不同工況下裝配式建筑施工裝備平臺(tái)受力分析*

焦安亮，賀可強(qiáng)，VICTOR Kuzin，黃延錚，潘曉蒙，陳 璐

(1.中國建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450004； 2.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 青島 266555；3.俄羅斯工程院地礦學(xué)部，俄羅斯 莫斯科 125009)

0 引言

近年來，我國不斷加快推進(jìn)綠色建筑的發(fā)展，綠色建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程不斷提速。作為可持續(xù)建筑的代表，裝配式建筑正成為未來新建建筑的主要形式[1-2]。目前，我國在裝配式建筑建造技術(shù)方面仍停留在傳統(tǒng)的粗放型建造階段，人工成本持續(xù)增長等問題制約著裝配式建筑的進(jìn)一步發(fā)展。利用大型裝配式建筑自動(dòng)化施工平臺(tái)進(jìn)行建造施工，是解決裝配式建筑建造問題的有力途徑[3-6]。因此，裝備平臺(tái)構(gòu)造、設(shè)計(jì)受到越來越多專家、學(xué)者及工程技術(shù)人員的關(guān)注。

本文以中國建筑第七工程局有限公司研發(fā)的裝配式建筑構(gòu)件吊裝安裝綜合裝備為依托[3]，通過建立裝備數(shù)值模型，根據(jù)裝備應(yīng)用環(huán)境及施工順序等，對(duì)裝備專用起重平臺(tái)在不同工況下的結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行計(jì)算分析，進(jìn)而驗(yàn)證平臺(tái)強(qiáng)度與穩(wěn)定性。

1 裝備平臺(tái)概況

裝配式建筑構(gòu)件吊裝安裝綜合裝備是集構(gòu)件自動(dòng)取放、吊運(yùn)、調(diào)姿、就位、混凝土澆筑于一體的自動(dòng)化、數(shù)字化、模塊化、平臺(tái)式大型施工綜合裝備，如圖1所示。

專用起重平臺(tái)是綜合裝備運(yùn)行的基礎(chǔ)，集成了綜合裝備各功能系統(tǒng)，通過同步頂升系統(tǒng)，帶動(dòng)各功能系統(tǒng)隨施工進(jìn)程按樓層提升。專用起重平臺(tái)包括支撐柱、支撐附墻、建筑外圍專用起重平臺(tái)框、平臺(tái)頂升系統(tǒng)、支撐節(jié)提升引進(jìn)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、平臺(tái)與建筑基點(diǎn)變動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、人工作業(yè)平臺(tái)系統(tǒng)、平臺(tái)框工作臨時(shí)穩(wěn)定裝置等。

為滿足綜合裝備專用起重平臺(tái)吊裝安裝功能的基本要求，并提高施工效率，平臺(tái)整體采用空間桁架結(jié)構(gòu)，共3層，如圖2所示。

結(jié)構(gòu)上層為豎向構(gòu)件吊裝裝置提供運(yùn)行平臺(tái)，平臺(tái)框由2根縱梁和2根橫梁組成口字形框架，如圖3所示。

結(jié)構(gòu)中間層為豎向構(gòu)件臨時(shí)定位支架提供支撐平臺(tái)，平臺(tái)框由2根縱梁和2根橫梁組成口字形框架，如圖4所示。

結(jié)構(gòu)下層為水平構(gòu)件吊裝裝置提供運(yùn)行平臺(tái)，平臺(tái)框由2根縱梁和4根橫梁組成目字形框架，如圖5所示。

綜合裝備專用起重平臺(tái)設(shè)計(jì)覆蓋建筑物最大尺寸為74m×19m(長×寬)，支撐柱中心縱向距建筑物最外緣2～4m，支撐柱中心橫向距建筑物最外緣2～2.75m，平臺(tái)懸挑11.06m。豎向構(gòu)件吊裝裝置大車中心距支撐柱中心最大距離為6 356mm，水平構(gòu)件吊裝裝置大車中心距支撐柱中心最大距離為7 530mm，上層平臺(tái)框頂部距施工層10.47m。

為加強(qiáng)專用起重平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體性，確保結(jié)構(gòu)安全，在平臺(tái)四角及每2個(gè)支撐間設(shè)置上、中、下層平臺(tái)框連系節(jié)，連系節(jié)兩端與上、中、下層平臺(tái)框固接，上、中、下層平臺(tái)框爬升套架與連系節(jié)間設(shè)剪叉式組合拉桿，使上、中、下層平臺(tái)框成為整體受力結(jié)構(gòu)，拉桿端設(shè)可調(diào)長度對(duì)拉螺栓調(diào)節(jié)裝置，如圖6所示。

2 裝備平臺(tái)結(jié)構(gòu)

2.1 平臺(tái)尺寸

裝配式建筑構(gòu)件吊裝安裝綜合裝備主要用于裝配式建筑建造階段，屬于臨時(shí)性結(jié)構(gòu)，但此類裝備體型巨大，屬于重大裝備，其結(jié)構(gòu)安全等級(jí)要求為一級(jí)。

裝備平臺(tái)尺寸為40 300mm×21 716mm×12 667.5mm(長×寬×高)，單個(gè)平臺(tái)框截面尺寸為1 600mm×1 600mm(長×寬)，裝備上層平臺(tái)框與中間層平臺(tái)框及中間層平臺(tái)框與下層平臺(tái)框間距均為3 600mm，裝備尺寸及布局如圖7所示。

2.2 平臺(tái)荷載

2.2.1重力荷載

1)平臺(tái)上恒荷載包括建筑外圍專用起重平臺(tái)框、人工作業(yè)輔助裝置、吊裝作業(yè)輔助系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等在內(nèi)的平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重，約2 520.7kN。

2)平臺(tái)上活荷載包括模板系統(tǒng)荷載20kN、豎向構(gòu)件垂直度調(diào)節(jié)系統(tǒng)荷載20kN、上層豎向構(gòu)件吊運(yùn)系統(tǒng)荷載516.7kN、下層水平構(gòu)件吊運(yùn)系統(tǒng)荷載160kN、檢修荷載1.5kN/m及豎向構(gòu)件垂直度調(diào)節(jié)器水平推力1.5kN。

2.2.2風(fēng)荷載

平臺(tái)結(jié)構(gòu)采用整體設(shè)計(jì)，當(dāng)綜合裝備處于工作狀態(tài)時(shí)，計(jì)算風(fēng)壓為500Pa；當(dāng)綜合裝備處于非工作狀態(tài)時(shí)，計(jì)算風(fēng)壓為800Pa。

風(fēng)荷載包括平臺(tái)和臨時(shí)定位支架自身承擔(dān)的風(fēng)荷載及構(gòu)件吊裝裝置在風(fēng)荷載作用下對(duì)平臺(tái)的作用力，如表1，2所示。

表1 豎向構(gòu)件吊裝裝置風(fēng)荷載

表2 水平構(gòu)件吊裝裝置風(fēng)荷載

3 平臺(tái)工況設(shè)計(jì)

3.1 施工原則

采用裝配式建筑構(gòu)件吊裝安裝綜合裝備進(jìn)行裝配式建筑施工時(shí)，豎向與水平構(gòu)件同步吊裝，構(gòu)件吊裝順序在空間上遵循由遠(yuǎn)及近的原則[7-8]，設(shè)置水平構(gòu)件垂直運(yùn)輸系統(tǒng)一端為近端，從遠(yuǎn)離水平構(gòu)件垂直運(yùn)輸系統(tǒng)的一端向近端吊裝；構(gòu)件吊裝順序在時(shí)間上遵循先水平構(gòu)件、后豎向構(gòu)件的原則，即在保證遠(yuǎn)端水平構(gòu)件吊裝完成的情況下，再進(jìn)行該處豎向構(gòu)件吊裝，同時(shí)進(jìn)行近端水平構(gòu)件吊裝，從而實(shí)現(xiàn)空間上分離、時(shí)間上重疊的交叉施工。

吊裝預(yù)制內(nèi)、外墻前，確保墻板相鄰水平構(gòu)件全部吊裝完畢。

3.2 工況設(shè)計(jì)

根據(jù)前文所述，綜合裝備處于工作狀態(tài)及非工作狀態(tài)時(shí)的受力情況不同，經(jīng)綜合分析，該專用起重平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全計(jì)算需考慮以下工況。

1)工況1 構(gòu)件吊裝裝置處于初始狀態(tài)，如圖8所示。

2)工況2 豎向構(gòu)件吊裝裝置移動(dòng)至專用起重平臺(tái)端部，抓取墻板，此時(shí)水平構(gòu)件吊裝裝置吊運(yùn)樓板至與豎向構(gòu)件吊裝裝置同側(cè)的最大極限距離位置處，且水平構(gòu)件吊裝裝置起重小車吊運(yùn)樓板至裝置一端最大極限距離位置處，如圖9所示。

3)工況3 豎向構(gòu)件吊裝裝置吊運(yùn)墻板至最外側(cè)墻板安裝處，其起重小車吊運(yùn)墻板至運(yùn)行大車一端的最大極限距離位置處，此時(shí)水平構(gòu)件吊裝裝置吊運(yùn)樓板至與豎向構(gòu)件吊裝裝置同側(cè)最大極限距離位置處，且水平構(gòu)件吊裝裝置起重小車吊運(yùn)樓板至裝置一端最大極限距離位置處，如圖10所示。

4)工況4 豎向構(gòu)件吊裝裝置與水平構(gòu)件吊裝裝置同時(shí)處于建筑物中部，2套裝置的起重小車同時(shí)處于運(yùn)行大車一側(cè)極限距離位置處，如圖11所示。

5)工況5 當(dāng)綜合裝備處于非工作狀態(tài)時(shí)，豎向和水平構(gòu)件吊裝裝置分別位于專用起重平臺(tái)兩側(cè)且無吊運(yùn)構(gòu)件，如圖12所示。

3.3 荷載組合

根據(jù)前文所述5種工況，分別采用以下荷載組合：①1.35D+0.7×1.4L；②1.2D+1.0×1.4L±0.6×1.4W；③1.2D±1.0×1.4W+0.7×1.4L；④1.0D+1.0×1.4L±0.6×1.4W；⑤1.0D±1.0×1.4W+0.7×1.4L，其中D為恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值，L為活荷載標(biāo)準(zhǔn)值，W為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值。

3.4 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)

專用起重平臺(tái)4根支撐柱位于中部兩側(cè)，平臺(tái)端部為懸挑結(jié)構(gòu)，懸挑長度11.06m，平臺(tái)中部跨度18m，為大跨度結(jié)構(gòu)，整個(gè)平臺(tái)頂部相當(dāng)于豎向懸臂結(jié)構(gòu)，高度為13m，對(duì)撓度敏感[9]。

根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定[10]，專用起重平臺(tái)梁最大擾度需小于受彎構(gòu)件跨度的1/400。為保證吊裝裝置精度，上、下平臺(tái)縱梁作為吊裝裝置軌道承載結(jié)構(gòu)，最大擾度應(yīng)小于梁跨度的3/1 000。

臨時(shí)定位支架由雙榀桁架組成，雙榀桁架作為墻板吊裝通道，與墻板間隙為40mm(一側(cè))。為確保吊裝安全，臨時(shí)定位支架處于工作狀態(tài)時(shí)在風(fēng)荷載作用下的變形不宜過大，即<40mm的空間間隙。

根據(jù)JGJ 202—2010《建筑施工工具式腳手架安全技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定[11]，整個(gè)專用起重平臺(tái)作為懸挑結(jié)構(gòu)，為避免P-Δ效應(yīng)，工作狀態(tài)下的最大擾度要求為37.5mm，非工作狀態(tài)下的最大擾度要求為60mm。

為避免共振，專用起重平臺(tái)自振頻率不能與構(gòu)件吊裝裝置接近。豎向和水平構(gòu)件吊裝裝置自振周期如表3，4所示。

表3 豎向構(gòu)件吊裝裝置自振周期

表4 水平構(gòu)件吊裝裝置自振周期

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 工作狀態(tài)時(shí)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)

1)風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)x向位移如圖13所示。

2)風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)y向位移如圖14所示。

3)標(biāo)準(zhǔn)組合下(恒荷載+活荷載+起重機(jī)荷載)結(jié)構(gòu)z向位移如圖15所示。

4.2 非工作狀態(tài)時(shí)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)

1)風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)x向位移如圖16所示。

2)風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)y向位移如圖17所示。

4.3 結(jié)構(gòu)桿件強(qiáng)度和穩(wěn)定性

處于工作狀態(tài)時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力比如圖18所示。

4.4 專用起重平臺(tái)自振周期與振型

1)第1振型為y向平動(dòng)(見圖19)，周期0.786 4s，頻率1.271 6Hz。

2)第2振型為扭轉(zhuǎn)(見圖20)，周期0.675 7s，頻率1.479 9Hz。

3)第3振型為x向平動(dòng)(見圖21)，周期0.591 4s，頻率1.691Hz。

4.5 結(jié)果分析

1)水平位移

工作狀態(tài)下，專用起重平臺(tái)在x向風(fēng)荷載作用下的最大變形為5.240mm，臨時(shí)定位支架在y向風(fēng)荷載作用下的最大變形為25.887mm。非工作狀態(tài)下，專用起重平臺(tái)在y向風(fēng)荷載作用下的水平位移較大，為40mm，小于規(guī)范要求的60mm。綜上所述，專用起重平臺(tái)和臨時(shí)定位支架水平位移均滿足設(shè)計(jì)要求。

2)豎向位移

工作狀態(tài)下，專用起重平臺(tái)在工況2下的懸挑部位豎向變形最大，為39.212mm；專用起重平臺(tái)在工況4下的支撐之間縱梁中部豎向變形最大，為23.5mm(縱梁相對(duì)支撐柱的變形)，撓度為1.3/1 000，滿足設(shè)計(jì)要求。

3)平臺(tái)桿件受力

計(jì)算得到的工況1～4下平臺(tái)桿件強(qiáng)度和穩(wěn)定性均滿足設(shè)計(jì)要求，在最大吊載情況下，桿件滿足安全性要求。

4)平臺(tái)自振特性

吊裝裝置和專用起重平臺(tái)自振頻率差別較大，可有效避免結(jié)構(gòu)共振。

5 結(jié)語

在裝配式建筑構(gòu)件吊裝安裝綜合裝備研發(fā)試用階段，提前利用有限元軟件建立裝備平臺(tái)模型，結(jié)合裝備應(yīng)用原則，通過設(shè)計(jì)不同工況分析裝備平臺(tái)受力，以驗(yàn)證裝備的安全性。工作狀態(tài)下，裝備在y向受風(fēng)荷載的影響較大，最大變形達(dá)25.887mm，因此在裝備應(yīng)用階段需提前采取防風(fēng)措施。懸挑部位在工況2下的豎向變形最大，因此進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)用時(shí)，應(yīng)對(duì)懸挑部分豎向位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，尤其是監(jiān)測(cè)工況2下的豎向位移，做好監(jiān)測(cè)記錄，以滿足裝備安全性需求。吊裝裝置與專用起重平臺(tái)自振頻率差別較大，在后期應(yīng)用階段，可不作為主要參考依據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄。