大风天气下装配式阳台吊装稳定性研究

郝 勇,韩天骄,胡鹏程,孟玉娜,李岩松,郭 增

(1.河北建筑工程学院 土木工程学院,河北 张家口 075000;2.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室,河北 张家口 075000;3.张家口职业技术学院,河北 张家口 075000)

随着社会环境保护意识的提升,人们对建筑工业化、绿色化的要求更加迫切。装配式建筑具有施工效率高、能源消耗少以及环境污染小等特点[1],是推进建筑工业化的必然趋势。预制装配式阳台作为装配式住宅中不可或缺的部分,其安装质量的好坏直接影响着建筑的整体水平[2]。现阶段,对预制装配式阳台的研究多集中于阳台安装技术[3]、阳台预制方案比选[4]与大体量预制阳台施工[5]等,而对阳台提升时的受力状态,尤其是常年大风天气地区风对阳台提升的影响涉略较少,故研究大风天气下对PC封闭式阳台提升时的影响具有很好的现实意义。

PC(Precast Concrete)封闭式阳台结构提升过程中,由于缺少水平向约束,且刚度相对较低,加之风的运动本身具有不规则性,极易导致整个吊装提升结构失稳。虽然《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,但对每年6级以上大风天数50～70d,风速最大可达28m/s,常年处于大风天气的张家口坝上地区[6]明显具有不适用性。因此,为探究风对PC封闭式阳台提升的影响,首先利用Fluent软件对一种普通PC封闭式阳台建立足尺模型,进行平均风下风攻角、风向角对阳台表面风压的模拟,将风攻角与风向角作用下的风压转换为均布面荷载,使用有限元软件对比分析迎风面受风向角的改变对PC封闭式阳台提升时的稳定性影响,并考虑平均风与脉动风的影响,将不同受风状态下的稳定性物理指标进行对比分析。

1 PC封闭式阳台数值模型

PC封闭式阳台尺寸见图1,在Fluent软件进行风速流场分析时建立1:1足尺模型,计算流域尺寸大小为24000mm(X)×20000mm(Y)×45000mm(Z),将模型放置于迎风向Z轴三分之一处。PC封闭式阳台模型阻塞率:(3600×3000)mm2/(24000×20000)mm2=2.25%<3%,流域大小设置满足要求,示意图见图2。网格划分采用非结构化网格,最小网格尺寸为0.5mm,最终整体流域的网格数达到40万,且所有的网格质量都在0.9以上,网格划分质量良好,网格划分情况见图3。

图1 PC封闭式阳台示意图

图2 结构与整体流域关系示意图

图3 整体计算域网格划分情况

2 风向角、风攻角影响下风压分析

在常规计算中,一般不考虑风攻角对结构的影响。但风作为一种自然流体,易受到地形环境与周边建筑的影响,使结构表面产生一定的风攻角,在一些风场中风攻角可达10°左右[7]。目前,国内外学者在风攻角对PC构件吊装时的风压影响方面研究较少。Wu F[8]基于TTU的实测数据分析了竖向风攻角对屋面角部风压系数的影响,其研究结果表明竖向风攻角对锥形涡的形成和发展有非常大的影响,房屋设计中不能忽视竖向风攻角的影响[9]。

为探究大风作用下风攻角、风向角对PC封闭式阳台结构提升时的影响。在Fluent模型中给PC封闭式阳台模型设置了0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°七种风向角以及-12°、-9°、-6°、-3°、0°、3°、6°、9°、12°九种风攻角角度。取八级大风风速v0=20m/s作为Fluent软件中的速度入口条件,得到风攻角、风向角下最大风压结果见图4、图5。

图4 风向角最大风压图

图5 风攻角最大风压图

如图4、图5所示,风向角、风攻角的变化对PC封闭式阳台提升时的最大正风压无明显影响,而对最大负风压存在明显影响。产生这种现象主要原因是PC封闭式阳台模型不规则,加之风向角、风攻角的变化会加剧空气在结构前的分离效应,对背风面的涡流产生扰动。

结合风速流线图分析可知,风直接作用于迎风面,正风压不受风速绕流的影响,仅与迎风面面积有关,故正风压无明显变化;而随着风向角、风攻角的变化,结构不规则会导致风在特定角度区间加剧涡流的变化,产生更大的结构表面负风压,如图6中30°、60°风向角风速流线图所示。

(a)0°风向角风速流线图

3 风攻角、风向角影响下吊装稳定性分析

根据阳台重量与施工经验,对PC封闭式阳台提升采用两种平衡梁吊索吊装,吊装方式1(桁架式平衡梁)与吊装方式2(单平衡梁)示意图见图7。平衡梁均采用Q235钢材,截面为I30a普通工字钢焊接而成,吊索直径为32mm,长度以竖向与平衡梁水平面的夹角为60°左右确定,吊点位置的布置参考《建筑施工起重吊装安全技术规范》(JGJ276-2012)。在有限元软件分析中,采用1.3倍安全系数的PC封闭式阳台自重作为竖向荷载,水平向荷载由平均风风速v0=20m/s作为边界入口条件,在流体仿真软件Fluent中得到的风压结果转换确定。PC封闭式阳台模型中各个面上的风压采用在微小区域上风压均匀不变的假定,根据面积的大小将模型受风压面域划分为若干区域。最后,将每个风压区中的风压转换为均布面荷载,并布置到对应区域。

(a)吊装方式1

在15组不同角度的风压中,按风攻角与风向角分类,对数据按正风压绝对值最大、负风压绝对值最大排序进行系统分层处理。选出风攻角与风向角两组数据中具有代表性的角度0°、30°、60°、(风向角)与-6°、3°、12°(风攻角),将对应的风压转换为均布面荷载输入到有限元软件中,模拟实际工程中风对PC封闭式阳台的影响。以PC封闭式阳台在提升过程中在X向、Y向、Z向的最大位移及平衡梁最大应力作为提升稳定性分析的判别标准,X向、Y向、Z向最大位移及平衡梁最大应力见图8-图11。

图8 X向最大位移对比图

图9 Y向最大位移对比图

图10 Z向最大位移对比图

图11 平衡梁最大应力对比图

通过不同风攻角与风向角产生的风压对2种PC封闭式阳台吊装方式提升时的稳定性影响分析可知,风向角度的改变对阳台提升时的稳定性影响显著,吊装方式1较吊装方式2有更好的稳定性。由上图可知,PC封闭式阳台提升时受到迎风面60°风向角的大风时,会使阳台在X向产生最大位移;阳台最大的Y向、Z向位移与平衡梁最大应力均发生于阳台受到迎风面30°风向角时;Y向、Z向最大位移与平衡梁最大应力三者之间具有相似的变化趋势。

4 脉动风影响下提升稳定性分析

脉动风作为自然风中不可或缺的部分,其影响往往大于平均风。脉动风属于随机荷载,常用风速时程曲线表示脉动风。此次脉动风模拟通过数值分析软件Matlab基于谐波叠加法理论,根据Kaimal风速谱[10]算法,编制流域入口高度处的脉动风速时程Matlab程序,模拟总时间为100s,步长为0.1s,15m高度处风速按v0=20m/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12,脉动风功率谱见图13。将得到的风速时程曲线作为Fluent的入口条件进行脉动风压瞬态计算,采用与平均风影响下的构件表面风压处理的方法,即认为脉动风压在微小单元上均匀分布,将脉动风压转换为动力荷载进行动载时程分析,从而得到脉动风影响下PC封闭式阳台提升时的稳定性物理指标。

图12 脉动风风速时程曲线图

图13 脉动风功率谱对比图

Kaimal风速谱函数表达式为:

(1)

(2)

(3)

5 不同受风状态下结果对比

为探究不同的受风状态对PC封闭式阳台吊装方式1提升时的稳定性影响,将考虑自重、0°风向角下考虑自重(平均风/脉动风)与不同风向角度下各项稳定性物理指标的最大值进行统计,结果见表1。对比数据可知,大风状态下,脉动风与风向角度均对PC封闭式阳台提升时的稳定性具有不可忽视的影响。脉动风与相同条件下平均风相比,X向位移为平均风的1.84倍,Y向位移为平均风的1.54倍,Z向位移为平均风的1.07倍,平衡梁最大应力为平均风的1.25倍;不同风向角度下的物理指标最大值与0°风向角相比,X向位移为0°风向角的5.62倍,Y向位移为0°风向角的1.56倍,Z向位移为0°风向角的1.93倍,平衡梁最大应力为0°风向角的1.46倍。

表1 受荷状态不同时稳定性物理指标对比

6 结论

通过Fluent软件对PC封闭式阳台足尺模型进行了平均风下风攻角、风向角风压的模拟,将角度0°、30°、60°风攻角下的风压与-6°、3°、12°风向角下的风压转换为均布面荷载,使用有限元软件对比分析了受风向角度的改变对PC封闭式阳台在2种吊装方式下提升时的稳定性影响,并考虑平均风与脉动风的影响,将不同受风状态下的稳定性物理指标进行对比分析,得出以下结论。

(1)大风作用下PC封闭式阳台提升时最不利风向角度为迎风面60°风向角,迎风面12°风攻角次之。

(2)PC封闭式阳台提升时,采用桁架式吊装方式较单平衡梁吊装方式有更好的稳定性。且Y向、Z向最大位移与平衡梁最大应力三者之间具有对应性关系。

(3)脉动风与风向角度均对PC封闭式阳台提升时的稳定性具有不可忽视的影响。脉动风与相同条件下平均风相比,X向位移为平均风的1.84倍;30°风向角度下的物理指标最大值与0°风向角相比,X向位移为0°风向角的5.62倍。因此,建议PC封闭式阳台提升时优先采用桁架式平衡梁,并应考虑施工现场实时的风速与风向,以便作出相应的应对措施。