动臂塔吊的工程案例抗震分析

毛耐民,徐子强,史明辉,吕 龙

(云南大学建筑与规划学院,昆明650000)

近些年来,以施工时变理论为数值计算基础,对结构在施工过程中内力和竖向变形累积等问题进行研究的工作有:李瑞礼等[1]利用超级有限元-有限元耦合法对高层结构进行施工模拟分析,傅学怡提出了全面精确施工模拟的计算方法,范峰等[2]利用ANSYS软件对上海环球金融中心结构建立了较为细化的有限元模型[3]。

该文以昆明地区某酒店项目为实例,分析塔吊在作业时抗震特性,创建模型并进行有限元分析,以找出塔吊在各种荷载形式下的结构薄弱点,并分析薄弱点能否达到抗震要求,是否需要加固,同时为类似工程提供参考和借鉴。

1 项目概况

酒店是大屋面结构高度近167 m 的超高层建筑,塔楼幕墙顶高度近179 m。主体结构共40层,其结构体系为框架-核心筒结构,其中外框为钢结构,外框柱为钢管混凝土柱。工程塔吊施加荷载于核心筒剪力墙结构上。塔吊荷载以节点荷载形式加载于塔吊支撑梁上,塔吊支撑梁支撑于核心筒上。

2 模拟塔吊工作状态

在现行的类似超高层建筑施工中,爬模体系为较为常用的施工工艺,即核心筒先行施工,在核心筒墙体上采用爬模体系进行施工；其次再进行核心筒外围钢框架结构施工,最后进行楼板结构施工以及后续的幕墙安装。

塔吊第二次刚爬升之后的状态:核心筒施工完成楼层为1～25层,核心筒在上部超前5层,此时外框正好施工到20层。塔吊下部外挂架支撑水平梁位于21层核心筒上,斜撑杆撑到19层墙体上。

塔吊第五次刚爬升之后的状态:核心筒施工完成楼层为1～37层,核心筒在上部超前5层,此时外框正好施工到32层。塔吊下部外挂架支撑水平梁位于33层核心筒上,斜撑杆撑到31层墙体上。

核心筒超前施工过程中,核心筒内部有2 台外爬式动臂塔吊,塔吊随着核心筒的施工按照一定的步骤进行爬升,塔吊支撑结构外爬在核心筒外墙上。立面图如图1所示。

塔吊杆件与平台铰接,只能朝一个方向转动。杆件与墙体预埋件固结。混凝土的本构关系采用《混凝土结构设计规范》中的附录C 提供的公式。钢筋、钢材本构关系选择双斜线本构模型[5]。

塔吊支撑系统的空间结构形式如图2所示,分为主支撑梁、竖向斜撑杆及水平撑杆三部分,其中竖向斜撑杆主要将塔吊竖向自重传递到墙体上,水平斜撑杆传递塔吊水平力。

塔吊在实际运行工作过程中塔吊臂并不总是指向某一特定方向,而是在其能活动的范围内自由旋转。为充分考虑塔吊荷载对结构的不利影响,该文所讨论的模型均假设塔吊臂与水平方向呈60°夹角[6]。为合理讨论该文所选计算模型,假定塔吊臂仅指向南北方向或东西方向,且忽略两个塔吊存在的荷载差异(仅考虑塔吊分布时忽略两个塔吊荷载的差别,计算时仍按实际情况考虑两个塔吊荷载的差异),故共存在16种塔吊分布模型。显然,当讨论塔吊的对称性时,进一步可简化为7种塔吊分布模型。

示例:当塔吊布置如图3(a)时,将其简化表达为图3(b)。其余类推。

结构在当前服役期内按抗震设防烈度为6度进行考虑[4],即该文所选的地震波其加速度的最大值分别调至18 cm/s2(多遇地震)、50 cm/s2(设防地震)和125 cm/s2(罕遇地震)[4]。

3 不同工况状态下危险性评估

3.1 塔吊关键节点和关键单元节点

塔吊关键节点和关键单元节点的标注如图4所示。

3.2 塔吊工作节点及地震波选择

由于现场进度已经进行到塔吊的第五次爬升,所以选择第五次爬升作为分析的工作状态。模拟过程中使用了三种地震波,分别为El Centro波、唐山波、人工波。分别对7种工作状态进行有限元分析,通过时程分析,El Centro波作用下结构的响应结果比唐山波和人工波激励下结构的响应要大,即可视El Centro波作用下的结构响应为其包络值。故仅分析结构在El Centro波作用下结构的动力响应。

通过对7种模型三种地震的有限元分析可知,塔吊分布模式1、2、3、4、5、6、7是结构在地震作用下的不利分布模式(结构响应相近),在“小震”作用下最大位移为第6模型中节点1的55 mm,最大应力为第7模型的单元节点B的1.7 MPa；在“中震”作用下最大位移为第6模型1节点的151 mm,最大应力处为第4模型中B单元节点的4.6 MPa；在“大震”作用下最大位移为第6模型中1节点的390 mm,而最大应力为第5模型A 单元节点的11.5 MPa。

4 局部ABAQUS有限元分析

针对整体分析可知,结构关键部位是外挂、塔吊和外挂与核心筒连接部位的预埋件。大震作用下对这些关键部位进行局部ABAQUS有限元分析[7]。

从分析结果可以知道结构在遭遇大震作用时,竖向斜支撑杆的应力最大为99.94 MPa,因此塔吊的斜支撑处最容易受到破坏。从塔吊部分的应变图可以知道,在主支撑梁和核心筒的连接处应变最大为4.547×10-4,连接处的应力最大为93.16 MPa,因此主支撑梁与核心筒的连接处也属于薄弱点。竖向斜支撑与核心筒的连接处最大应力为3.512 MPa,因此斜支撑与核心筒的连接处相比于主支撑和水平支撑与核心筒的连接处更不易破坏。而斜支撑所用材料为Q345钢筋,其对应的屈服应力为345 MPa,因此该结构在遭遇大震时不会遭遇破坏。

5 结 语

对该项目塔吊的两个工作阶段的不同荷载状态进行建模分析,得出塔吊的斜支撑处最容易受到破坏,主支撑梁与核心筒的连接处也属于薄弱点。

进行了两次有限元分析,第一次用SAP2000进行整体分析,得出动臂塔吊的薄弱环节为预埋件。第二次用ABAQUS有限元分析预埋件,分别得出小震、中震,大震三种地震下的最大位移和最大应力。

所讨论的地震动强度按实际服役期结构的抗震设防烈度进行折减进行,与我国抗规规定的50年设计使用年限要求不一致。若实际情况中发生与讨论地震动水平相当的地震作用时,可借鉴该文讨论结果；而当发生超过该文所讨论范围地震时,则应按实际情况具体讨论。