超高層建筑施工平臺(tái)混凝土泵管撞擊荷載研究*

秦非非，謝 楠，郝建兵

(1.北京交通大學(xué)土建學(xué)院，北京 100044； 2.中建一局國(guó)際工程有限公司，北京 100161)

0 引言

深灣匯云中心J座工程建筑高度為349.25m，采用框架+核心筒束的結(jié)構(gòu)形式。施工時(shí)在核心筒束內(nèi)設(shè)置施工平臺(tái)，其上設(shè)置布料機(jī)。通過泵車和泵管將混凝土泵送至數(shù)百米高的布料機(jī)上，以澆筑核心筒筒壁。泵車采用液壓驅(qū)動(dòng)雙缸往復(fù)式活塞，通過分配閥換向?qū)崿F(xiàn)2個(gè)油缸交替工作，壓送混凝土。泵管往復(fù)運(yùn)動(dòng)，撞擊布料機(jī)，使與布料機(jī)相連的施工平臺(tái)承受周期性水平動(dòng)荷載作用，此類荷載即為混凝土泵管撞擊荷載。目前，相關(guān)規(guī)范未對(duì)混凝土泵管撞擊荷載取值做出規(guī)定[1-2]。

已有學(xué)者對(duì)混凝土泵管撞擊荷載進(jìn)行了研究[3-5]，研究對(duì)象為擱置在模板面上的布料機(jī)，布料機(jī)與墊板發(fā)生了相對(duì)位移。深灣匯云中心J座工程布料機(jī)與施工平臺(tái)通過螺栓連接，未發(fā)生相對(duì)位移，荷載傳遞方式與文獻(xiàn)[3-5]的研究不同，無(wú)法借鑒研究成果，需進(jìn)行專門研究。

混凝土泵管撞擊荷載是作用在超高層建筑施工平臺(tái)上的重要水平施工動(dòng)荷載，以深灣匯云中心J座工程為依托，采用理論分析與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合的方式，研究混凝土泵管撞擊荷載特點(diǎn)與取值，為安全合理地設(shè)計(jì)超高層建筑施工平臺(tái)提供依據(jù)。

1 布料系統(tǒng)概況

深灣匯云中心J座工程核心筒束由9個(gè)筒組成，現(xiàn)場(chǎng)共設(shè)2臺(tái)HGY24D型布料機(jī)，分別位于核心筒對(duì)角上，如圖1所示。布料機(jī)底座與施工平臺(tái)通過螺栓固定，使用SY5123THB-9022C-6GD型泵車泵送混凝土，采用φ125×3.5泵管，泵管與設(shè)在核心筒墻體上的預(yù)埋件相連。

圖1 布料機(jī)位置示意

2 混凝土泵管撞擊荷載理論估算方法

將布料機(jī)和施工平臺(tái)視為同一結(jié)構(gòu)體系的兩部分，如圖2a所示。結(jié)構(gòu)體系質(zhì)量主要集中在施工平臺(tái)和布料機(jī)頂部，可將結(jié)構(gòu)體系簡(jiǎn)化為2個(gè)質(zhì)點(diǎn)平面運(yùn)動(dòng)體系，如圖2b所示。圖2中，l1為施工平臺(tái)與下層樓面的垂直距離；l2為布料機(jī)質(zhì)心與施工平臺(tái)的垂直距離；k1為施工平臺(tái)側(cè)移剛度；k2為布料機(jī)側(cè)移剛度；m1為布料機(jī)底座、平臺(tái)板、平臺(tái)梁、1/2布料機(jī)格構(gòu)柱和1/2施工平臺(tái)臨時(shí)支撐質(zhì)量總和；m2為布料機(jī)平衡桿、轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)、配重及1/2布料機(jī)格構(gòu)柱質(zhì)量總和；P(t)為混凝土泵管撞擊荷載。

圖2 計(jì)算模型

考慮混凝土泵管撞擊荷載持續(xù)時(shí)間較短，忽略阻尼力的影響，建立結(jié)構(gòu)體系無(wú)阻尼水平運(yùn)動(dòng)方程[6]：

(1)

由式(1)可得：

(2)

由式(2)可知，P(t)與施工平臺(tái)位移、加速度和布料機(jī)頂部位移有關(guān)。由于布料機(jī)頂部位移無(wú)法測(cè)得，假設(shè)結(jié)構(gòu)體系可能的變形形狀與一階振型或二階振型相似(見圖3)，相應(yīng)的混凝土泵管撞擊荷載分別為P1(t)，P2(t)。根據(jù)圖3可得x1(t)，x2(t)的比值，帶入式(2)得：

(3)

(4)

圖3 結(jié)構(gòu)體系可能的變形形狀

由式(3)和式(4)可知，混凝土泵管撞擊荷載除與剛度、質(zhì)量(已知量)有關(guān)外，還與施工平臺(tái)位移、加速度等動(dòng)力響應(yīng)有關(guān)。

3 動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試

布料機(jī)1所在施工平臺(tái)不具備測(cè)試條件，因此將布料機(jī)2所在施工平臺(tái)作為測(cè)試對(duì)象，測(cè)試時(shí)施工平臺(tái)位于12層。

3.1 測(cè)點(diǎn)布置

共布置2個(gè)位移測(cè)點(diǎn)和1個(gè)加速度測(cè)點(diǎn)，如圖4所示。位移測(cè)點(diǎn)1用于測(cè)試施工平臺(tái)水平位移，布置在施工平臺(tái)頂部橫梁上；位移測(cè)點(diǎn)2用于測(cè)試泵管位移，布置在距施工平臺(tái)0.5m的泵管上。加速度測(cè)點(diǎn)3用于測(cè)試施工平臺(tái)沿泵管運(yùn)動(dòng)方向的水平加速度(布料機(jī)底座與施工平臺(tái)剛性連接，假設(shè)二者加速度相同)，布置在布料機(jī)底座上。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置示意

3.2 采樣方法

位移采樣頻率為50Hz，采用DH3817型動(dòng)靜態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)，傳感器為位移計(jì)，采樣零時(shí)刻為混凝土澆筑前5s左右。加速度采樣頻率為1 000Hz，采用DH5922型動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)，傳感器為加速度計(jì)，采樣零時(shí)刻為混凝土澆筑前5s左右。

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

本次測(cè)試共采集時(shí)長(zhǎng)1 960s的數(shù)據(jù)，由采集數(shù)據(jù)可知，泵管位移、施工平臺(tái)位移和加速度具有周期性特征。繪制典型數(shù)據(jù)時(shí)程曲線，如圖5～7所示。

圖5 泵管位移時(shí)程曲線

圖6 施工平臺(tái)位移時(shí)程曲線

圖7 施工平臺(tái)加速度時(shí)程曲線

由圖5可知，泵管位移變化周期為4.04s，最大位移為2.7mm。當(dāng)分配閥換向時(shí)，泵管位移變化劇烈，首先以較大的幅度向前運(yùn)動(dòng)，然后以幾乎相同的幅度向后運(yùn)動(dòng)，最后向前運(yùn)動(dòng)，持續(xù)時(shí)間約0.5s。由圖6，7可知，施工平臺(tái)位移和加速度變化周期與泵管位移變化周期相同，施工平臺(tái)最大位移為0.43mm，最大加速度為0.29g。由圖5～7可知，泵管和施工平臺(tái)受迫運(yùn)動(dòng)均發(fā)生在分配閥換向期間；分配閥換向結(jié)束后，泵管和施工平臺(tái)進(jìn)行有阻尼自由振動(dòng)，振幅均有所衰減，其中泵管振幅衰減更明顯。

4 荷載計(jì)算

根據(jù)圖5～7可判定混凝土泵管撞擊荷載為周期性荷載，基于泵管位移變化規(guī)律，給出圖8所示混凝土泵管撞擊荷載模式。混凝土泵管撞擊荷載1個(gè)荷載周期為4.04s，荷載集中作用時(shí)間僅為0.5s。在0.5s內(nèi)，荷載先以Pmax為幅值往復(fù)變化1次，然后以0.7Pmax為幅值往復(fù)變化1/2次。

圖8 混凝土泵管撞擊荷載模式

假設(shè)最大荷載可能出現(xiàn)在加速度取最大值或位移取最大值的時(shí)刻，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，由式(3)和式(4)得P1(t)max=9.6kN，P2(t)max=14.2kN。保守起見，取Pmax=14.2kN。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)理論分析及動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試，得出以下結(jié)論。

1)施工平臺(tái)在混凝土泵管撞擊荷載作用下，發(fā)生周期性受迫運(yùn)動(dòng)，周期與泵管運(yùn)動(dòng)周期相同，最大位移為0.43mm，最大加速度為0.29g。

2)混凝土泵管撞擊荷載為周期性荷載，周期為4.04s，最大值可取14.2kN。

3)需指出的是，混凝土泵管撞擊荷載最大值是依據(jù)結(jié)構(gòu)施工至12層時(shí)的測(cè)試結(jié)果估算而得，需進(jìn)行更多的測(cè)試研究，以判斷其是否適用于更高層施工平臺(tái)。

4)隨著技術(shù)條件的成熟，建議對(duì)混凝土泵管撞擊荷載與泵車活塞運(yùn)動(dòng)及分配閥換向的關(guān)系進(jìn)行研究，根據(jù)現(xiàn)有泵車型號(hào)及功率，基于混凝土泵管撞擊荷載產(chǎn)生原因，分析總結(jié)通用計(jì)算公式，便于指導(dǎo)工程應(yīng)用。

5)合理的泵管約束是限制泵管位移和減小混凝土泵管撞擊荷載的有效手段。