動臂塔吊的工程案例抗震分析

毛耐民,徐子強,史明輝,呂 龍

(云南大學建筑與規劃學院,昆明650000)

近些年來,以施工時變理論為數值計算基礎,對結構在施工過程中內力和豎向變形累積等問題進行研究的工作有:李瑞禮等[1]利用超級有限元-有限元耦合法對高層結構進行施工模擬分析,傅學怡提出了全面精確施工模擬的計算方法,范峰等[2]利用ANSYS軟件對上海環球金融中心結構建立了較為細化的有限元模型[3]。

該文以昆明地區某酒店項目為實例,分析塔吊在作業時抗震特性,創建模型并進行有限元分析,以找出塔吊在各種荷載形式下的結構薄弱點,并分析薄弱點能否達到抗震要求,是否需要加固,同時為類似工程提供參考和借鑒。

1 項目概況

酒店是大屋面結構高度近167 m 的超高層建筑,塔樓幕墻頂高度近179 m。主體結構共40層,其結構體系為框架-核心筒結構,其中外框為鋼結構,外框柱為鋼管混凝土柱。工程塔吊施加荷載于核心筒剪力墻結構上。塔吊荷載以節點荷載形式加載于塔吊支撐梁上,塔吊支撐梁支撐于核心筒上。

2 模擬塔吊工作狀態

在現行的類似超高層建筑施工中,爬模體系為較為常用的施工工藝,即核心筒先行施工,在核心筒墻體上采用爬模體系進行施工；其次再進行核心筒外圍鋼框架結構施工,最后進行樓板結構施工以及后續的幕墻安裝。

塔吊第二次剛爬升之后的狀態:核心筒施工完成樓層為1～25層,核心筒在上部超前5層,此時外框正好施工到20層。塔吊下部外掛架支撐水平梁位于21層核心筒上,斜撐桿撐到19層墻體上。

塔吊第五次剛爬升之后的狀態:核心筒施工完成樓層為1～37層,核心筒在上部超前5層,此時外框正好施工到32層。塔吊下部外掛架支撐水平梁位于33層核心筒上,斜撐桿撐到31層墻體上。

核心筒超前施工過程中,核心筒內部有2 臺外爬式動臂塔吊,塔吊隨著核心筒的施工按照一定的步驟進行爬升,塔吊支撐結構外爬在核心筒外墻上。立面圖如圖1所示。

塔吊桿件與平臺鉸接,只能朝一個方向轉動。桿件與墻體預埋件固結。混凝土的本構關系采用《混凝土結構設計規范》中的附錄C 提供的公式。鋼筋、鋼材本構關系選擇雙斜線本構模型[5]。

塔吊支撐系統的空間結構形式如圖2所示,分為主支撐梁、豎向斜撐桿及水平撐桿三部分,其中豎向斜撐桿主要將塔吊豎向自重傳遞到墻體上,水平斜撐桿傳遞塔吊水平力。

塔吊在實際運行工作過程中塔吊臂并不總是指向某一特定方向,而是在其能活動的范圍內自由旋轉。為充分考慮塔吊荷載對結構的不利影響,該文所討論的模型均假設塔吊臂與水平方向呈60°夾角[6]。為合理討論該文所選計算模型,假定塔吊臂僅指向南北方向或東西方向,且忽略兩個塔吊存在的荷載差異(僅考慮塔吊分布時忽略兩個塔吊荷載的差別,計算時仍按實際情況考慮兩個塔吊荷載的差異),故共存在16種塔吊分布模型。顯然,當討論塔吊的對稱性時,進一步可簡化為7種塔吊分布模型。

示例:當塔吊布置如圖3(a)時,將其簡化表達為圖3(b)。其余類推。

結構在當前服役期內按抗震設防烈度為6度進行考慮[4],即該文所選的地震波其加速度的最大值分別調至18 cm/s2(多遇地震)、50 cm/s2(設防地震)和125 cm/s2(罕遇地震)[4]。

3 不同工況狀態下危險性評估

3.1 塔吊關鍵節點和關鍵單元節點

塔吊關鍵節點和關鍵單元節點的標注如圖4所示。

3.2 塔吊工作節點及地震波選擇

由于現場進度已經進行到塔吊的第五次爬升,所以選擇第五次爬升作為分析的工作狀態。模擬過程中使用了三種地震波,分別為El Centro波、唐山波、人工波。分別對7種工作狀態進行有限元分析,通過時程分析,El Centro波作用下結構的響應結果比唐山波和人工波激勵下結構的響應要大,即可視El Centro波作用下的結構響應為其包絡值。故僅分析結構在El Centro波作用下結構的動力響應。

通過對7種模型三種地震的有限元分析可知,塔吊分布模式1、2、3、4、5、6、7是結構在地震作用下的不利分布模式(結構響應相近),在“小震”作用下最大位移為第6模型中節點1的55 mm,最大應力為第7模型的單元節點B的1.7 MPa；在“中震”作用下最大位移為第6模型1節點的151 mm,最大應力處為第4模型中B單元節點的4.6 MPa；在“大震”作用下最大位移為第6模型中1節點的390 mm,而最大應力為第5模型A 單元節點的11.5 MPa。

4 局部ABAQUS有限元分析

針對整體分析可知,結構關鍵部位是外掛、塔吊和外掛與核心筒連接部位的預埋件。大震作用下對這些關鍵部位進行局部ABAQUS有限元分析[7]。

從分析結果可以知道結構在遭遇大震作用時,豎向斜支撐桿的應力最大為99.94 MPa,因此塔吊的斜支撐處最容易受到破壞。從塔吊部分的應變圖可以知道,在主支撐梁和核心筒的連接處應變最大為4.547×10-4,連接處的應力最大為93.16 MPa,因此主支撐梁與核心筒的連接處也屬于薄弱點。豎向斜支撐與核心筒的連接處最大應力為3.512 MPa,因此斜支撐與核心筒的連接處相比于主支撐和水平支撐與核心筒的連接處更不易破壞。而斜支撐所用材料為Q345鋼筋,其對應的屈服應力為345 MPa,因此該結構在遭遇大震時不會遭遇破壞。

5 結 語

對該項目塔吊的兩個工作階段的不同荷載狀態進行建模分析,得出塔吊的斜支撐處最容易受到破壞,主支撐梁與核心筒的連接處也屬于薄弱點。

進行了兩次有限元分析,第一次用SAP2000進行整體分析,得出動臂塔吊的薄弱環節為預埋件。第二次用ABAQUS有限元分析預埋件,分別得出小震、中震,大震三種地震下的最大位移和最大應力。

所討論的地震動強度按實際服役期結構的抗震設防烈度進行折減進行,與我國抗規規定的50年設計使用年限要求不一致。若實際情況中發生與討論地震動水平相當的地震作用時,可借鑒該文討論結果；而當發生超過該文所討論范圍地震時,則應按實際情況具體討論。