风载作用下PC墙体构件吊装研究

李岩松 韩天骄 郭滋平 王小敬 郭亚军

(1.河北建筑工程学院,河北 张家口 075000;2.河北万丰冶金备件有限公司,河北 张家口 075000;3.北旺建设集团有限公司,河北 承德 067000;4.河北省装配式建造与地下工程技术创新中心,河北 张家口 075000)

0 引 言

太阳产生的热辐射在地表受热不均,会使密度较小的热空气上升,密度较大的冷空气下降,从而产生压力差.空气沿着压力差路径流动,这便形成风.当风遇到障碍物时,风速会在障碍物处发生激变,产生风压作用在障碍物上.同时,障碍物会对空气力产生反馈作用,使结构产生振动[1].现阶段,建筑风工程多集中于高层建筑的大气边界层流场特性[2]与多、高层建筑受风行为及耐风设计等,对建筑施工阶段中对风载作用下构件吊装的研究较少.随着我国工业化建筑发展,装配式建筑将成为未来建筑市场主流.对于装配式建筑修建过程而言,构件的吊装阶段为事故多发期[3],甚者会对建筑整体产生不可修复破坏.故对风载作用下PC墙体构件的吊装研究至关重要.

在PC墙体构件吊装过程中,结构以受到来自于竖向的结构自重和吊点处的牵引力约束为主,水平向无约束.故结构在受到水平向荷载时,极易发生失稳.在高明敏[4]的有限元模拟中,悬挂机构在受到相当于5.5%自重的水平力影响时,悬挂机构的钢索就产生了5°的倾角.为探究风载对构件吊装的影响,本文以标准预制PC构件为研究对象,基于顺风向抗风设计考虑,将自然风分解为长周期、风速不随时间变化的平均风与短周期、风速随时间变化的脉动风两部分,利用有限元分析软件Ansys中Static Structural模块与Fluent模块分别考虑对构件产生的影响.本次研究假设将PC墙体构件置于10m高度处,考虑不同风速、迎风角及吊装方式进行风压分析.最后对10m高度处、迎风面风向角0°下、吊装方式为平衡梁1的构件吊装阶段在考虑自重、考虑自重与平均风和考虑自重与脉动风影响时的构件稳定性进行了对比分析.

1 Fluent数值模拟PC墙体构件

Fluent中的分析模型根据《装配式混凝土结构住宅主要构件尺寸指南》中尺寸建立足尺模型.在fluent建模分析过程中,对模型进行一定的简化,将面积很小的吊装体系忽略,只研究被吊装的PC墙体构件.对于标准的PC墙体构件,忽略构件的边缘构造及特殊处理,将吊装的构件模型简化为3600mm×3000mm×150mm的板模型,计算流域尺寸设置为45000mm(x)×30000mm(y)×20000mm(z),且将模型放置于迎风面方向(x向)三分之一处.模型的阻塞率=(3600×3000mm2)/(30000×20000mm2)=1.8%<3%,流域大小满足阻塞率要求,示意图见图1.网格划分采用非结构化网格(四面体网格)与结构化网格(六面体网格)混合建模,最小网格尺寸为0.5mm,最终流域的网格数达到40万,且95%的网格质量达到0.9以上,网格划分质量良好,划分情况见图2.

图1 结构与整体流域关系示意图 图2 整体计算域网格划分情况

2 平均风影响下构件吊装分析

定常性的平均风是结构风载作用最主要的部分.根据《建筑结构荷载规范》(GB50009—2012),平均风的风速在水平向同一高度处相同,竖向上风速呈指数分布,即:

(1)

式中:Z、U为待求位置处的高度和对应风速;Z0为参考高度(参考高度一般多为10m);U0为参考高度处的风速;α为地面粗糙度系数.

平均风风速不随时间变化.可作为静力面荷载作用于构件上,荷载大小,只取决于风速大小与迎风面风向角的大小.Ⅰ-Ⅶ级风风速下对PC墙体构件风压见图3.由《建筑施工起重吊装工程安全技术规范》(JGJ276-2012)规定:吊装工作在六级以上大风时应停止.查阅风速表,10m高度处六级风对应的风速为10.8-13.9m/s.为符合规范要求,因此研究本构件迎风面风向角变换的标准风速条件按v0=10m/s考虑.风速对构件最大迎风面面积与迎风面角度为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°下风压如图4.

图3 Ⅰ-Ⅶ风级风压图 图4 0°-90°迎风面风向角风压图

综上可知,当改变风速时,迎风面正风压与背风面负风压随风速的增大成斜率逐渐减小的曲线增加.改变迎风面风向角时,迎风面风压随风向角的增大逐渐减低.但背风面负风压随风向角的增大呈“马鞍形”趋势,开始负风压随迎风面风向角增大风压逐渐增大,风向角达到45°时负风压达到峰值,之后随风向角增加呈下降趋势.结合图5风速流线可知,从风向角0°开始,背风面处开始形成涡流,随着迎风面风向角的增大,涡流逐渐增大,在风向角45°时涡流达到最大,此时背风面处负风压也为最大.之后涡流随着风向角增大而逐渐减小,负风压也逐渐降低.在风向角90°时,涡流消失,而负风压也达到最低.部分风向角风速流线图如图5所示.

a)0°迎风面风向角风速流线图 b)30°迎风面风向角风速流线图

c)60°迎风面风向角风速流线图 d)90°迎风面风向角风速流线图图5 风速流线图

3 吊装方式对构件稳定性分析

在构件吊装时,吊索在构件上不同的吊点位置对结构的位移有很大影响[5].本次对PC墙体构件吊装结构整体稳定性分析依据《建筑施工起重吊装安全技术规范》(JGJ276-2012)中吊装验算的荷载规定,仅考虑结构在自重影响下的受力情况.即稳定性分析中,竖向荷载仅考虑PC墙体构件与上部吊装结构的自重荷载,偏安全性考虑,给予1.3的放大系数.水平向风荷载数值根据上节确定的标准风速条件v0=10m/s下,在流体计算软件Fluent中得到的风压结果依据微小单元上风压均匀分布的假定,将PC墙体构件横向划分为10等分、竖向5等分,将50个数据采集点处的风压转换为压力荷载.

结构吊装施工中,吊装方案的设计与吊装构件的选择多依据施工现场条件、被吊装结构的重量、类型确定.本次建模中,上部构件只考虑平衡梁与拉索的选择.平衡梁的截面种类很多,但选择时除基于相同截面面积的情况下尽可能选择较大惯性矩的类型外,还应该考虑现有的资源、造价、制作能力和实用性等多方面因素[6].在平衡梁与吊索选取中,基于通用性考虑,采用吊装施工现场常用的材料为Q235B,截面为I30a普通工字钢[7],吊索截面直径为28mm,用只受拉单元模拟,并以吊索竖直方向与水平构件的夹角为60°左右确定吊索的长度.

为研究吊点的不同布置方式对结构稳定性影响程度,以PC墙体构件在y向、z向的位移;绕x向转角、绕y向转角为基准.按吊点对称布置原则,将吊点位置从构件外侧依次向内建立不同吊点布置模型,并以不加平衡梁的直吊作为对比.示意图见图6.

图6 PC构件吊装示意图

通过不同吊装方式建模得到的结果发现,在PC墙体构件吊装时,吊索的吊点位置对结构整体稳定性影响明显,对比结果见图7-9.在z向位移中,平衡梁的存在对结构的位移影响相对y向位移不明显,影响因素仅为平衡梁的自重在竖向的位移.而随着平衡梁上的吊点向内收进,y向位移急剧变大.说明平衡梁的存在并不能降低结构在水平向的位移,反而会增大水平向的位移.在绕x向转角中,吊装位置的变化对结构整体影响变化不大.绕y向转角中,平衡梁的存在可有效减小结构偏转.吊装方式从直吊至平衡梁4时,平衡梁的最大应力呈线性急剧上升,最大应力达到90.93MPa,远小于平衡梁的允许应力,符合要求;而被吊装结构的最大应力随吊装方式从直吊至平衡梁4时呈开口向上抛物线,在吊装方式平衡梁2时为吊装结构的最大应力谷值.

图7 y向、z向位移对比图

图8 绕x向、y向转角对比图 图9 构件最大应力图

综上所述,平衡梁的存在并不会降低构件吊装阶段的位移,但可以有效抑制构件竖直向的转角,减小被吊装构件、吊索的最大应力,降低构件变形,提高结构的稳定性.从整体稳定性考虑,平衡梁1布置方式最好,从被吊装构件安全性考虑,平衡梁2布置方式最好.

4 脉动风影响下构件吊装分析

在风载分析中,平均风虽是影响吊装结构最主要的部分,但空气流动本身极易受到外界影响,具有很大的不确定性.其中包含的脉动风周期短、变化快、幅值大,部分变化频率极易达到吊装结构自振频率,从而引起结构发生共振,带来巨大破坏.因此不可忽视脉动风影响下对PC墙体构件吊装分析.

脉动风可等效为一种随时间变化的随机荷载,理论推导模拟脉动风风速时程曲线需依据脉动风概率特性与随机振动理论.目前,脉动风数值模拟常用方法为谐波叠加法、线性滤波器法和数值风洞法[8].本次脉动风风速时程曲线模拟采用谐波叠加法,基于Kaimal风速谱理论,利用数值分析软件Matlab编制而成.之后将得到的风速时程曲线作为Fluent流体仿真软件的入口条件进行风压计算,最后采用与平均风影响下的构件表面风压处理同样的方法,将脉动风压转换为动力荷载进行动载时程分析,从而验证脉动风影响下吊装构件稳定性.

风速功率谱在不同方向上包括水平阵风功率谱、竖向阵风功率谱与横向阵风功率谱.其中水平阵风功率谱下Davenport风速谱与Kaimal风速谱[9]在结构风工程中应用最为常见.Davenport风速谱是依据Davenport在不同地点、不同高度处的风速记录,在拟合风速曲线时,假定湍流积分尺度L不随高度变化,L为常数1200m,脉动风速谱为不同高度实测值的平均值,其表达式为:

(2)

不同于Davenport风速谱,Kaimal风速谱考虑了积分尺度L高度的变化,将风速记录通过指定功能的滤波器获取功率曲线,然后拟合出相应的函数表达式,其表达式为:

(3)

根据Kaimal风速谱算法,编制10m高度处顺风向的脉动风速时程Matlab模拟程序,模拟时间100s,步长为0.1s,总时间为100s,10m高度处风速按v0=10m/s考虑,地面阻力系数k=0.03,地面粗糙度α=0.22.模拟得到的脉动风风速时程曲线见图10,脉动风功率谱见图11.

图10 脉动风风速时程曲线图 图11 脉动风功率谱

5 考虑风载与不考虑风载对比

最后对10m高度处、迎风面风向角0°下、吊装方式为平衡梁1的构件吊装阶段在考虑自重、考虑自重与平均风和考虑自重与脉动风影响时的构件稳定性进行了对比分析.发现脉动风对结构影响大于平均风对结构影响.在相同条件下脉动风与平均风相比,z向位移是平均风的1.46倍,绕x向转角是平均风的1.83倍,而绕y向转角仅是平均风的3.6%.对比结果见表1.

表1 受荷状态不同时稳定性物理指标对比

6 结 论

利用Fluent软件对PC墙体构件进行了平均风压与脉动风压计算,并分析了Ⅰ-Ⅶ级风风速影响下与标准风速在迎风面角度为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°下对PC墙体构件的风压结果.之后,将风压转换为压力荷载,利用有限元软件对比分析了不同吊装方式对结构稳定性影响.最后将考虑自重、考虑自重与平均风和考虑自重与脉动风影响下结构稳定性进行对比主要获得以下结论:

(1)迎风面风压与背风面风压随风速的增大成斜率逐渐减小的抛物线趋势增加,且趋势相同.

(2)迎风面风压随风向角角度的增加逐渐减低,背风面负风压随风向角角度的增加成“马鞍形”趋势,在风向角达到45°时负风压达到峰值.

(3)平衡梁的存在并不会降低构件吊装阶段的位移,但可以有效抑制构件竖直向的转角,减小被吊装构件的最大应力,降低构件变形,提高结构的稳定性.从整体稳定性考虑,平衡梁1布置方式最好,从被吊装构件安全性考虑,平衡梁2布置方式最好.

(4)在PC墙体构件吊装时,脉动风对构件的稳定性影响大于平均风.