內(nèi)爬塔式起重機(jī)及輕量化集成平臺附著件承載力試驗(yàn)研究*

伍勇軍，王 磊，李健強(qiáng)，楊 勛，滕洪園， 沈仁菊，李 濤

(1.中建三局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430064； 2.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070)

0 引言

大型建筑工程施工涉及大量塔式起重機(jī)、模架、棧道等設(shè)備，設(shè)備需與結(jié)構(gòu)臨時附著，這些設(shè)備、設(shè)施的傳統(tǒng)附著件主要采用預(yù)埋件和鋼牛腿焊接。傳統(tǒng)附著件主要存在以下缺點(diǎn)：①無法周轉(zhuǎn)、投入量大、成本高；②焊接作業(yè)條件差、安全風(fēng)險高；③施工作業(yè)時間長、影響工期；④產(chǎn)生大量廢棄物，污染環(huán)境。

基于附著件的以上缺點(diǎn)，研發(fā)一種可周轉(zhuǎn)混凝土結(jié)構(gòu)附著件，該附著件由可取出預(yù)埋件及其配套的外部連接件組成，根據(jù)承載位置需求分布在混凝土結(jié)構(gòu)上。該附著件具有可周轉(zhuǎn)使用、綠色經(jīng)濟(jì)；裝配連接、快速高效；工廠制作、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，在成本、工效、安全和環(huán)保上具有顯著優(yōu)勢。

1 工程概況

武漢長江中心項(xiàng)目B1地塊總建筑面積為349 055m2， 建筑高度為380m。B1地塊作為集超高層辦公與特色商業(yè)區(qū)為一體的城市商業(yè)綜合體，具有地區(qū)標(biāo)識性，是繼武漢中心及綠地中心后又一武漢市新地標(biāo)。

該建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)用輕量化集成平臺作為主體結(jié)構(gòu)的施工設(shè)備，并采用內(nèi)爬式塔式起重機(jī)作為垂直運(yùn)輸設(shè)備，設(shè)備通過可周轉(zhuǎn)混凝土附著件與墻體結(jié)構(gòu)連接，如圖1所示。

圖1 集成平臺及塔式起重機(jī)

塔式起重機(jī)可周轉(zhuǎn)附著件包括可取出的預(yù)埋螺栓、定位板、連接螺栓、水平頂緊構(gòu)造和鋼牛腿等；集成平臺可周轉(zhuǎn)附著件包括可取出預(yù)埋螺栓、定位板、連接螺栓和鋼支座等，如圖2所示。

圖2 可周轉(zhuǎn)附著件

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

1)分析內(nèi)爬塔式起重機(jī)附著件在2 000kN設(shè)計(jì)荷載作用下的受力性能及預(yù)埋件周邊墻體和鋼筋的安全性。

2)分析輕量化集成平臺附著件在800kN設(shè)計(jì)荷載作用下的受力性能及預(yù)埋件周邊墻體和鋼筋的安全性。

2.2 試驗(yàn)方法

采用原墻體結(jié)構(gòu)作為塔式起重機(jī)、輕量化集成平臺可周轉(zhuǎn)附著件的加載本體，具體試驗(yàn)步驟如下。

1)內(nèi)爬塔式起重機(jī)附著件靜態(tài)承載力試驗(yàn)采用分級加載，每級荷載為100kN，每級加載完成后持荷5min。加載過程中通過力傳感器測量施加荷載，并通過位移傳感器測量內(nèi)爬塔式起重機(jī)附著件鋼牛腿承載面的豎向位移。

2)輕量化集成平臺附著件靜態(tài)承載力試驗(yàn)同樣采用分級加載，每級荷載為100kN,每級加載完成后持荷5min。加載過程中通過力傳感器測量施加荷載，并通過位移傳感器測量輕量化集成平臺附著件掛爪在水平加載方向上的位移。

3)先進(jìn)行預(yù)加載，加載幅值為設(shè)計(jì)荷載的20%，以便檢查整個加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作性能是否良好，同時消除所測附著件各部件間及其與墻體間潛在的影響加載的縫隙。

2.3 加載裝置設(shè)計(jì)

試件采用1∶1等比例構(gòu)件，在項(xiàng)目現(xiàn)場地下1層某剪力墻位置開展加載試驗(yàn)測試，該剪力墻墻厚、配筋、混凝土強(qiáng)度等級、鋼筋等級與后序用于支撐內(nèi)爬塔式起重機(jī)的墻體相同。墻體平面尺寸及測試構(gòu)件位置如圖3所示。

圖3 墻體平面尺寸及測試構(gòu)件位置

墻體混凝土強(qiáng)度等級為C60，鋼筋等級為HRB335，墻厚400mm，保護(hù)層厚度為35mm，水平分布筋為φ10@125(2排)，豎向分布筋為φ10@125(2排)，拉筋為φ8@375。

內(nèi)爬塔式起重機(jī)附著件鋼牛腿為Q355B鋼，屈服強(qiáng)度為355MPa，彈性模量為206GPa。輕量化集成平臺附著件鋼牛腿為Q235B鋼，屈服強(qiáng)度為235MPa，彈性模量為206GPa。

加載時，內(nèi)爬塔式起重機(jī)附著件以上部安裝的牛腿為反力點(diǎn)。輕量化集成平臺附著件旋轉(zhuǎn)90°安裝，以便利用內(nèi)爬塔式起重機(jī)附著件的鋼牛腿提供反力支點(diǎn)。試驗(yàn)時先進(jìn)行內(nèi)爬塔式起重機(jī)附著件加載測試，完成后再對輕量化集成平臺附著件進(jìn)行加載測試。

2.4 傳感器布置

使用單向應(yīng)變片測量加載過程中內(nèi)爬塔式起重機(jī)附著件預(yù)埋螺栓周圍鋼筋應(yīng)變，內(nèi)爬塔式起重機(jī)、輕量化集成平臺附著件預(yù)埋螺栓周圍應(yīng)變片數(shù)量、位置及編號如圖4所示。

圖4 預(yù)埋螺栓周圍應(yīng)變片布置

使用三向應(yīng)變花測量內(nèi)爬塔式起重機(jī)附著件鋼牛腿最大應(yīng)變部位的應(yīng)變發(fā)展，使用位移傳感器測量鋼牛腿承載面底部豎向位移，如圖5所示。使用位移傳感器測量輕量化集成平臺附著件承載掛爪的水平位移，如圖6所示。

圖5 內(nèi)爬塔式起重機(jī)附著件鋼牛腿應(yīng)變花和位移計(jì)布置

圖6 輕量化集成平臺附著件位移計(jì)布置

3 內(nèi)爬塔式起重機(jī)附著件試驗(yàn)結(jié)果

3.1 荷載位移分析

內(nèi)爬塔式起重機(jī)附著件荷載-位移曲線如圖7所示。由圖7可知，內(nèi)爬塔式起重機(jī)附著件在加載至 2 000kN 設(shè)計(jì)荷載時，荷載-位移曲線基本符合線性關(guān)系，表明整個附著件仍處于彈性階段。達(dá)到 2 000kN 設(shè)計(jì)荷載時，鋼牛腿承載面發(fā)生了6.4mm的豎向位移。

圖7 內(nèi)爬塔式起重機(jī)附著件荷載-位移曲線

3.2 鋼牛腿應(yīng)變分析

內(nèi)爬塔式起重機(jī)附著件鋼牛腿應(yīng)變曲線如圖8所示。

圖8 內(nèi)爬塔式起重機(jī)附著件鋼牛腿應(yīng)變曲線

由圖8a可知，應(yīng)變花1水平向應(yīng)變變化最大，加載至2 000kN設(shè)計(jì)荷載時達(dá)-141με。由圖8b可知，加載至2 000kN設(shè)計(jì)荷載時，該測點(diǎn)的最大和最小主應(yīng)變分別為166，-143με，表明應(yīng)變花1測點(diǎn)仍處于彈性應(yīng)變狀態(tài)。

由圖8c可知，加載至2 000kN設(shè)計(jì)荷載時，應(yīng)變花2斜45°方向應(yīng)變發(fā)展最大，達(dá)-53με。由圖8d可知，加載至2 000kN設(shè)計(jì)荷載時，該處的最大和最小主應(yīng)變分別為101，-54με，表明應(yīng)變花2測點(diǎn)仍處于彈性應(yīng)變狀態(tài)。

比較2個應(yīng)變花的應(yīng)變數(shù)據(jù)可知，應(yīng)變花1測點(diǎn)在加載至2 000kN設(shè)計(jì)荷載時，應(yīng)變水平較高，但仍處于彈性應(yīng)變狀態(tài)。此外通過有限元分析可知，應(yīng)變花1測點(diǎn)部位是鋼牛腿受力時的最大應(yīng)變部位，據(jù)此可推斷整個鋼牛腿在加載至2 000kN設(shè)計(jì)荷載時仍處于彈性應(yīng)變狀態(tài)。

3.3 預(yù)埋螺栓周邊鋼筋應(yīng)變及墻體開裂分析

內(nèi)爬塔式起重機(jī)附著件預(yù)埋螺栓周邊鋼筋應(yīng)變曲線如圖9所示。現(xiàn)場鋼牛腿安裝時，工人對應(yīng)變片外接導(dǎo)線造成了不同程度的毀壞，圖中為尚能正常使用帶編號的應(yīng)變及無編號的應(yīng)變。

圖9 內(nèi)爬塔式起重機(jī)附著件鋼牛腿處預(yù)埋螺栓周邊鋼筋應(yīng)變曲線

由圖9可知，測得的鋼筋最大應(yīng)變?yōu)?10με，對應(yīng)應(yīng)力約為162MPa，未超過HRB335鋼筋的名義屈服應(yīng)力335MPa。試件拆除后，墻體未發(fā)現(xiàn)由加載引起的開裂損傷。

4 輕量化集成平臺附著件試驗(yàn)結(jié)果

4.1 荷載位移分析

輕量化集成平臺附著件荷載-位移曲線如圖10所示。由圖10可知，輕量化集成平臺附著件在加載初期出現(xiàn)位移滑動，這主要由掛爪的銷軸縫隙造成。位移超過2mm后，曲線基本呈線性關(guān)系，表明附著件仍處于彈性工作階段。在達(dá)到800kN設(shè)計(jì)荷載時，掛爪承載面發(fā)生了8.8mm的水平位移。

圖10 輕量化集成平臺附著件荷載-位移曲線

4.2 預(yù)埋螺栓周邊鋼筋應(yīng)變及墻體開裂分析

輕量化集成平臺附著件預(yù)埋螺栓周邊鋼筋應(yīng)變曲線如圖11所示。現(xiàn)場試件安裝時，工人對應(yīng)變片外接線造成了不同程度的毀壞，圖中為尚能正常使用帶編號的應(yīng)變。

圖11 輕量化集成平臺附著件預(yù)埋螺栓周邊鋼筋應(yīng)變曲線

由圖11可知，測得的預(yù)埋螺栓周邊鋼筋最大應(yīng)變?yōu)?40με，對應(yīng)應(yīng)力約為168MPa，未超過HRB335鋼筋的名義屈服應(yīng)力335MPa，表明這些鋼筋在輕量化集成平臺附著件承受800kN設(shè)計(jì)荷載時應(yīng)力水平未超過極限。試件拆除后，墻體未發(fā)現(xiàn)由加載造成的開裂損傷。

5 結(jié)語

1)所測內(nèi)爬塔式起重機(jī)附著件能承受 2 000kN 設(shè)計(jì)靜荷載。Q355B鋼牛腿在 2 000kN 設(shè)計(jì)靜荷載下仍處于彈性狀態(tài)。鋼牛腿預(yù)埋螺栓周邊鋼筋最大應(yīng)變?yōu)?10με，在內(nèi)爬塔式起重機(jī)附著件承受2 000kN設(shè)計(jì)靜荷載時未超過其名義屈服應(yīng)力，試件拆除后，未發(fā)現(xiàn)墻體開裂等損傷。

2)所測輕量化集成平臺附著件能承受800kN設(shè)計(jì)靜荷載，測得的附著件預(yù)埋螺栓周邊鋼筋最大應(yīng)變?yōu)?40με，表明這些鋼筋在輕量化集成平臺附著件承受800kN設(shè)計(jì)靜荷載時應(yīng)力水平未超過其名義屈服應(yīng)力，試件拆除后，未發(fā)現(xiàn)墻體開裂等損傷。