M900D塔吊穿墙螺栓连接式牛腿支座的现场加载试验研究.pdf

簿 黧 纛 M 9 O O D 塔吊穿墙螺栓连接式牛腿支座的 现场加载试验研究 赖泽荣 韦洁莹 陈庆军 蔡健 黎哲 于 辰杰 1 广州建筑股份有限公司 广州 5 1 0 0 6 0 2 华南理工大学土木与交通学院 广州 5 1 0 6 4 3 亚热带建筑科学国家重点试验室 广州 5 1 0 6 4 1 4 荷兰代尔夫特理工大学土木与地球科学学院 摘要 广州某超高层建筑施工用的M9 0 0 D 塔 吊采用穿墙螺栓连接式牛腿 与常规预埋式牛腿支座不同 此类牛腿支座 可重复使用 大大节约了预埋构件的钢材用量并降低了施工难度 现场加载试验表明 此牛腿支座在各类设计荷载作 用下 满足设计要求 是安全的 研究结果可为同类型塔吊牛腿支座的选择和设计提供依据 关键词 超高层建筑 M9 0 0 D塔吊 穿墙螺栓 牛腿 现场加载试验 中图分类号 T U 6 1 文献标志码 B DOI 1 0 1 4 1 4 4 j cn k i j z s g 2 0 1 6 0 3 0 2 5 S t u d y o n F i e l d L o a d i n g Te s t o f Br a ck e t Su p p o r t Co n n e ct e d wi t h M9 0 0 0 D T o we r Cran e b y Th r o u g h W a l l B o l t s L AI Z e r o n g WE I J i e y i n g CH E N Qi n g j u n C AI J i a n L I Z h e YU Ch e n j i e 1 Gu a n g z h o u M u n icip a l C o n s t r u ct io n Gr o u p C o L t d Gu a n g z h o u 5 1 0 0 6 0 2 S ch ool o f Ci vil an d T r an s p or t a t ion En g in e er in g S ou t h C hin a Un iv er s i t y o f T echno l og y Gu a ng z h ou 51 0 641 3 S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f S u b t r o p ica l B u il d in g S cie n ce Gu a n g z h o u 5 1 0 6 4 1 4 F a cu lt y o f C iv il E n g in e e r in g a n d G e o s cie n ce s Ab s t r a ct Br a c k e t s u p p o d co n n e ct e d wi t h M9 0 0 0 D t o we r c r a n e b y t h r o u g h wa l l b o lt s h a s b e en u s e d f o r o n e s u p e r h i g h r i s e b u i l d i n g con s t r u ct i o n i n Gu a n g z h o u Di f e r e n t f r 0 m t r a d i t i o n a I e mb e d d e d b r a ck e t s u p p o s u c h k i n d o f s u p p o rt ca n b e r e u s e d s o a s t o s a v e l a r g e a mo u n t s o f s t e eI co n s u mp t i o n f o r e mb e d d e d D a r t s an d r e d u ce co n s t r u ct i o n d i f f i c u l t i e s Th e f i e ld lo a d i n g t e s t h a s a ls o p r o v e d t h a t s u ch b r a ck e t s u p p o rt i s s a f e wh i ch c a n me e t t h e d e s i g n r e q u i r e me n t s u n d e r v a r i o u s d e s i g n I o a d e f f e ct T h e r e f or e t h e r e s e a r c h r e s u l t ca n p r o v i d e a b a s i s f o r s e l e ct i o n a n d d e s i g n o f b r a c k e t s u p p o f o r s i mi lar t o wer c r ane s Ke y wo r d s co n s t r u ct i o n o f s u p e r h i g h r i s e b u i ld i n g M9 0 0 D t o we r c r a n e t h r o u g h wa l l b o l t b r a c k e t s u p p o r t f i e l d l o a d i n g t e s t 0 引言 某超高层建筑结构位于广州市珠江新城 地上6 8 层 地下4 层 塔楼高2 9 5 5 m 建筑总高度3 0 9 4 m 结构形式 为钢一 钢筋混凝土筒中筒混合结构 工程吊车系统采用2 台 M9 0 0 D 塔吊 此类塔吊结构形式比较复杂 无论是构造或 是支座形式 均与常规塔吊有较大不同 本文研究的内爬 式塔吊放置于主梁之上 如图1 所示 主梁通过支承件 如 牛腿等 与核 心筒进行连接 再通过承梁l 承梁2 等形成 面外支承体系 实现可靠的力传递体系 此时 主梁与核 心筒剪力墙的连接是塔 吊支承结构的一个关键部位 其受 力直接关系到整个塔吊的结构安全 常规的连接方法是在 剪力墙中预留钢板 钢板通过锚筋锚固到核心筒剪力墙 中 而后将预制的钢牛腿焊接到此预 留钢板上 再通过螺 栓与主梁进行连接 此类支座受力体系清晰 但施工工作 储简 介 赖 泽 荣 1 9 8 1 一 男 本 科 高级 工 程 师 通信地址 广州市越秀区建设六马路3 号广J I I 一建大厦卅 楼 5 1 0 0 6 0 收 穗 日期 2 0 1 5 1 1 2 7 皿 建 筑 施 工 嘲8 卷 嘲期 量非常大 预埋的钢材造价也很高 0 i 一 I 梨 一 I 1 i Il 图1 支承架平面布置示意 据 此 本 文 提 出 了一 种 新型 的采 用 穿墙 螺栓 固定 M9 0 0 D 塔吊支承梁 的牛腿节点 该节点由牛腿 背板 穿 墙螺栓组成 如图2 所示 细部构造如图3 所示 在剪力墙 浇筑时 预留孔道用于后续螺栓穿过 安装时 首先将背 板及牛腿吊装就位 将螺栓穿过预 留孔道 再通过旋 紧螺 栓来固定住牛腿支座 在塔吊爬升后 可将此部分牛腿支 赖泽荣 韦洁莹 陈庆军 蔡健 黎 哲 于辰 杰 M9 0 0 D塔 吊穿墙 螺栓连接 式牛腿 支座的现 场加 载试验研 究 座卸装后重复使用 为研究本工程中塔吊支承梁牛腿的受力特性 拟进行 现场加载试验 以了解M9 0 0 D 塔吊支承梁牛腿在正常施工 荷载 1 5 倍以及更大施工荷载作用下 螺栓的应力 应 变 牛腿的应力和变形情况 由此评估M9 0 0 D 塔吊施工过 程中的安全性能 l 图2 牛腿构成示意 f1 牛腿正面 b 牛腿侧面 图3 牛腿细部构造 示意 1 试 验概 况 1 1 试件设计与制作 本试验中共采用4 套牛腿支座 牛腿先在工厂预制再 运至施工现场组装完成 其现场加载如图4 图5 所示 其 中 4 个牛腿支座的分布是3 个在上 采用与实际施工时相 同的牛腿摆放方向 1 个牛腿支座在下 采用与实际上下 颠倒的摆放方 向 在上部3 个牛腿上施工制作钢筋混凝土 梁 该粱需与墙体隔开 不接触 并预留长约6 0 0 0 m m的 8 3 2 mm 钢筋 而后施工下部钢筋混凝土梁 该梁同样不 与剪力墙墙体接触 加载时 将千 斤顶放置于下部钢筋 混凝 土梁上 对 牛腿进行加载试验 采用此加载方案的原因是 由于本次 试验是现场试验 而剪力墙墙体也是超 高层建筑的受力墙 体 因此试 验中要保证墙体不开裂 采 用这种加载方式 时 剪 力墙中基本是受到剪 力及压力作用 可防止剪力墙 因受拉而产生裂缝 确保结构安全 1 2 试验加载程序 试验在施工现场进行 牛腿部件安装完毕 加载梁养 护完成后 在现场进行加载试验 试验 由2 部分组成 分别是螺栓预紧力的施加及测量 千斤顶加载 第1 步是按一定顺序施加螺栓预紧力 每次施 I 混 凝 土 梁l I l 幽 幽 腿 1 腿 牛腿 腿 蟊器 k N 五 混凝土梁 I J 苎 兰 i 一 0 0 5m 楼面 一 桂 成 婴 量 3 2 0 0 k N 千斤顶 1 一 1 3 6 5m 楼面 幽 6 0 0 f1 试验加载正面 b 试验加载侧面 图4 现 场加载示意 图5 加载试验示意 加预紧力完毕后测量并记录各螺栓的应变值 通过对应变 的监控来获取螺杆中预应力的大小 第2 步是采用千斤顶对牛腿进行加载 正式加载前进 行牛腿的预加载 预加载分4 级 每级1 0 0 k N 通过预加载 来检查测量仪器是否正常工作 牛腿各连接处是否紧密连 接 应变监测部分的数值有无异常 预加载后卸载至零 并检查仪表的读数是否归零 牛腿设计荷载为1 2 0 0 k N 预估牛腿加载荷载值为2 0 0 0 k N 即1 6 7 倍设计荷载 正 式加载分1 2 级 从0 k NJ 载到 1 2 0 0 k N 每级1 0 0 k N 从 加载开始至加载到设计荷载的过程中 测定并记录各级荷 载下各测试位置的应变值和位移值 然后卸载至0 k N 而 后 分2 0 级 每级1 0 0 k N 重新加载至2 0 0 0 k N 测定并记 录各级荷载下相应位置的应变值和位移值 1 3 试验测试内容 试验过程中 通过3 2 0 0 k N 液压千斤顶施加荷载 试 验加载值由传感器直接读出 通过D H 3 8 1 6 N 静态应变测 试系统与笔记本电脑连接 采集相关的应变数据和位移数 据 每个螺杆两端均粘贴应变片来测定各螺杆的应变 为 此在螺杆端部预留无螺纹区域以便粘贴应变片 在每个螺 2 n 1 6 3 R I川 n n 髓 藜 赖泽荣 韦洁莹 陈 庆军 蔡 健 黎 哲 于 辰杰 M9 0 0 D塔 吊穿墙螺栓连接 式牛腿 支座 的现场加载试验研 究 杆两端各设置1 个钢套简 钢套筒上留孔用于应变片导线 引出 仅在试验牛腿上布置测点和相应的螺杆测点 端部 螺杆套筒也仅用于试验牛腿上 利用应变片和位移计分别 测定构件的应变和位移 其中螺杆 的应力通过螺杆上的应 变片测定 试验牛腿在各级荷载作用下的应力则通过布置 在牛腿各部位的应变片 应变花 来测定 而各级试验荷 载作用下试验牛腿的位移通过位移计 百分表 来测定 位移计和应变片的布置见图6 图中一 击分别表示应 变片 应变花 位移计 图中内侧表示牛腿加载侧 外侧 表示靠近核心筒内部的锚固端一侧 后文均采用此表示方 法 外 拈号 内为外 1 应 变 片 垄 韭 查 韭 2 螺 栓 压 上 螺 栓 螺 栓 堕 固ll 固 j 堕 8 螺 栓 7 墚 栓址 栓 3 螺 栓 三 斗 固Il 固 f 1 螺 栓 外懊I 螺栓 内侧 图6 应变片和位移计布置示意 2试验结果分析 2 1 预紧时螺杆的试验结果分析 为得到预紧螺栓时螺杆的应变变化情况 对螺栓进 行预紧力测试试验 螺杆编号见图6 依照编号按一 定顺 序施加螺栓预紧力 具体顺序为 5 6 7 8 1 2 3 4 通过固定内侧螺母 同时旋紧外侧螺母的方式施加 螺栓预紧力 每次只旋紧1 个螺栓 先用扳手尽可能地拧 紧 而后依次换用0 5 m 1 0 m 1 5 m的力臂施加预紧 力 为便于测量旋紧过程中螺栓的位移和应变 用油性 笔将螺杆内外侧的端部截面的圆周角等分为1 2 份 每份 3 0 每旋紧6 0 采集 1 次位移和应变数据 由于不同螺栓的先后安装会使已安装的螺栓的预应力 发生变化 因此 需再次进行螺栓的旋紧 本试验按同样 的顺序5 6 7 8 1 2 3 4 进行第2 遍及第3 遍的螺栓 旋紧过程 继续采集试验数据 在旋紧过程 中发现 最后3 次旋 紧时 螺杆 的应变较 上一轮变化很小 同时 螺栓最后3 次旋紧转动总角度小于 3 o 以8 螺栓为例 对应螺杆在施加预紧力时的应变过程 变化曲线见图7 由图可见 在第1 轮施加预紧力过程中 固 建 筑 旖 工 第 3 8 卷 第 3 期 9 螺栓在施加预紧力时螺杆的应变增大明显 然后应变逐渐 趋于稳定 螺杆 的应变变化幅值较小 在本螺栓施加预紧 力完毕后 螺杆的应变会 出现一个峰值 但在其他的螺栓 预紧的时候 由于群栓的相互影响 该螺栓的应变也会发 生较大的变化 在第2 轮和第3 轮螺栓施加预紧力的过程 中 螺杆应变变化均没有第1 轮激烈 这是因为在第1 轮 施加预紧力的过程中 螺栓的预紧力已经施加到一个较大 值 在后期预紧力的施加过程中 预紧力的增幅较小 从图 中还 可以看 出 8 螺栓 内侧 的应变 相对外侧 而 言较小 但是 内侧的应 变相对更为平稳 这应 该是 由于 预紧端是在螺栓外侧 旋转螺栓时更直接地对外侧的应 变片造成影响 监控所有的螺栓应变值 可以发现在最 终阶段 在 预紧力施加完毕稳定后 内侧应变值稳 定在 4 0 0 7 0 0 8 后续 的竖向试验 中牛腿表现 出较好的竖 向 变 形能力 表明 了此预应 力可使得牛腿 具有较好的预 紧 力 可满足牛腿的运作需求 因此 根据本文的测试 建 议对于此类牛腿宜控制螺栓 的最后3 次旋紧转动总角度小 干 3 3 4 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 01 2 0 1 4 0 1 6 01 8 02 O O2 2 O 预应力采样次数 次 图7 施加预紧力过程 中8 螺杆应变曲线 2 2 加载阶段分析 2 2 1 牛腿 位移分析 图8 为牛腿两端端部水平方向 竖直方向的荷载一 位 移曲线 可以看出 该牛腿结构在设计荷载作用下保持弹 性 在1 6 7 倍设计荷载作用下 残余变形较小 设计荷载 卸载完全后 继续加载到设计荷载 位移变化较小 所加 荷载超过设计荷载后 位移增加 但增幅不大 说明牛腿 结构的整体竖向位移较小 05 OO 05 10 1 5 2O 牛腿7 位移 mm 圉 1 2 0 0 k N a 牛腿水平位移 一2 O 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 1 8 牛l塍向位 移 mm 一 第1 次 口 副 1 2 0 O k N 右端 一 鲤 麴 疃 蚓 2O 0 O 右端 b 牛腿竖向位移 图8 牛腿荷载一 位移曲线 从荷载一 位移曲线可知 牛腿结构的水平位移量很 瞄 瞄 鼢 伽 弓o O 1 蛴 赖泽荣 韦洁莹 陈庆军 蔡健 黎哲 于辰杰 M9 0 0 D塔 吊穿墙螺栓连 接式牛腿 支座 的现场加载试验研 究 小 最大的水平位移值为1 5 mm 说明牛腿筋板与剪力 墙间的位移量较小 牛腿结构竖向位移值较大 最大的竖 向位移值为1 6 mm 第1 次加载到1 2 0 0 k N的总位移最大为 1 4 m m 其中有1 次6 8 mm的竖向位移突变 而第2 次加 载的最大竖向位移为6 mm 可以发现 由于螺杆中的预应 力存在 结构的水平位移很小 水平位移的出现主要是因 为主梁作用在牛腿上的力距离墙边有一定距离而产生了弯 矩 弯矩使得牛腿发生转动从而发生水平位移 而主要位 移是竖向位移 在约3 0 0 k N的时候发生的牛腿位移突变 说明了在此荷载之后 螺杆的预应力造成的墙与牛腿间的 摩擦力小于外荷载作用 牛腿发生了竖向错动 由于预留 孔道为 5 0 r r L r r l 而预应力螺栓为 4 5 mm 故当预应力螺 杆再次接触N Y L 道后 螺杆依靠剪切作用来抵抗垂直荷载 作用 在此次试验的荷载一 位移曲线中 左端的水平位移及竖 向位移a l l g 右端大 说明试验加载时有一定的偏心 可能 是两侧钢筋无法精确同时受力所导致的 总体而言 除去位移突变部分 曲线基本呈线性增 长 可以看出 在保证螺栓预紧力的前提下 试验牛腿的 水平 竖向位移均处于合理范围 此外 试验过程中剪力 墙无裂缝出现 说明试验的设计是合理的 5 6 2 2 2螺杆应变分析 在加载阶段 螺杆内侧 外侧变形都较为复杂 特别 是靠近牛腿端的内侧 将在弯剪力的直接作用下产生拉压 变形及剪切变形 图9 为1 及7 螺杆的荷载一 应变曲线 可以看出 由于 受到预紧力作用 各螺杆在受荷之前都存在着拉应力 在 后续荷载的作用下 根据试验结果 各螺杆仍然全长受 拉 在试验过程中 螺杆与预埋套管接触产生摩擦 使螺 杆外侧的力小于其内侧的力 致使螺杆的外侧应变小于内 倾li 应变 4 0 0 2 O O 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 0 4 O O 8 O O 1 2 0 0 1 6 0 0 1 螺杆应变 1 0 7 螺杆应变 1 0 6 图例 一第 次 嘣眭lJ 1 2 0 0 内侧 l一第1 次 嘣豳I 1 2 0 O k N 外侧 l 一第2 次船殴到2 1 3 0 内侧 一第2 次 哺副 20 0 0 k N 外侧 a 1 螺杆内外侧应变 b1 7 螺杆内外侧应变 图9 部分螺杆荷载一 应变曲线 从开始加载到加载至设计荷载的过程中 各螺杆始终 保持弹性状态 加载至2 0 0 0 k N 即1 6 7 倍设计荷载 时 螺杆的最大应变为2 8 0 0 8 此值未减去因施加预紧力 而产生的应变值 各螺杆的应变均未达到屈服应变 试 验所用螺杆的屈服应变为3 0 0 0 t r e 因此螺杆在加载过 程中始终处于安全的工作状态 卸载后 各螺杆的应力下 降 并恢复到加载前的应力水平 而各螺杆的变形也基本 恢复至加载前的水平 残余变形较小 2 2 3牛腿板应变分析 与墙接触的牛腿板各测点应变较小 其典型应变如图 l 0 a 的1 测点所示 处于弹性状态 各测点的峰值应变 水平均小于屈服应变 加载至2 0 0 0 k N 即1 6 7 倍设计荷 载 时 各测点的峰值应变仍未达到屈服应变 继续保持 弹性 牛腿竖向肋板的应变在各部件中相对较大 但除了图 1 0 b 所示1 2 测点的最大压应变值为 1 9 5 6 s 外 其余 测点的压应变绝对值均在1 0 0 0 I Z 8以内 可以看出竖向肋 板受力相对其他位置较大 这与牛腿竖 向筋板在这个区域 的截面发生了切角处理 以及受中部筋板的影响相关 建 议将牛腿竖向筋板进行加厚及对截面变化形式进行局部修 改 牛腿中部横肋板最大应变位于3 9 测点 其荷载应变 曲线见图1 0 c 最大应变值为 3 2 2 8 由于牛腿顶 部钢板作为液压千斤顶的加载面直接承受荷载作用 不 便粘贴应变片 故将应变片粘贴在顶部钢板的背面 由 图1 0 d 1 O e 可知 各应变片测得的应变值均小于 1 测点应变 X 1 0 一 a 1 测点应变 3 9 测点应变 X 1 0 C 3 9 测点应变 1 坝 憔蜮 X 1 0 6 b 1 2 测点应变 一 5 0 5 0 1 5 0 2 5 0 3 5 0 4 3 4 5 应变花最大主 应变 X 1 0 一 d 4 3 4 5 应变花最大主应变 图例 一第1 次加载到1 2 0 0 k N 一第2 次 嚆蛭 1 2 0 C 0 k i n 4 00 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 4 3 4 5 应变花最小主应变 X 1 0 6 e 4 3 4 5 应变花最小主应变 图1 O 部分测点的荷载一 应变曲线 2 0 1 6 3 B u i ld i n g C o n s tr u c l i 0 n I 雨l I 赖泽荣 韦洁莹 陈庆军 蔡 健 黎 哲 于辰杰 M9 0 0 D塔 吊穿墙 螺栓连接 式牛腿 支座现 场加 栽试验研 究 9 可以看 出 在设计荷载作用下 牛腿竖 向肋板的应变 最大 顶部及中部水平板应变较小 背板应变也不大 这 表明本牛腿的设计基本上是安全的 3 塔吊牛腿的设计方案 由于此类塔吊牛腿尚未在国内其他塔吊支承支座中应 用 因而其设计方法值得进行探 讨 本文牛腿设计时主要 考虑了如下一些方面 的设计 内容 通过试验检验也表明了 该牛腿结构的安全性 3 1 支承牛腿的设计 根据钢结构设计中的设计方法对钢牛腿进行设计 根 据设计 主梁传递了3 个方 向的荷载 F F z 到牛腿上 如图1 1 所示 在初步设定牛腿尺寸后 可根据 钢结构设 计规范 的规定 对 其进行 强度及稳定验算 具体包括 考虑F 及F 的剪力作用 顶板受到F 2 的局压作用及在 与 F 共同作用下的拉弯或压弯作用 来验算竖向肋板 水平 隔板及顶板等部件的强度 在后续的螺栓计算后 取 出相 应螺栓力 验算与墙接触牛腿面板的强度及孔道承压承载 力 计算焊缝高度 验算各肋板 面板 顶板 的局部稳定 性 图1 1 牛腿受力示意 3 2 支承梁牛腿与墙体的连接螺栓校核 牛腿与剪力墙连接处采用8 个螺栓连接 螺栓连接设计 时 只考虑普通螺栓的承载力 而非摩擦型连接 取支承梁与牛腿连接节点中的几组不 利荷载 对各组 荷载作用下的螺栓群 分别进行抗剪承载力校核 抗拉承 载 力校核 考虑到施工 中的各种不确定因素 建议螺栓设 计应力取值在其设计值的5 0 以内 3 3 混凝土墙体的冲切及局压计算 由于穿墙螺栓受到拉力和剪力的作用 其中的剪力作 用将对其下的混凝土剪力墙发生局压作用 因而需进行其 下混凝土的局压计算 计算局压力时 可近似地将剪力平均分配到8 个螺栓 上 检验其下混凝土的局压承载力 而且由于螺栓靠近牛 腿侧的部分对混凝土有更加直接的作用 因此 验算时建 议只取部分墙厚作为局压区进行验算 局压应力扩散宽度 圃建 筑 旃 工 第 3 8