某地塊項(xiàng)目塔吊支撐系統(tǒng)受力性能研究

藍(lán) 輝

(中山市第二建筑設(shè)計(jì)院有限公司， 廣東 中山 528400)

1 工程項(xiàng)目研究背景

某項(xiàng)目為一超高層建筑，結(jié)構(gòu)為框架核心筒體系，為了滿足施工中的設(shè)備吊裝需要，使用一型號(hào)為ZSL2700的塔吊，塔吊安裝在核心筒位置，并隨著核心筒的高度不斷爬升，塔吊也進(jìn)行爬升。塔吊在使用過(guò)程中使用兩部套架鋼梁附著，分別為稱之為上部套架鋼梁與下部套架鋼梁，上下部套架間距 20m，塔吊與下部套架鋼梁通過(guò)螺栓固定，與上部套架鋼梁僅在側(cè)向連接，根據(jù)這種連接方式下部套架鋼梁與塔吊可以認(rèn)為是簡(jiǎn)支。根據(jù)塔吊的說(shuō)明對(duì)塔吊的受力進(jìn)行分析：下部套架鋼梁承受來(lái)自塔吊的豎向荷載V和水平荷載H2。上部套架鋼梁只起側(cè)向支撐作用，不承受豎向荷載，僅承受水平荷載 H1。塔吊套架分析僅考慮水平力 H1，H2及豎向力V的影響。塔吊具體受力示意圖見下圖1。根據(jù)塔吊說(shuō)明書，可以得知H1、H2、V、MK等具體參數(shù)。

圖1 塔吊受力示意圖

由于該塔吊體系布置在核心筒內(nèi)，核心筒在結(jié)構(gòu)受力中發(fā)揮重要作用，有必要對(duì)該體系進(jìn)行受力分析研究，并對(duì)上下套架鋼梁與預(yù)埋件和剪力墻的受力情況作出評(píng)價(jià)，便于施工和設(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究。

2 有限元建模

ABAQUS有限元建模可以分為以下幾步[1](1)創(chuàng)建部件;(2)定義材料、截面屬性;(3)定義裝配件;(4)設(shè)置分析步,根據(jù)實(shí)際的加載方式,設(shè)置多個(gè)分析步;(5)定義相互約束；(6)定義邊界條件和載荷;(7)劃分網(wǎng)格;(8)提交作業(yè)進(jìn)行計(jì)算。

依據(jù)設(shè)計(jì)資料，分析上述模型荷載工況下結(jié)構(gòu)的受力性能，整體模型及荷載布置如圖 2所示，圖中四個(gè)黃色箭頭區(qū)域?yàn)樗搅柏Q向力的加載面。鋼梁和牛腿及鋼板的材料為Q345,混凝土強(qiáng)度為C60，鋼筋型號(hào)為HRB400。對(duì)于混凝土，ABAQUS中共有三種混凝土本構(gòu)模型[2]混凝土彌散裂縫模型、混凝土脆性破裂模型、混凝土損傷塑性模型。本文選用的是混凝土損傷塑性模型,它能夠模擬在低圍壓時(shí),混凝土受到單調(diào)、循環(huán)或動(dòng)載作用下的力學(xué)行為。

該塔吊系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)中對(duì)稱布置，受到各個(gè)方向的水平荷載，因塔吊系統(tǒng)平面布置為東西方向?qū)ΨQ，僅考慮一側(cè)0°、45°、90°、135°、180°共5個(gè)方向的水平荷載。根據(jù)塔吊參數(shù)說(shuō)明書荷載條件可得，對(duì)上部套架鋼梁，非工作狀態(tài)荷載較大，H1=240t；對(duì)下部套架鋼梁，工作狀態(tài)荷載較大， V=530t， H2=144t。同時(shí)考慮荷載組合（1.2恒+1.4活）的影響。

圖2 整體模型和荷載布置

3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)各個(gè)工況下的有限元分析結(jié)果歸納總結(jié)，求出最不利工況，在最不利工況下進(jìn)行有限元建模分析。

下部套架鋼梁：計(jì)算出了鋼梁應(yīng)力狀態(tài)，最大應(yīng)力為345.4MPa，以及鋼梁最大豎向位移12.92mm，并指了鋼梁應(yīng)力比大于0.7和1.0的位置在鋼梁端部，通過(guò)應(yīng)力云圖分析可得在鋼梁端部處存在局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，在該部位出現(xiàn)局部應(yīng)力比大于1.0的情況，其他位置均處于彈性階段，鋼梁的最大變形為12.92mm，鋼梁變形滿足規(guī)范[3]受彎構(gòu)件撓度容許值要求（L/250），鋼梁整體受力滿足材料的承載能力，鋼梁構(gòu)件安全。

預(yù)埋件牛腿：計(jì)算出了預(yù)埋件牛腿應(yīng)力狀態(tài)以及牛腿豎向位移。通過(guò)應(yīng)力云圖分析可得，預(yù)埋件牛腿局部端板焊接處同樣存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，牛腿最大應(yīng)力為345.8MPa,最大豎向位移為1.153mm，但整體均處于彈性狀態(tài)，整個(gè)預(yù)埋件的受力滿足鋼材承載能力要求，且能控制牛腿的豎向位移在較小狀態(tài)，因此預(yù)埋件在施工過(guò)程中一直處于安全狀態(tài)。

核心筒剪力墻：核心筒剪力墻是結(jié)構(gòu)體系中的重要構(gòu)件，分析該位置的受力狀態(tài)尤為重要。通過(guò)有限元模型計(jì)算了該位置剪力墻混凝土的最大主應(yīng)力為2.642MPa，并指出了混凝土受拉損傷較為嚴(yán)重的部位在牛腿與混凝土的交界面位置。通過(guò)應(yīng)力云圖分析可得，混凝土部分同樣存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在預(yù)埋件與剪力墻混凝土交界面處混凝土出現(xiàn)局部受拉破壞，但是因?yàn)榛炷疗茐牡拿娣e較小，對(duì)整個(gè)剪力墻受力不會(huì)產(chǎn)生較大的影響，因此該位置剪力墻在施工過(guò)程中也處于較為安全的狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一個(gè)超高層實(shí)際工程項(xiàng)目的塔吊支撐系統(tǒng)，并對(duì)該塔吊系統(tǒng)的受力情況進(jìn)行了力學(xué)分析，將塔吊系統(tǒng)荷載組合求出最不利受力工況，同時(shí)為評(píng)價(jià)該系統(tǒng)在某一層施工的安全性，使用大型通用有限元分析軟件ABAQUS建立有限元模型，主要側(cè)重于上下部套架鋼梁、預(yù)埋件牛腿、核心筒混凝土剪力墻部分的受力情況，通過(guò)對(duì)比分析應(yīng)力云圖和破壞情況，對(duì)該系統(tǒng)在施工過(guò)程的安全性做出評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，該系統(tǒng)在施工過(guò)程中鋼梁、預(yù)埋件和核心筒剪力墻局部位置均出現(xiàn)應(yīng)力集中，但是由于應(yīng)力集中區(qū)域較小，因此整體處于安全狀態(tài)。該工程項(xiàng)目的分析方法和結(jié)果可以為工程的施工提供參考研究。

[1]繆俊.預(yù)制裝配式部分鋼骨混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)有限元分析[D].大連理工大學(xué)，2014

[2]石亦平，周玉蓉..ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2006

[3]GB50017-2016,鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2016.