風載作用下PC墻體構件吊裝研究

李巖松 韓天驕 郭滋平 王小敬 郭亞軍

(1.河北建筑工程學院,河北 張家口 075000;2.河北萬豐冶金備件有限公司,河北 張家口 075000;3.北旺建設集團有限公司,河北 承德 067000;4.河北省裝配式建造與地下工程技術創新中心,河北 張家口 075000)

0 引 言

太陽產生的熱輻射在地表受熱不均,會使密度較小的熱空氣上升,密度較大的冷空氣下降,從而產生壓力差.空氣沿著壓力差路徑流動,這便形成風.當風遇到障礙物時,風速會在障礙物處發生激變,產生風壓作用在障礙物上.同時,障礙物會對空氣力產生反饋作用,使結構產生振動[1].現階段,建筑風工程多集中于高層建筑的大氣邊界層流場特性[2]與多、高層建筑受風行為及耐風設計等,對建筑施工階段中對風載作用下構件吊裝的研究較少.隨著我國工業化建筑發展,裝配式建筑將成為未來建筑市場主流.對于裝配式建筑修建過程而言,構件的吊裝階段為事故多發期[3],甚者會對建筑整體產生不可修復破壞.故對風載作用下PC墻體構件的吊裝研究至關重要.

在PC墻體構件吊裝過程中,結構以受到來自于豎向的結構自重和吊點處的牽引力約束為主,水平向無約束.故結構在受到水平向荷載時,極易發生失穩.在高明敏[4]的有限元模擬中,懸掛機構在受到相當于5.5%自重的水平力影響時,懸掛機構的鋼索就產生了5°的傾角.為探究風載對構件吊裝的影響,本文以標準預制PC構件為研究對象,基于順風向抗風設計考慮,將自然風分解為長周期、風速不隨時間變化的平均風與短周期、風速隨時間變化的脈動風兩部分,利用有限元分析軟件Ansys中Static Structural模塊與Fluent模塊分別考慮對構件產生的影響.本次研究假設將PC墻體構件置于10m高度處,考慮不同風速、迎風角及吊裝方式進行風壓分析.最后對10m高度處、迎風面風向角0°下、吊裝方式為平衡梁1的構件吊裝階段在考慮自重、考慮自重與平均風和考慮自重與脈動風影響時的構件穩定性進行了對比分析.

1 Fluent數值模擬PC墻體構件

Fluent中的分析模型根據《裝配式混凝土結構住宅主要構件尺寸指南》中尺寸建立足尺模型.在fluent建模分析過程中,對模型進行一定的簡化,將面積很小的吊裝體系忽略,只研究被吊裝的PC墻體構件.對于標準的PC墻體構件,忽略構件的邊緣構造及特殊處理,將吊裝的構件模型簡化為3600mm×3000mm×150mm的板模型,計算流域尺寸設置為45000mm(x)×30000mm(y)×20000mm(z),且將模型放置于迎風面方向(x向)三分之一處.模型的阻塞率=(3600×3000mm2)/(30000×20000mm2)=1.8%<3%,流域大小滿足阻塞率要求,示意圖見圖1.網格劃分采用非結構化網格(四面體網格)與結構化網格(六面體網格)混合建模,最小網格尺寸為0.5mm,最終流域的網格數達到40萬,且95%的網格質量達到0.9以上,網格劃分質量良好,劃分情況見圖2.

圖1 結構與整體流域關系示意圖 圖2 整體計算域網格劃分情況

2 平均風影響下構件吊裝分析

定常性的平均風是結構風載作用最主要的部分.根據《建筑結構荷載規范》(GB50009—2012),平均風的風速在水平向同一高度處相同,豎向上風速呈指數分布,即:

(1)

式中:Z、U為待求位置處的高度和對應風速;Z0為參考高度(參考高度一般多為10m);U0為參考高度處的風速;α為地面粗糙度系數.

平均風風速不隨時間變化.可作為靜力面荷載作用于構件上,荷載大小,只取決于風速大小與迎風面風向角的大小.Ⅰ-Ⅶ級風風速下對PC墻體構件風壓見圖3.由《建筑施工起重吊裝工程安全技術規范》(JGJ276-2012)規定:吊裝工作在六級以上大風時應停止.查閱風速表,10m高度處六級風對應的風速為10.8-13.9m/s.為符合規范要求,因此研究本構件迎風面風向角變換的標準風速條件按v0=10m/s考慮.風速對構件最大迎風面面積與迎風面角度為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°下風壓如圖4.

圖3 Ⅰ-Ⅶ風級風壓圖 圖4 0°-90°迎風面風向角風壓圖

綜上可知,當改變風速時,迎風面正風壓與背風面負風壓隨風速的增大成斜率逐漸減小的曲線增加.改變迎風面風向角時,迎風面風壓隨風向角的增大逐漸減低.但背風面負風壓隨風向角的增大呈“馬鞍形”趨勢,開始負風壓隨迎風面風向角增大風壓逐漸增大,風向角達到45°時負風壓達到峰值,之后隨風向角增加呈下降趨勢.結合圖5風速流線可知,從風向角0°開始,背風面處開始形成渦流,隨著迎風面風向角的增大,渦流逐漸增大,在風向角45°時渦流達到最大,此時背風面處負風壓也為最大.之后渦流隨著風向角增大而逐漸減小,負風壓也逐漸降低.在風向角90°時,渦流消失,而負風壓也達到最低.部分風向角風速流線圖如圖5所示.

a)0°迎風面風向角風速流線圖 b)30°迎風面風向角風速流線圖

c)60°迎風面風向角風速流線圖 d)90°迎風面風向角風速流線圖圖5 風速流線圖

3 吊裝方式對構件穩定性分析

在構件吊裝時,吊索在構件上不同的吊點位置對結構的位移有很大影響[5].本次對PC墻體構件吊裝結構整體穩定性分析依據《建筑施工起重吊裝安全技術規范》(JGJ276-2012)中吊裝驗算的荷載規定,僅考慮結構在自重影響下的受力情況.即穩定性分析中,豎向荷載僅考慮PC墻體構件與上部吊裝結構的自重荷載,偏安全性考慮,給予1.3的放大系數.水平向風荷載數值根據上節確定的標準風速條件v0=10m/s下,在流體計算軟件Fluent中得到的風壓結果依據微小單元上風壓均勻分布的假定,將PC墻體構件橫向劃分為10等分、豎向5等分,將50個數據采集點處的風壓轉換為壓力荷載.

結構吊裝施工中,吊裝方案的設計與吊裝構件的選擇多依據施工現場條件、被吊裝結構的重量、類型確定.本次建模中,上部構件只考慮平衡梁與拉索的選擇.平衡梁的截面種類很多,但選擇時除基于相同截面面積的情況下盡可能選擇較大慣性矩的類型外,還應該考慮現有的資源、造價、制作能力和實用性等多方面因素[6].在平衡梁與吊索選取中,基于通用性考慮,采用吊裝施工現場常用的材料為Q235B,截面為I30a普通工字鋼[7],吊索截面直徑為28mm,用只受拉單元模擬,并以吊索豎直方向與水平構件的夾角為60°左右確定吊索的長度.

為研究吊點的不同布置方式對結構穩定性影響程度,以PC墻體構件在y向、z向的位移;繞x向轉角、繞y向轉角為基準.按吊點對稱布置原則,將吊點位置從構件外側依次向內建立不同吊點布置模型,并以不加平衡梁的直吊作為對比.示意圖見圖6.

圖6 PC構件吊裝示意圖

通過不同吊裝方式建模得到的結果發現,在PC墻體構件吊裝時,吊索的吊點位置對結構整體穩定性影響明顯,對比結果見圖7-9.在z向位移中,平衡梁的存在對結構的位移影響相對y向位移不明顯,影響因素僅為平衡梁的自重在豎向的位移.而隨著平衡梁上的吊點向內收進,y向位移急劇變大.說明平衡梁的存在并不能降低結構在水平向的位移,反而會增大水平向的位移.在繞x向轉角中,吊裝位置的變化對結構整體影響變化不大.繞y向轉角中,平衡梁的存在可有效減小結構偏轉.吊裝方式從直吊至平衡梁4時,平衡梁的最大應力呈線性急劇上升,最大應力達到90.93MPa,遠小于平衡梁的允許應力,符合要求;而被吊裝結構的最大應力隨吊裝方式從直吊至平衡梁4時呈開口向上拋物線,在吊裝方式平衡梁2時為吊裝結構的最大應力谷值.

圖7 y向、z向位移對比圖

圖8 繞x向、y向轉角對比圖 圖9 構件最大應力圖

綜上所述,平衡梁的存在并不會降低構件吊裝階段的位移,但可以有效抑制構件豎直向的轉角,減小被吊裝構件、吊索的最大應力,降低構件變形,提高結構的穩定性.從整體穩定性考慮,平衡梁1布置方式最好,從被吊裝構件安全性考慮,平衡梁2布置方式最好.

4 脈動風影響下構件吊裝分析

在風載分析中,平均風雖是影響吊裝結構最主要的部分,但空氣流動本身極易受到外界影響,具有很大的不確定性.其中包含的脈動風周期短、變化快、幅值大,部分變化頻率極易達到吊裝結構自振頻率,從而引起結構發生共振,帶來巨大破壞.因此不可忽視脈動風影響下對PC墻體構件吊裝分析.

脈動風可等效為一種隨時間變化的隨機荷載,理論推導模擬脈動風風速時程曲線需依據脈動風概率特性與隨機振動理論.目前,脈動風數值模擬常用方法為諧波疊加法、線性濾波器法和數值風洞法[8].本次脈動風風速時程曲線模擬采用諧波疊加法,基于Kaimal風速譜理論,利用數值分析軟件Matlab編制而成.之后將得到的風速時程曲線作為Fluent流體仿真軟件的入口條件進行風壓計算,最后采用與平均風影響下的構件表面風壓處理同樣的方法,將脈動風壓轉換為動力荷載進行動載時程分析,從而驗證脈動風影響下吊裝構件穩定性.

風速功率譜在不同方向上包括水平陣風功率譜、豎向陣風功率譜與橫向陣風功率譜.其中水平陣風功率譜下Davenport風速譜與Kaimal風速譜[9]在結構風工程中應用最為常見.Davenport風速譜是依據Davenport在不同地點、不同高度處的風速記錄,在擬合風速曲線時,假定湍流積分尺度L不隨高度變化,L為常數1200m,脈動風速譜為不同高度實測值的平均值,其表達式為:

(2)

不同于Davenport風速譜,Kaimal風速譜考慮了積分尺度L高度的變化,將風速記錄通過指定功能的濾波器獲取功率曲線,然后擬合出相應的函數表達式,其表達式為:

(3)

根據Kaimal風速譜算法,編制10m高度處順風向的脈動風速時程Matlab模擬程序,模擬時間100s,步長為0.1s,總時間為100s,10m高度處風速按v0=10m/s考慮,地面阻力系數k=0.03,地面粗糙度α=0.22.模擬得到的脈動風風速時程曲線見圖10,脈動風功率譜見圖11.

圖10 脈動風風速時程曲線圖 圖11 脈動風功率譜

5 考慮風載與不考慮風載對比

最后對10m高度處、迎風面風向角0°下、吊裝方式為平衡梁1的構件吊裝階段在考慮自重、考慮自重與平均風和考慮自重與脈動風影響時的構件穩定性進行了對比分析.發現脈動風對結構影響大于平均風對結構影響.在相同條件下脈動風與平均風相比,z向位移是平均風的1.46倍,繞x向轉角是平均風的1.83倍,而繞y向轉角僅是平均風的3.6%.對比結果見表1.

表1 受荷狀態不同時穩定性物理指標對比

6 結 論

利用Fluent軟件對PC墻體構件進行了平均風壓與脈動風壓計算,并分析了Ⅰ-Ⅶ級風風速影響下與標準風速在迎風面角度為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°下對PC墻體構件的風壓結果.之后,將風壓轉換為壓力荷載,利用有限元軟件對比分析了不同吊裝方式對結構穩定性影響.最后將考慮自重、考慮自重與平均風和考慮自重與脈動風影響下結構穩定性進行對比主要獲得以下結論:

(1)迎風面風壓與背風面風壓隨風速的增大成斜率逐漸減小的拋物線趨勢增加,且趨勢相同.

(2)迎風面風壓隨風向角角度的增加逐漸減低,背風面負風壓隨風向角角度的增加成“馬鞍形”趨勢,在風向角達到45°時負風壓達到峰值.

(3)平衡梁的存在并不會降低構件吊裝階段的位移,但可以有效抑制構件豎直向的轉角,減小被吊裝構件的最大應力,降低構件變形,提高結構的穩定性.從整體穩定性考慮,平衡梁1布置方式最好,從被吊裝構件安全性考慮,平衡梁2布置方式最好.

(4)在PC墻體構件吊裝時,脈動風對構件的穩定性影響大于平均風.