鼑?yán)格[1-2]。

本文針對雙T板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了用于運(yùn)輸?shù)膶Ｓ脺p振擱置架（圖2）。采用專用減振擱置架可以限制雙T板在運(yùn)輸中的位移，從而避免破損。

圖1 常見預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸方式

圖2 專業(yè)減振擱置架

該專用減振擱置架可以直接堆場放置、車輛自裝卸、單人操作、無需吊裝，降低了運(yùn)輸破損率，實(shí)現(xiàn)了高效運(yùn)輸。下文從成品構(gòu)件運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場的過程，分析擱置架受力工況，找出危險(xiǎn)工況并加以避免，從而提高構(gòu)件的運(yùn)輸安全和構(gòu)件的經(jīng)濟(jì)性。

2 設(shè)計(jì)方案

工程中，常見的預(yù)制雙T板寬2.5 m左右，跨度9～12 m。根據(jù)構(gòu)件常見尺寸、運(yùn)輸車輛參數(shù)，對專用減振擱置架的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)（圖3）。

圖3 專用減振擱置架尺寸示意

擱置架長13 m，寬、高均為3 m。長度方向按1 m一格分隔為13小格，可調(diào)節(jié)后排豎向鋼排架的水平位置，來適應(yīng)不同長度雙T板預(yù)制構(gòu)件的擱置。每個(gè)擱置架約可堆放4塊雙T板預(yù)制構(gòu)件。

雙T板經(jīng)歷構(gòu)件生產(chǎn)、堆場存放、物流運(yùn)輸及工地卸載等運(yùn)輸流程，從工廠生產(chǎn)完到運(yùn)輸至工地現(xiàn)場，主要會有3種受力狀態(tài)：靜止受力狀態(tài)、運(yùn)輸中的受力狀態(tài)，以及雙T板受外力撞擊的狀態(tài)。靜止受力狀態(tài)是針對堆場存放的情況，運(yùn)輸中受力狀態(tài)是針對物流運(yùn)輸?shù)那闆r，受外力撞擊狀態(tài)是針對的工地卸載后的突發(fā)意外情況。其中，運(yùn)輸狀態(tài)考慮了緊急制動(dòng)和彎道2種受力危險(xiǎn)情況。

運(yùn)用計(jì)算分析軟件SAP2000搭建減振擱置架有限元三維模型（圖4），施加相應(yīng)的荷載，考慮動(dòng)力系數(shù)，進(jìn)行有限元計(jì)算分析。

圖4 有限元分析模型

考慮擱置架上的構(gòu)件是可變的，其荷載按可變荷載考慮，按照GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》分項(xiàng)系數(shù)取1.4，動(dòng)力系數(shù)取1.2，兩系數(shù)綜合考慮，安全余量足夠。

設(shè)計(jì)假定，擱置架已采用防護(hù)措施，確保雙T板平整擱置，擱置架受力均勻分配。

2.1 荷載信息

2.1.1 靜止?fàn)顟B(tài)

按每塊5 t，碼垛4塊雙T板。豎向荷載200 kN，考慮動(dòng)力荷載系數(shù)1.2，豎向荷載取240 kN，按集中力15 kN施加到鋼梁上，分項(xiàng)系數(shù)取1.4。

2.1.2 運(yùn)輸狀態(tài)

擱置架已滿載4塊T形板，運(yùn)輸前往場地。假設(shè)：貨車1從100 km/h的速度緊急制動(dòng)，制動(dòng)距離100 m；貨車2以80 km/h的速度過彎，彎道半徑400 m。

豎向荷載取240 kN，按集中力15 kN施加到荷載鋼梁上，分項(xiàng)系數(shù)取1.4。

1）緊急制動(dòng)時(shí)，經(jīng)計(jì)算，加速度為3.86 m/s2，作用力為9.65 kN。考慮動(dòng)力系數(shù)后，各支點(diǎn)制動(dòng)力取12 kN，分項(xiàng)系數(shù)取1.4。

2）彎道情況時(shí)，作用力為6.17 kN。動(dòng)力系數(shù)取1.2，各支點(diǎn)離心力取4 kN，分項(xiàng)系數(shù)取1.4。

2.1.3 外力狀態(tài)

當(dāng)擱置架已滿載（已裝有4塊T形板）時(shí)，附近正在吊運(yùn)的T形板，因意外撞向滿載的擱置架上的第一塊雙T板，高度離擱置架底板約1.2 m。

豎向荷載取240 kN，按集中力15 kN施加到荷載鋼梁上，分項(xiàng)系數(shù)取1.4。

現(xiàn)按虎霸塔式起重機(jī)的說明書參考，起重設(shè)備撞擊的時(shí)間為1 s，質(zhì)量為30 t，半徑為75 m，轉(zhuǎn)速為0.7 r/min。

經(jīng)計(jì)算，撞擊力為26.25 kN。動(dòng)力系數(shù)取1.2，撞擊力取31.5 kN，附加彎矩為37.8 kN·m。兩側(cè)擱置架節(jié)點(diǎn)力為7.875 kN，擱置架底板節(jié)點(diǎn)附加彎矩為2.362 5 kN·m，分項(xiàng)系數(shù)取1.4。

2.2 擱置架加載

SAP2000中模擬3種受力工況，在擱置架上施加對應(yīng)荷載（圖5）。

圖5 受力分析

3 計(jì)算分析

通過SAP2000有限元模擬運(yùn)行計(jì)算，4種情況下的最大撓度位置一樣，其值在56～57 mm，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中附錄的撓度容許值為桿件長度的1/150=3 000/150=20 mm＞5.7 mm滿足規(guī)范要求。

應(yīng)力比圖（圖6）顯示在各工況下，結(jié)構(gòu)尚有富余。在緊急制動(dòng)工況中，擱置架底板兩側(cè)構(gòu)件與底板中間構(gòu)件受力較大。受力計(jì)算結(jié)果顯示，緊急制動(dòng)狀態(tài)下構(gòu)件的最大剪力、最大彎矩、最大應(yīng)力均為所有工況下最大的，其中，最大應(yīng)力已接近相關(guān)規(guī)范的允許值，設(shè)計(jì)中需注意。

通過計(jì)算分析運(yùn)輸過程中的3種受力工況作用，并與其容許值進(jìn)行對比，應(yīng)力撓度均滿足相應(yīng)要求。經(jīng)驗(yàn)算，雙T板在專用減振擱置架上是安全可靠的。

4 應(yīng)用效果

國內(nèi)裝配式建筑行業(yè)起步相比國外晚，在構(gòu)件運(yùn)輸設(shè)備方面較落后。目前，有些構(gòu)件廠仍然使用著最原始的方法進(jìn)行構(gòu)件的轉(zhuǎn)運(yùn)、堆放及運(yùn)輸。在采用雙T板專用減振擱置架后，時(shí)間和經(jīng)濟(jì)效益明顯變好，其主要有以下幾種優(yōu)勢：

1）擱置架結(jié)構(gòu)簡單，裝配方便。

2）可以減少多次吊裝，減少入庫與發(fā)貨的等待時(shí)間和操作人員的人工成本。

3）定制的擱置架滿足大型預(yù)制構(gòu)件的運(yùn)輸尺寸。

圖6 應(yīng)力比

4）擱置架可反復(fù)利用，并適合多種尺寸的雙T板。

5）降低預(yù)制構(gòu)件在運(yùn)輸過程中的破損率，提高構(gòu)件運(yùn)輸效率。

6）運(yùn)輸和堆放現(xiàn)場整齊干凈，彰顯建筑產(chǎn)業(yè)化特色。

5 結(jié)語

本文就預(yù)制構(gòu)件雙T板設(shè)計(jì)了專用減振擱置架，采用三維有限元建模模擬減振擱置架，計(jì)算分析了3種運(yùn)輸工況，并對其內(nèi)力、變形、應(yīng)力比結(jié)果作對比分析，提出了運(yùn)輸中的注意事項(xiàng)。該減振擱置架效果明顯，值得推廣。

1）對比擱置架的3種受力工況，最大撓度發(fā)生在同一位置，數(shù)值相差不大。最大剪力、最大彎矩與最大應(yīng)力出現(xiàn)在運(yùn)輸狀態(tài)的緊急制動(dòng)情況中。應(yīng)力比能滿足要求。

2）在裝載雙T板和堆放雙T板時(shí)，應(yīng)確保構(gòu)件上下對齊，構(gòu)件間采用墊木，墊平墊實(shí)，避免構(gòu)件受力不合理，導(dǎo)致構(gòu)件受力破損。

3）為確保擱置架上能均勻支撐雙T板，需采取措施確保所有底部橫梁在受力狀態(tài)下處于同一水平面上。

4）該減振擱置架效果明顯，可以填補(bǔ)國內(nèi)空白，解決現(xiàn)在的預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸問題，極好地保證構(gòu)件的安全性與便捷性，提高預(yù)制構(gòu)件的經(jīng)濟(jì)性。