裝配式建筑構(gòu)件自平衡吊具系統(tǒng)有限元分析

田 哲 潘 峰 沈淺灝

上海建工五建集團(tuán)有限公司 上海 200063

1 研究背景

隨著改革開放以來中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，裝配式建筑變得越來越重要，國內(nèi)外裝配式建筑都有著不錯的發(fā)展[1-8]。國務(wù)院辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見提出“力爭用10年左右的時(shí)間，使裝配式建筑占新建建筑面積的比例達(dá)到30%”。裝配式建筑的發(fā)展，使得建筑建造方式發(fā)生了較大變化，特別是在裝配式建筑施工的構(gòu)件吊裝過程中，如何高效、精準(zhǔn)地調(diào)整構(gòu)件的就位姿態(tài)，是提升裝配式建筑施工質(zhì)量安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

本文將通過對自主研發(fā)的裝配式建筑構(gòu)件自平衡吊具系統(tǒng)進(jìn)行有限元模擬，以期為系統(tǒng)研發(fā)和選型提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

2 自平衡吊具系統(tǒng)概況

2.1 裝配式建筑的常用吊裝工具與方式

裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件常用的2種吊裝方法為直接吊裝法與橫吊梁吊裝法。

直接吊裝法主要是通過吊鉤、鋼絲繩與吊點(diǎn)的組合來完成構(gòu)件吊裝。對于起吊量較多的預(yù)制墻板，通常在預(yù)制構(gòu)件上預(yù)埋吊點(diǎn)連接件。常見的預(yù)埋吊點(diǎn)形式主要包括：預(yù)埋螺母、預(yù)埋吊釘與預(yù)埋吊環(huán)（圖1）。

圖1 直接吊裝法常見預(yù)埋吊點(diǎn)形式

橫吊梁吊裝法主要采用專用橫吊梁，根據(jù)不同起吊構(gòu)件對吊點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)整，使得塔吊吊鉤和預(yù)制構(gòu)件重心豎向一致，從而有效避免吊裝過程中預(yù)制板塊傾斜，方便預(yù)制構(gòu)件就位。吊點(diǎn)主要采用預(yù)制板內(nèi)預(yù)埋吊鉤（環(huán)）形式，配套鋼絲繩應(yīng)根據(jù)每次起吊時(shí)最重的構(gòu)件選取（圖2）。

圖2 橫吊梁示意及橫吊梁吊裝法

然而，目前施工現(xiàn)場產(chǎn)業(yè)工人經(jīng)驗(yàn)水平參差不齊，預(yù)制構(gòu)件起吊前，需要通過手拉葫蘆調(diào)整鋼絲繩，使鋼絲繩處于緊繃狀態(tài)，此工序中現(xiàn)場調(diào)節(jié)效率較低，且因現(xiàn)場產(chǎn)業(yè)工人操作不當(dāng)，易出現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件斜吊等存在安全隱患的現(xiàn)象。

因此，需要研發(fā)適應(yīng)于裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件，特別是異形構(gòu)件的吊裝工具，以保證預(yù)制構(gòu)件吊運(yùn)的高效安全。

2.2 裝配式建筑構(gòu)件自平衡吊具系統(tǒng)

裝配式建筑構(gòu)件自平衡吊具系統(tǒng)是適用于異形預(yù)制構(gòu)件起吊就位、自動調(diào)節(jié)平衡的智能化裝備，集“姿態(tài)感應(yīng)、平衡調(diào)節(jié)、安全鎖扣”等技術(shù)于一體。預(yù)制構(gòu)件吊裝預(yù)埋件與該設(shè)備起吊臂鎖扣后，即可在起吊過程中感應(yīng)預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量，自動調(diào)節(jié)吊臂，使得預(yù)制構(gòu)件在起吊過程中保持平穩(wěn)。該系統(tǒng)主要由質(zhì)量控制箱體、伸縮平衡吊桿、上下連接吊鉤以及測量控制系統(tǒng)等組成。

3 自平衡吊具系統(tǒng)有限元分析

3.1 自平衡吊具有限元模型建立

有限元軟件Abaqus建模的實(shí)際操作過程包括：支撐各部件繪制、各部件材料屬性設(shè)置、部件裝配、分析步設(shè)置、互相作用設(shè)置、荷載加載、網(wǎng)格劃分，以及運(yùn)算和后處理。

3.1.1 自平衡吊具材料本構(gòu)模型

自平衡吊具采用Q235型號的鋼材制作，屈服強(qiáng)度為235 MPa，彈性模型為206 GPa，泊松比為0.3。考慮到支撐在加載過程中最大應(yīng)變≤5%，因此鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用理想雙線型隨動強(qiáng)化材料模型（圖3），切線模量E2取彈性模量E1的2%。

圖3 鋼材本構(gòu)模型

3.1.2 自平衡吊具網(wǎng)格劃分

對于網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元類型為八節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分單元。該單元適用于細(xì)網(wǎng)格劃分、含有接觸問題的數(shù)值模擬。根據(jù)實(shí)際構(gòu)件和SolidWorks模型，建立有限元模型，網(wǎng)格劃分如圖4所示。

3.1.3 自平衡吊具加載規(guī)則

圖4 網(wǎng)格劃分

在吊具體系中，根據(jù)實(shí)際工作中自平衡吊具的固定方式，假定頂部吊鉤下部的鋼板為固定端，上部耳板承受自重與構(gòu)件的質(zhì)量；下部吊鉤則假定一端吊鉤固定約束，另一端受與構(gòu)件所受重力相當(dāng)?shù)睦Γ谒芎奢d作用下進(jìn)行靜力分析。其加載與約束情況如圖5所示。

圖5 模擬組合荷載

3.2 自平衡吊具有限元結(jié)果分析

模擬結(jié)果如圖6～圖11所示，從模擬結(jié)果可以看出，自平衡吊具穩(wěn)定，吊鉤耳板整體最大應(yīng)力222 MPa、最小應(yīng)力20 MPa。油缸簡化為圓管，兩端焊接鋼板與耳板，由于耳板連接處截面變小，出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大應(yīng)力出現(xiàn)在銷軸與耳板處。下部吊鉤銷軸整體最大應(yīng)力43.4 MPa，最小應(yīng)力7.2 MPa。平均應(yīng)力25.3 MPa，計(jì)算值21.23 MPa，與模型相符合。端部因?yàn)榇嬖诤附雍缚p，出現(xiàn)應(yīng)力集中，為正常現(xiàn)象。

圖6 下部吊鉤應(yīng)力云圖

圖7 上部耳板應(yīng)力云圖

圖8 下部吊鉤連接耳板應(yīng)力云圖

圖9 下部吊鉤銷軸應(yīng)力云圖

圖10 頂部吊鉤連接耳板應(yīng)力云圖

圖11 頂部吊鉤銷軸應(yīng)力云圖

下部吊鉤中間耳板處最大應(yīng)力101 MPa，最小應(yīng)力6.18 MPa，依據(jù)規(guī)范的計(jì)算值為107.14 MPa，均滿足要求。

頂部吊鉤最大應(yīng)力為104.1 MPa，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，耳板連接處應(yīng)力集中。

銷軸平均切應(yīng)力計(jì)算得31.84 MPa，模型計(jì)算值為41.49 MPa。基本吻合。

4 規(guī)范計(jì)算分析

上海某工地60 m處需安裝一片高2.9 m、寬2.6 m、厚0.3 m的裝配式墻板，通過吊具吊裝現(xiàn)場安裝，平衡吊具的承載力有可能不夠，需要對其進(jìn)行校算。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的基本概念和相關(guān)規(guī)范，對自平衡吊具進(jìn)行剛度、強(qiáng)度、連接件等校算。

4.1 基本荷載

油缸如下圖12所示。

圖12 油缸示意

中間油缸部位簡化為φ100 mm×10 mm圓管，桿件本身受拉。拉應(yīng)力σ =21.23 MPa＜370 MPa，滿足要求

4.2 耳板驗(yàn)算

耳板如圖13所示。耳板按照GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行驗(yàn)算，b＝30 mm、a＝30 mm、d0＝30 mm、N＝60 kN、t＝28 mm，耳板寬厚比為1.071 4＜4，滿足要求。耳板幾何尺寸be＝2t＋16＝72 mm＞b＝30 mm，a＝30mm＜4be/3＝96 mm，不滿足要求。

銷軸連接的構(gòu)造應(yīng)符合GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》11.6.2節(jié)銷軸連接的規(guī)定。

對耳板進(jìn)行驗(yàn)算：耳板孔凈截面處抗拉強(qiáng)度b1＝min（2t＋16，b-d0/3）＝20 mm，滿足要求；b＝N/（2tb1）＝ 53.571 4 MPa＜fu＝370 MPa，滿足要求；耳板端部截面抗拉（劈開）強(qiáng)度σ＝N/［2t（a-2d0/3）］＝107.142 8 MPa＜fu＝370 MPa，滿足要求；耳板抗剪強(qiáng)度τ＝N/（2tz）＝N/｛2t［（a＋d0/2）2－（d0/2）2］1/2｝＝120 MPa，滿足要求。

4.3 頂部耳板驗(yàn)算

頂部耳板示意圖如圖14所示。N＝80 kN，b＝25 mm，a＝20 mm，t＝35 mm，寬厚比為0.714＜4，滿足要求；a＝20 mm＜4be/3＝114.66 mm，不滿足要求。

頂部設(shè)計(jì)承載力為80 kN，取孔凈截面處的抗拉強(qiáng)度b1＝11.67 mm，σ＝97.93 MPa＜fu＝370 MPa，滿足要求；耳板抗剪強(qiáng)度τ＝32.99 MPa＜fv＝120 MPa

4.4 結(jié)果對比

對比依據(jù)規(guī)范的計(jì)算結(jié)果和有限元模擬結(jié)果如表1所

圖13 耳板示意

圖14 頂部耳板示意

示。油缸、中間耳板、頂部耳板和銷軸有限元結(jié)果與手算結(jié)果誤差分別為16%、6%、6%和23%，誤差在允許范圍內(nèi)。

表1 構(gòu)件驗(yàn)算結(jié)果對比

5 結(jié)語

本文通過有限元軟件對自平衡吊具的受力進(jìn)行模擬，結(jié)果表明自平衡吊具能夠進(jìn)行有效的工作。自平衡吊具耳板構(gòu)件的規(guī)范計(jì)算結(jié)果，表明自平衡吊具構(gòu)件在自身承載力滿足要求的前提下，還應(yīng)滿足規(guī)范構(gòu)造要求，才可以安全地工作。自平衡吊具，在規(guī)范構(gòu)造上進(jìn)行一系列改進(jìn)，在施工方面可保證安全、高效、準(zhǔn)確、可靠，可廣泛推廣使用。