裝配式建筑構件自平衡吊具系統有限元分析

田 哲 潘 峰 沈淺灝

上海建工五建集團有限公司 上海 200063

1 研究背景

隨著改革開放以來中國經濟的發展，裝配式建筑變得越來越重要，國內外裝配式建筑都有著不錯的發展[1-8]。國務院辦公廳關于大力發展裝配式建筑的指導意見提出“力爭用10年左右的時間，使裝配式建筑占新建建筑面積的比例達到30%”。裝配式建筑的發展，使得建筑建造方式發生了較大變化，特別是在裝配式建筑施工的構件吊裝過程中，如何高效、精準地調整構件的就位姿態，是提升裝配式建筑施工質量安全的關鍵環節。

本文將通過對自主研發的裝配式建筑構件自平衡吊具系統進行有限元模擬，以期為系統研發和選型提供設計依據。

2 自平衡吊具系統概況

2.1 裝配式建筑的常用吊裝工具與方式

裝配式建筑預制構件常用的2種吊裝方法為直接吊裝法與橫吊梁吊裝法。

直接吊裝法主要是通過吊鉤、鋼絲繩與吊點的組合來完成構件吊裝。對于起吊量較多的預制墻板，通常在預制構件上預埋吊點連接件。常見的預埋吊點形式主要包括：預埋螺母、預埋吊釘與預埋吊環（圖1）。

圖1 直接吊裝法常見預埋吊點形式

橫吊梁吊裝法主要采用專用橫吊梁，根據不同起吊構件對吊點位置進行調整，使得塔吊吊鉤和預制構件重心豎向一致，從而有效避免吊裝過程中預制板塊傾斜，方便預制構件就位。吊點主要采用預制板內預埋吊鉤（環）形式，配套鋼絲繩應根據每次起吊時最重的構件選取（圖2）。

圖2 橫吊梁示意及橫吊梁吊裝法

然而，目前施工現場產業工人經驗水平參差不齊，預制構件起吊前，需要通過手拉葫蘆調整鋼絲繩，使鋼絲繩處于緊繃狀態，此工序中現場調節效率較低，且因現場產業工人操作不當，易出現預制構件斜吊等存在安全隱患的現象。

因此，需要研發適應于裝配式建筑預制構件，特別是異形構件的吊裝工具，以保證預制構件吊運的高效安全。

2.2 裝配式建筑構件自平衡吊具系統

裝配式建筑構件自平衡吊具系統是適用于異形預制構件起吊就位、自動調節平衡的智能化裝備，集“姿態感應、平衡調節、安全鎖扣”等技術于一體。預制構件吊裝預埋件與該設備起吊臂鎖扣后，即可在起吊過程中感應預制構件質量，自動調節吊臂，使得預制構件在起吊過程中保持平穩。該系統主要由質量控制箱體、伸縮平衡吊桿、上下連接吊鉤以及測量控制系統等組成。

3 自平衡吊具系統有限元分析

3.1 自平衡吊具有限元模型建立

有限元軟件Abaqus建模的實際操作過程包括：支撐各部件繪制、各部件材料屬性設置、部件裝配、分析步設置、互相作用設置、荷載加載、網格劃分，以及運算和后處理。

3.1.1 自平衡吊具材料本構模型

自平衡吊具采用Q235型號的鋼材制作，屈服強度為235 MPa，彈性模型為206 GPa，泊松比為0.3。考慮到支撐在加載過程中最大應變≤5%，因此鋼材的應力-應變關系采用理想雙線型隨動強化材料模型（圖3），切線模量E2取彈性模量E1的2%。

圖3 鋼材本構模型

3.1.2 自平衡吊具網格劃分

對于網格劃分，網格單元類型為八節點六面體線性減縮積分單元。該單元適用于細網格劃分、含有接觸問題的數值模擬。根據實際構件和SolidWorks模型，建立有限元模型，網格劃分如圖4所示。

3.1.3 自平衡吊具加載規則

圖4 網格劃分

在吊具體系中，根據實際工作中自平衡吊具的固定方式，假定頂部吊鉤下部的鋼板為固定端，上部耳板承受自重與構件的質量；下部吊鉤則假定一端吊鉤固定約束，另一端受與構件所受重力相當的拉力，在所受荷載作用下進行靜力分析。其加載與約束情況如圖5所示。

圖5 模擬組合荷載

3.2 自平衡吊具有限元結果分析

模擬結果如圖6～圖11所示，從模擬結果可以看出，自平衡吊具穩定，吊鉤耳板整體最大應力222 MPa、最小應力20 MPa。油缸簡化為圓管，兩端焊接鋼板與耳板，由于耳板連接處截面變小，出現應力集中，最大應力出現在銷軸與耳板處。下部吊鉤銷軸整體最大應力43.4 MPa，最小應力7.2 MPa。平均應力25.3 MPa，計算值21.23 MPa，與模型相符合。端部因為存在焊接焊縫，出現應力集中，為正常現象。

圖6 下部吊鉤應力云圖

圖7 上部耳板應力云圖

圖8 下部吊鉤連接耳板應力云圖

圖9 下部吊鉤銷軸應力云圖

圖10 頂部吊鉤連接耳板應力云圖

圖11 頂部吊鉤銷軸應力云圖

下部吊鉤中間耳板處最大應力101 MPa，最小應力6.18 MPa，依據規范的計算值為107.14 MPa，均滿足要求。

頂部吊鉤最大應力為104.1 MPa，整體結構穩定，耳板連接處應力集中。

銷軸平均切應力計算得31.84 MPa，模型計算值為41.49 MPa。基本吻合。

4 規范計算分析

上海某工地60 m處需安裝一片高2.9 m、寬2.6 m、厚0.3 m的裝配式墻板，通過吊具吊裝現場安裝，平衡吊具的承載力有可能不夠，需要對其進行校算。根據鋼結構的基本概念和相關規范，對自平衡吊具進行剛度、強度、連接件等校算。

4.1 基本荷載

油缸如下圖12所示。

圖12 油缸示意

中間油缸部位簡化為φ100 mm×10 mm圓管，桿件本身受拉。拉應力σ =21.23 MPa＜370 MPa，滿足要求

4.2 耳板驗算

耳板如圖13所示。耳板按照GB 50017—2017《鋼結構設計標準》進行驗算，b＝30 mm、a＝30 mm、d0＝30 mm、N＝60 kN、t＝28 mm，耳板寬厚比為1.071 4＜4，滿足要求。耳板幾何尺寸be＝2t＋16＝72 mm＞b＝30 mm，a＝30mm＜4be/3＝96 mm，不滿足要求。

銷軸連接的構造應符合GB 50017—2017《鋼結構設計標準規范》11.6.2節銷軸連接的規定。

對耳板進行驗算：耳板孔凈截面處抗拉強度b1＝min（2t＋16，b-d0/3）＝20 mm，滿足要求；b＝N/（2tb1）＝ 53.571 4 MPa＜fu＝370 MPa，滿足要求；耳板端部截面抗拉（劈開）強度σ＝N/［2t（a-2d0/3）］＝107.142 8 MPa＜fu＝370 MPa，滿足要求；耳板抗剪強度τ＝N/（2tz）＝N/｛2t［（a＋d0/2）2－（d0/2）2］1/2｝＝120 MPa，滿足要求。

4.3 頂部耳板驗算

頂部耳板示意圖如圖14所示。N＝80 kN，b＝25 mm，a＝20 mm，t＝35 mm，寬厚比為0.714＜4，滿足要求；a＝20 mm＜4be/3＝114.66 mm，不滿足要求。

頂部設計承載力為80 kN，取孔凈截面處的抗拉強度b1＝11.67 mm，σ＝97.93 MPa＜fu＝370 MPa，滿足要求；耳板抗剪強度τ＝32.99 MPa＜fv＝120 MPa

4.4 結果對比

對比依據規范的計算結果和有限元模擬結果如表1所

圖13 耳板示意

圖14 頂部耳板示意

示。油缸、中間耳板、頂部耳板和銷軸有限元結果與手算結果誤差分別為16%、6%、6%和23%，誤差在允許范圍內。

表1 構件驗算結果對比

5 結語

本文通過有限元軟件對自平衡吊具的受力進行模擬，結果表明自平衡吊具能夠進行有效的工作。自平衡吊具耳板構件的規范計算結果，表明自平衡吊具構件在自身承載力滿足要求的前提下，還應滿足規范構造要求，才可以安全地工作。自平衡吊具，在規范構造上進行一系列改進，在施工方面可保證安全、高效、準確、可靠，可廣泛推廣使用。