超高層建筑施工平臺混凝土泵管撞擊荷載研究*

秦非非，謝 楠，郝建兵

(1.北京交通大學土建學院，北京 100044； 2.中建一局國際工程有限公司，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+核心筒束的結構形式。施工時在核心筒束內設置施工平臺，其上設置布料機。通過泵車和泵管將混凝土泵送至數百米高的布料機上，以澆筑核心筒筒壁。泵車采用液壓驅動雙缸往復式活塞，通過分配閥換向實現2個油缸交替工作，壓送混凝土。泵管往復運動，撞擊布料機，使與布料機相連的施工平臺承受周期性水平動荷載作用，此類荷載即為混凝土泵管撞擊荷載。目前，相關規范未對混凝土泵管撞擊荷載取值做出規定[1-2]。

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

混凝土泵管撞擊荷載是作用在超高層建筑施工平臺上的重要水平施工動荷載，以深灣匯云中心J座工程為依托，采用理論分析與現場測試相結合的方式，研究混凝土泵管撞擊荷載特點與取值，為安全合理地設計超高層建筑施工平臺提供依據。

1 布料系統概況

深灣匯云中心J座工程核心筒束由9個筒組成，現場共設2臺HGY24D型布料機，分別位于核心筒對角上，如圖1所示。布料機底座與施工平臺通過螺栓固定，使用SY5123THB-9022C-6GD型泵車泵送混凝土，采用φ125×3.5泵管，泵管與設在核心筒墻體上的預埋件相連。

圖1 布料機位置示意

2 混凝土泵管撞擊荷載理論估算方法

將布料機和施工平臺視為同一結構體系的兩部分，如圖2a所示。結構體系質量主要集中在施工平臺和布料機頂部，可將結構體系簡化為2個質點平面運動體系，如圖2b所示。圖2中，l1為施工平臺與下層樓面的垂直距離；l2為布料機質心與施工平臺的垂直距離；k1為施工平臺側移剛度；k2為布料機側移剛度；m1為布料機底座、平臺板、平臺梁、1/2布料機格構柱和1/2施工平臺臨時支撐質量總和；m2為布料機平衡桿、轉動臺、配重及1/2布料機格構柱質量總和；P(t)為混凝土泵管撞擊荷載。

圖2 計算模型

考慮混凝土泵管撞擊荷載持續時間較短，忽略阻尼力的影響，建立結構體系無阻尼水平運動方程[6]：

(1)

由式(1)可得：

(2)

由式(2)可知，P(t)與施工平臺位移、加速度和布料機頂部位移有關。由于布料機頂部位移無法測得，假設結構體系可能的變形形狀與一階振型或二階振型相似(見圖3)，相應的混凝土泵管撞擊荷載分別為P1(t)，P2(t)。根據圖3可得x1(t)，x2(t)的比值，帶入式(2)得：

(3)

(4)

圖3 結構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、質量(已知量)有關外，還與施工平臺位移、加速度等動力響應有關。

3 動力響應測試

布料機1所在施工平臺不具備測試條件，因此將布料機2所在施工平臺作為測試對象，測試時施工平臺位于12層。

3.1 測點布置

共布置2個位移測點和1個加速度測點，如圖4所示。位移測點1用于測試施工平臺水平位移，布置在施工平臺頂部橫梁上；位移測點2用于測試泵管位移，布置在距施工平臺0.5m的泵管上。加速度測點3用于測試施工平臺沿泵管運動方向的水平加速度(布料機底座與施工平臺剛性連接，假設二者加速度相同)，布置在布料機底座上。

圖4 測點布置示意

3.2 采樣方法

位移采樣頻率為50Hz，采用DH3817型動靜態信號測試系統，傳感器為位移計，采樣零時刻為混凝土澆筑前5s左右。加速度采樣頻率為1 000Hz，采用DH5922型動態信號測試系統，傳感器為加速度計，采樣零時刻為混凝土澆筑前5s左右。

3.3 測試結果分析

本次測試共采集時長1 960s的數據，由采集數據可知，泵管位移、施工平臺位移和加速度具有周期性特征。繪制典型數據時程曲線，如圖5～7所示。

圖5 泵管位移時程曲線

圖6 施工平臺位移時程曲線

圖7 施工平臺加速度時程曲線

由圖5可知，泵管位移變化周期為4.04s，最大位移為2.7mm。當分配閥換向時，泵管位移變化劇烈，首先以較大的幅度向前運動，然后以幾乎相同的幅度向后運動，最后向前運動，持續時間約0.5s。由圖6，7可知，施工平臺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，泵管和施工平臺受迫運動均發生在分配閥換向期間；分配閥換向結束后，泵管和施工平臺進行有阻尼自由振動，振幅均有所衰減，其中泵管振幅衰減更明顯。

4 荷載計算

根據圖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個荷載周期為4.04s，荷載集中作用時間僅為0.5s。在0.5s內，荷載先以Pmax為幅值往復變化1次，然后以0.7Pmax為幅值往復變化1/2次。

圖8 混凝土泵管撞擊荷載模式

假設最大荷載可能出現在加速度取最大值或位移取最大值的時刻，根據測試數據，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 結語

根據理論分析及動力響應測試，得出以下結論。

1)施工平臺在混凝土泵管撞擊荷載作用下，發生周期性受迫運動，周期與泵管運動周期相同，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結構施工至12層時的測試結果估算而得，需進行更多的測試研究，以判斷其是否適用于更高層施工平臺。

4)隨著技術條件的成熟，建議對混凝土泵管撞擊荷載與泵車活塞運動及分配閥換向的關系進行研究，根據現有泵車型號及功率，基于混凝土泵管撞擊荷載產生原因，分析總結通用計算公式，便于指導工程應用。

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。