超高层-框-筒-结构中内爬式塔吊附着节点力学性能分析

超高框-筒结构中内爬式塔吊附着节点力学性能分析姚佳琳1张家伟2王泽云3(1．西华大学西华学院四川成都9;2．重庆大学土木工程学院重庆5;3．西华大学建筑与土木工程学院四川成都9)摘要:塔吊的安全性和稳定性决定着整个工程项目能否顺利进行。为了确保塔吊的安全需要对塔吊附着节点的力学性能进行分析。本文以某工程项目为背景用S软件建立了内爬式塔吊附着节点的模型分析了附着节点中牛腿部件的安全储备情况改变附着墙体混凝土级别墙厚和预埋件结构形式后附着墙体和预埋件的受力性能为此类附着点的设计和施工提供了经验。关键词:内爬式塔吊;混凝土墙体;预埋件中图分类号:.3 文献标志码:A 文章编号8－3(4)2－5－5MecacalroeryaaysoneaacetoferalcgoercraenerghraeercreOialin1Giaei2Geyun3(1．lfaayu9a;2．lflggyg5a;3．lfedlgayu9a)t:eydyfreneetndyrt．ssnretsyoeeyfre．srsatsadgetlfrgreyS．eynftsntsd．Mlsftlddtsodnnftefeesfelddsegerendnnsdft．Kys:lgre;el;dt0 前 言塔吊是超高层建筑中必不可少的施工机械塔吊工作的安全性和稳定性决定着整个工程项目能否顺利进行。内爬式塔吊通过附着框架附着于已建墙柱上支承钢梁通过高强螺栓固定于焊接在预埋件上的钢牛腿上。其附着框架及支架的安全性极为重要国内一些学者亦对此进行了分1］为了保证塔吊安全地工作内爬式塔吊的附着部件必须要有足够的安全储备基于此本文对附着框架的支承钢牛腿进行了验算对塔吊附着节点进行了力学性能收稿日期20140122作者简介:姚佳琳(1992－)女重庆人西华大学西华学院土木工程专业学生。E－al:qu@p．na．m

分析。1 工程背景某工程项目用地面积7942m2总建筑面积177756m2其中地上145125m2地下32631m2地上65层地下5层塔楼总高度296.5］。主体结构为框架核心筒结构内部核心筒为钢筋混凝土结构外部筒体为由钢管混凝土柱组成的竖向支撑体系。工程施工面积广工期紧吊装量大故选用两台S420型动臂式内爬式塔吊分别布置在核心筒东北和西南角的电梯井内塔吊平面布置如图1所示。2 承载主钢梁副钢梁的牛腿性能分析焊接在预埋件上的钢牛腿由面板和劲板组合而图1塔吊平面布置g．1ernfre图2牛腿受力示意g．2scmflt成所有牛腿的面板和劲板均采用相同厚度的钢材，牛腿各部件经临时固定安装后运至现场高空焊接于埋置在已建墙柱的预埋件面板上。牛腿钢材参数见表1。表1牛腿钢材参数e1erflt

图3主钢梁牛腿等效应力g．3nssnfetfenlm图4副钢梁牛腿等效应力g．4nssnfetfeelm知应力较大处位于牛腿面板的螺栓孔附近牛腿与钢材型号 钢材厚度/m

弹性模量/(N/m3)

密度/(kg/m3)

泊松比

预埋件面板的焊缝连接处以及牛腿劲板靠近支承钢梁的部位牛腿的最大位移矢量和位置则位于牛腿345B 40 206000 7850 0．3本文采用有限元分析软件BS中320

面板靠近支承钢梁的边缘。由图5图6计算结果可知牛腿整体计算模型的最大等效折算应力为单元对钢牛腿进行模拟计算。钢牛腿焊接于预埋件

255.8N/m2

＜f=265N/m2

＜f=345N/m2最y面板故将预埋件面板边界条件设置为固接。为了验算牛腿的安全储备施加在模型上的荷载取值为塔吊公司提供数据中的最大值竖向力取值为220y

大位移矢量和为0.471m皆满足要求。表2主副钢梁最大参数数值e2emrsflmt水平力取值为55t。塔吊附着框架的支撑钢梁通

参数 Mxmax/(kN·m)

Mymax/(kN·m)

VmaxkN

Nmax/kN

Wmax/m过高强螺栓支承于钢牛腿面板上为使计算模型更接近实际受荷方式竖向力以均布面荷载施加于牛腿面板水平力经均分耦合后施加于螺栓孔侧壁。经BS分析后得到了附着框架主钢梁和副钢梁牛腿的应力及变形图(图34)。由图3图4主副钢梁牛腿等效应力分布可

主钢梁 1023 255．5 716．2 273．3 2．59副钢梁 587．5 26．6 782．7 144．9 2 在施加最大荷载的情况下牛腿承载力储备仍在25%以上且位移矢量为允许最大位移的18%。所以采用这种形式的牛腿具有足够的承载力与刚度可以保证内爬式塔吊在工作状态及非工作状态图70混凝土墙体拉应力g．7Mxlnf0el图5主钢梁牛腿位移矢量g．5trnfetfenlm图8牛腿预埋件等效折算应力g．8Mstsnftds图6副钢梁牛腿位移矢量g．6trnfetfeelm皆有足够的安全储备。3 附着节点分析塔吊荷载的传力路径一般为塔身标准节→顶升框架→附着框架→预埋件→建筑主体结构。附着节点建模时先分别建立混凝土墙体钢筋骨架预埋件和牛腿部件再通过装配和相互作用组合而成。当内爬式塔吊附着框架位于高层建筑下部楼层时核心筒剪力墙厚度为700m混凝土采用70。塔吊荷载根据塔吊公司提供的S420动臂式内爬式塔式起重机内爬各阶段对核心筒的作用力表选取最大荷载值即竖向力为220t水平力为55t荷载简化为均布荷载施加于附着节点牛腿面板上分析结果如图78所示。根据分析结果可知附着墙体的最大主应力为2.95a＜2.99a(70混凝土抗拉强度值)预

埋件最大等效折算应力为115.3a＜295a＜345a均满足混凝土规范要求;同时可见附着墙体的最大拉应力处主要分布在预埋件面板的两侧及上部中间两列锚板处的附着墙体拉应力较大;预埋件主要受力部位分布于面板的上半部分及上部两排锚板处极值位于一排中部两块锚板与面板的连接处。3．1 混凝土强度等级对附着节点受力性能的影响为了分析混凝土强度等级对附着节点受力性能的影响将附着节点模型的混凝土强度等级分别设置为6560和50根据拉应力分布图在混凝土墙体上选取20个特征点进行对比分析结果如图910所示根据等效折算应力分布图在不同等级混凝土预埋件上选取12个特征点进行对比分析结果如图1112所示。表3不同等级混凝土墙体峰值应力e3 ekesfeelfthe混凝土等级 70 65 60 50墙体峰值应力/a 2．95 2．92 2．87 2．65抗拉强度标准值/a2．99 2．93 2．852．64抗拉强度设计值/a2．14 2．09 2．041．89 图95混凝土墙体拉应力g．9Mxllsnf5el 图0相同特征点下不同等级混凝土墙体拉应力对比g．0Mxllstfeelfthenlct

图2相同特征点下不同等级混凝土预埋件等效应力对比g．2tstftdsfeelfthenlct变化但当混凝土强度等级变更为50时等效折算应力有显著的增加但都在规范要求范围内。所以对于厚度一定的塔吊附着墙体混凝土强度等级的变化会对附着墙体的拉应力产生一定的影响工程实践中需要慎重考虑这方面因素从而选择合理的混凝土等级来保证塔吊运行时具有足够的安全储备。3．2剪力墙厚度对附着节点受力性能的影响按核心筒剪力墙厚度随着建筑高度的增加由700m递减为500m建立不同厚度的混凝土墙体附着节点模型部分附着墙体及预埋件的分析结果如图1314所示。图10预埋件折算应力g．1tnsnftdsn0el从表3结果可知此时附着墙体混凝土已部分开裂;对预埋件来说等效折算应力值产生了细微的

图30m厚0混凝土墙体拉应力g．3Mxllsnf0elness0m根据分析结果可知当附着墙体厚度更改为600m和500m时墙体最大拉应力峰值皆符合规范要求即小于混凝土抗拉强度值;但在附着墙体厚度减小时峰值拉应力的分布范围逐渐扩大附着墙体负荷增大及当附着墙体厚度进一步减少时混 图40m厚预埋件等效折算应力g．4nssnfdsness0m凝土会被逐渐拉坏。而在这其中的预埋件应力分布变化甚微且峰值等效折算应力符合要求。3．3 预埋件结构形式对附着节点受力性能的影响附着墙体厚度变更为400m时通过建立模型计算可知峰值拉应力分布范围进一步扩大而接近开裂。所以当附着墙体厚度减小到一定程度后，需要采取一定处理措施通过改变预埋件的结构形式采用了对拉式预埋件。分别建立了600m500m400m厚墙体对拉式预埋件下的附着节点模型其中400m厚墙体对拉式预埋件下的附着节点模型分析结果如图1516所示。

图60m对拉式预埋件等效折算应力g．6nsnsnfdedtnesss0m附着墙体厚度进一步减小为400m墙体拉应力有明显减小且在规范要求的抗拉强度值以内;对于预埋件可见其等效折算应力有些许增加变化不明显;所以改变附着节点预埋件结构形式对减小附着墙体拉应力有一定的改善效果且对较薄附着墙体改善效果较明显而对较厚附着墙体的改善效果则不明显。而当附着墙体厚度进一步减小时仅靠改变预埋件的结构形式已不足以使内爬式塔吊附着节点满足规范要求此时需要采取加固措施如在附着处埋设型钢柱或型钢梁从而提高附着点的抗拉能力。以400m厚50混凝土墙为原型建立附着节点模型改变预埋件锚板排数分析结果如图1718所示。图50m厚对拉式预埋件混凝土墙体拉应力g．5Mxllsnfelnss0mdedtsde由计算结果可知改变预埋件结构形式后对于600m厚附着墙体墙体整体拉应力有明显减小，对于500m厚附着墙体墙体拉应力的分布更加均匀但峰值拉应力已超过混凝土抗拉强度值而当

图7两排锚板时混凝土墙体拉应力分布g．7Mxllsnfelnedtsosfrs(下转第360页)5．3 卸载过程安全措施为使现场实际情况与结构分析模型相吻合提出卸载前条件如下:1)屋盖主体钢结构所有构件全部安装到位;2)所有节点的连接已经完成且验收合格;3)屋盖结构外形已经设计监理等验收合格;4)卸载当天的风力不得大于4级。6 应用效果经对本工程钢结构焊缝分别进行超声波探伤、磁粉探伤和渗透检］未发现超标缺陷分别符合G/2032007标准B类Ⅱ级和A类Ⅲ级焊缝要］;在结构体系转换过程中进行了全程的应变和挠度监控桁架杆件的应变均在弹性范围内变化，

钢管柱脚的焊缝拉应力小于钢管的拉应力实测挠度最大值为41.9m;桁架柱姿态一致径向桁架整齐划一环向桁架曲率园顺收到了钢管桁架屋盖的流畅美观的视觉效果。参考文献:］郭彦林崔晓强．大跨度复杂钢结构施工过程中的若干技术问题及探．工业建筑200434(12)25．］高秋利张玉兰王荣芝．205m跨钢结构施工关键技．施工技术200736(6)1921．］杨文伟姜磊．复杂大跨度钢管桁架结构施工关键技．四川建筑科学研究201036(6)275279．］502052001钢结构工程施工质量验收规．］C/2032007钢结构超声波探伤及质量分级．櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏(上接第349页)图8三排锚板时混凝土墙体拉应力分布g．8Mxllsnfelnedtsesfrs图15和图17与图18比较可知当附着节点预埋件锚板排数变更为两排或三排时附着墙体拉应力有明显增大且超过混凝土的抗拉强度值墙体遭到破坏所以对预埋件来说本工程中所采用四排锚板最为合理。

4 结 论本文对附着节点中的部件和约束进行了一定的简化选取了合适的材料本构模型后建立了内爬式塔吊附着节点的有限元模型。用第一强度理论(最大拉应力)和第四强度理论(等效折算应力)分析了了附着节点中牛腿部件的安全储备情况改变附着墙体的混凝土等级墙厚和预埋件结