預制構件雙T板專用減振擱置架的有限元分析

樊 驊 時春霞 惲燕春 趙亞軍 張新峰

上海寶岳住宅工業有限公司 上海 201106

1 問題的提出

隨著國家、地方的不斷推廣，裝配式建筑得到了廣泛應用。常見的預制構件運輸方式直接將構件進行堆疊（圖1），運輸中裝配式構件存在高破損率、低物流效率、運輸安全隱患等問題，阻礙著裝配式建筑的發展。

預制預應力混凝土雙T板是從美國引入的混凝土預制構件，適用于跨度大、承重高的結構。該構件采用先張預應力法設計生產，具有截面受力合理、自重輕、承載力大、跨度大等顯著特點，已被國內預制裝配式建筑市場接受并應用。在運輸過程中，因雙T板腹板的三維結構形態，較其他預制構件而言，對運輸的要求更嚴格[1-2]。

本文針對雙T板的結構特點，設計了用于運輸的專用減振擱置架（圖2）。采用專用減振擱置架可以限制雙T板在運輸中的位移，從而避免破損。

圖1 常見預制構件運輸方式

圖2 專業減振擱置架

該專用減振擱置架可以直接堆場放置、車輛自裝卸、單人操作、無需吊裝，降低了運輸破損率，實現了高效運輸。下文從成品構件運輸到施工現場的過程，分析擱置架受力工況，找出危險工況并加以避免，從而提高構件的運輸安全和構件的經濟性。

2 設計方案

工程中，常見的預制雙T板寬2.5 m左右，跨度9～12 m。根據構件常見尺寸、運輸車輛參數，對專用減振擱置架的尺寸進行設計（圖3）。

圖3 專用減振擱置架尺寸示意

擱置架長13 m，寬、高均為3 m。長度方向按1 m一格分隔為13小格，可調節后排豎向鋼排架的水平位置，來適應不同長度雙T板預制構件的擱置。每個擱置架約可堆放4塊雙T板預制構件。

雙T板經歷構件生產、堆場存放、物流運輸及工地卸載等運輸流程，從工廠生產完到運輸至工地現場，主要會有3種受力狀態：靜止受力狀態、運輸中的受力狀態，以及雙T板受外力撞擊的狀態。靜止受力狀態是針對堆場存放的情況，運輸中受力狀態是針對物流運輸的情況，受外力撞擊狀態是針對的工地卸載后的突發意外情況。其中，運輸狀態考慮了緊急制動和彎道2種受力危險情況。

運用計算分析軟件SAP2000搭建減振擱置架有限元三維模型（圖4），施加相應的荷載，考慮動力系數，進行有限元計算分析。

圖4 有限元分析模型

考慮擱置架上的構件是可變的，其荷載按可變荷載考慮，按照GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》分項系數取1.4，動力系數取1.2，兩系數綜合考慮，安全余量足夠。

設計假定，擱置架已采用防護措施，確保雙T板平整擱置，擱置架受力均勻分配。

2.1 荷載信息

2.1.1 靜止狀態

按每塊5 t，碼垛4塊雙T板。豎向荷載200 kN，考慮動力荷載系數1.2，豎向荷載取240 kN，按集中力15 kN施加到鋼梁上，分項系數取1.4。

2.1.2 運輸狀態

擱置架已滿載4塊T形板，運輸前往場地。假設：貨車1從100 km/h的速度緊急制動，制動距離100 m；貨車2以80 km/h的速度過彎，彎道半徑400 m。

豎向荷載取240 kN，按集中力15 kN施加到荷載鋼梁上，分項系數取1.4。

1）緊急制動時，經計算，加速度為3.86 m/s2，作用力為9.65 kN。考慮動力系數后，各支點制動力取12 kN，分項系數取1.4。

2）彎道情況時，作用力為6.17 kN。動力系數取1.2，各支點離心力取4 kN，分項系數取1.4。

2.1.3 外力狀態

當擱置架已滿載（已裝有4塊T形板）時，附近正在吊運的T形板，因意外撞向滿載的擱置架上的第一塊雙T板，高度離擱置架底板約1.2 m。

豎向荷載取240 kN，按集中力15 kN施加到荷載鋼梁上，分項系數取1.4。

現按虎霸塔式起重機的說明書參考，起重設備撞擊的時間為1 s，質量為30 t，半徑為75 m，轉速為0.7 r/min。

經計算，撞擊力為26.25 kN。動力系數取1.2，撞擊力取31.5 kN，附加彎矩為37.8 kN·m。兩側擱置架節點力為7.875 kN，擱置架底板節點附加彎矩為2.362 5 kN·m，分項系數取1.4。

2.2 擱置架加載

SAP2000中模擬3種受力工況，在擱置架上施加對應荷載（圖5）。

圖5 受力分析

3 計算分析

通過SAP2000有限元模擬運行計算，4種情況下的最大撓度位置一樣，其值在56～57 mm，根據鋼結構規范中附錄的撓度容許值為桿件長度的1/150=3 000/150=20 mm＞5.7 mm滿足規范要求。

應力比圖（圖6）顯示在各工況下，結構尚有富余。在緊急制動工況中，擱置架底板兩側構件與底板中間構件受力較大。受力計算結果顯示，緊急制動狀態下構件的最大剪力、最大彎矩、最大應力均為所有工況下最大的，其中，最大應力已接近相關規范的允許值，設計中需注意。

通過計算分析運輸過程中的3種受力工況作用，并與其容許值進行對比，應力撓度均滿足相應要求。經驗算，雙T板在專用減振擱置架上是安全可靠的。

4 應用效果

國內裝配式建筑行業起步相比國外晚，在構件運輸設備方面較落后。目前，有些構件廠仍然使用著最原始的方法進行構件的轉運、堆放及運輸。在采用雙T板專用減振擱置架后，時間和經濟效益明顯變好，其主要有以下幾種優勢：

1）擱置架結構簡單，裝配方便。

2）可以減少多次吊裝，減少入庫與發貨的等待時間和操作人員的人工成本。

3）定制的擱置架滿足大型預制構件的運輸尺寸。

圖6 應力比

4）擱置架可反復利用，并適合多種尺寸的雙T板。

5）降低預制構件在運輸過程中的破損率，提高構件運輸效率。

6）運輸和堆放現場整齊干凈，彰顯建筑產業化特色。

5 結語

本文就預制構件雙T板設計了專用減振擱置架，采用三維有限元建模模擬減振擱置架，計算分析了3種運輸工況，并對其內力、變形、應力比結果作對比分析，提出了運輸中的注意事項。該減振擱置架效果明顯，值得推廣。

1）對比擱置架的3種受力工況，最大撓度發生在同一位置，數值相差不大。最大剪力、最大彎矩與最大應力出現在運輸狀態的緊急制動情況中。應力比能滿足要求。

2）在裝載雙T板和堆放雙T板時，應確保構件上下對齊，構件間采用墊木，墊平墊實，避免構件受力不合理，導致構件受力破損。

3）為確保擱置架上能均勻支撐雙T板，需采取措施確保所有底部橫梁在受力狀態下處于同一水平面上。

4）該減振擱置架效果明顯，可以填補國內空白，解決現在的預制構件運輸問題，極好地保證構件的安全性與便捷性，提高預制構件的經濟性。