李巖松 韓天驕 郭滋平 王小敬 郭亞軍

(1.河北建筑工程學(xué)院,河北 張家口 075000;2.河北萬(wàn)豐冶金備件有限公司,河北 張家口 075000;3.北旺建設(shè)集團(tuán)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(shù)創(chuàng)新中心,河北 張家口 075000)

0 引 言

太陽(yáng)產(chǎn)生的熱輻射在地表受熱不均,會(huì)使密度較小的熱空氣上升,密度較大的冷空氣下降,從而產(chǎn)生壓力差.空氣沿著壓力差路徑流動(dòng),這便形成風(fēng).當(dāng)風(fēng)遇到障礙物時(shí),風(fēng)速會(huì)在障礙物處發(fā)生激變,產(chǎn)生風(fēng)壓作用在障礙物上.同時(shí),障礙物會(huì)對(duì)空氣力產(chǎn)生反饋?zhàn)饔?使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)[1].現(xiàn)階段,建筑風(fēng)工程多集中于高層建筑的大氣邊界層流場(chǎng)特性[2]與多、高層建筑受風(fēng)行為及耐風(fēng)設(shè)計(jì)等,對(duì)建筑施工階段中對(duì)風(fēng)載作用下構(gòu)件吊裝的研究較少.隨著我國(guó)工業(yè)化建筑發(fā)展,裝配式建筑將成為未來(lái)建筑市場(chǎng)主流.對(duì)于裝配式建筑修建過(guò)程而言,構(gòu)件的吊裝階段為事故多發(fā)期[3],甚者會(huì)對(duì)建筑整體產(chǎn)生不可修復(fù)破壞.故對(duì)風(fēng)載作用下PC墻體構(gòu)件的吊裝研究至關(guān)重要.

在PC墻體構(gòu)件吊裝過(guò)程中,結(jié)構(gòu)以受到來(lái)自于豎向的結(jié)構(gòu)自重和吊點(diǎn)處的牽引力約束為主,水平向無(wú)約束.故結(jié)構(gòu)在受到水平向荷載時(shí),極易發(fā)生失穩(wěn).在高明敏[4]的有限元模擬中,懸掛機(jī)構(gòu)在受到相當(dāng)于5.5%自重的水平力影響時(shí),懸掛機(jī)構(gòu)的鋼索就產(chǎn)生了5°的傾角.為探究風(fēng)載對(duì)構(gòu)件吊裝的影響,本文以標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制PC構(gòu)件為研究對(duì)象,基于順風(fēng)向抗風(fēng)設(shè)計(jì)考慮,將自然風(fēng)分解為長(zhǎng)周期、風(fēng)速不隨時(shí)間變化的平均風(fēng)與短周期、風(fēng)速隨時(shí)間變化的脈動(dòng)風(fēng)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(duì)構(gòu)件產(chǎn)生的影響.本次研究假設(shè)將PC墻體構(gòu)件置于10m高度處,考慮不同風(fēng)速、迎風(fēng)角及吊裝方式進(jìn)行風(fēng)壓分析.最后對(duì)10m高度處、迎風(fēng)面風(fēng)向角0°下、吊裝方式為平衡梁1的構(gòu)件吊裝階段在考慮自重、考慮自重與平均風(fēng)和考慮自重與脈動(dòng)風(fēng)影響時(shí)的構(gòu)件穩(wěn)定性進(jìn)行了對(duì)比分析.

1 Fluent數(shù)值模擬PC墻體構(gòu)件

Fluent中的分析模型根據(jù)《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)住宅主要構(gòu)件尺寸指南》中尺寸建立足尺模型.在fluent建模分析過(guò)程中,對(duì)模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化,將面積很小的吊裝體系忽略,只研究被吊裝的PC墻體構(gòu)件.對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的PC墻體構(gòu)件,忽略構(gòu)件的邊緣構(gòu)造及特殊處理,將吊裝的構(gòu)件模型簡(jiǎn)化為3600mm×3000mm×150mm的板模型,計(jì)算流域尺寸設(shè)置為45000mm(x)×30000mm(y)×20000mm(z),且將模型放置于迎風(fēng)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(jiàn)圖1.網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(四面體網(wǎng)格)與結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(六面體網(wǎng)格)混合建模,最小網(wǎng)格尺寸為0.5mm,最終流域的網(wǎng)格數(shù)達(dá)到40萬(wàn),且95%的網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到0.9以上,網(wǎng)格劃分質(zhì)量良好,劃分情況見(jiàn)圖2.

圖1 結(jié)構(gòu)與整體流域關(guān)系示意圖 圖2 整體計(jì)算域網(wǎng)格劃分情況

2 平均風(fēng)影響下構(gòu)件吊裝分析

定常性的平均風(fēng)是結(jié)構(gòu)風(fēng)載作用最主要的部分.根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2012),平均風(fēng)的風(fēng)速在水平向同一高度處相同,豎向上風(fēng)速呈指數(shù)分布,即:

(1)

式中:Z、U為待求位置處的高度和對(duì)應(yīng)風(fēng)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(fēng)速;α為地面粗糙度系數(shù).

平均風(fēng)風(fēng)速不隨時(shí)間變化.可作為靜力面荷載作用于構(gòu)件上,荷載大小,只取決于風(fēng)速大小與迎風(fēng)面風(fēng)向角的大小.Ⅰ-Ⅶ級(jí)風(fēng)風(fēng)速下對(duì)PC墻體構(gòu)件風(fēng)壓見(jiàn)圖3.由《建筑施工起重吊裝工程安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ276-2012)規(guī)定:吊裝工作在六級(jí)以上大風(fēng)時(shí)應(yīng)停止.查閱風(fēng)速表,10m高度處六級(jí)風(fēng)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速為10.8-13.9m/s.為符合規(guī)范要求,因此研究本構(gòu)件迎風(fēng)面風(fēng)向角變換的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速條件按v0=10m/s考慮.風(fēng)速對(duì)構(gòu)件最大迎風(fēng)面面積與迎風(fēng)面角度為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°下風(fēng)壓如圖4.

圖3 Ⅰ-Ⅶ風(fēng)級(jí)風(fēng)壓圖 圖4 0°-90°迎風(fēng)面風(fēng)向角風(fēng)壓圖

綜上可知,當(dāng)改變風(fēng)速時(shí),迎風(fēng)面正風(fēng)壓與背風(fēng)面負(fù)風(fēng)壓隨風(fēng)速的增大成斜率逐漸減小的曲線增加.改變迎風(fēng)面風(fēng)向角時(shí),迎風(fēng)面風(fēng)壓隨風(fēng)向角的增大逐漸減低.但背風(fēng)面負(fù)風(fēng)壓隨風(fēng)向角的增大呈“馬鞍形”趨勢(shì),開(kāi)始負(fù)風(fēng)壓隨迎風(fēng)面風(fēng)向角增大風(fēng)壓逐漸增大,風(fēng)向角達(dá)到45°時(shí)負(fù)風(fēng)壓達(dá)到峰值,之后隨風(fēng)向角增加呈下降趨勢(shì).結(jié)合圖5風(fēng)速流線可知,從風(fēng)向角0°開(kāi)始,背風(fēng)面處開(kāi)始形成渦流,隨著迎風(fēng)面風(fēng)向角的增大,渦流逐漸增大,在風(fēng)向角45°時(shí)渦流達(dá)到最大,此時(shí)背風(fēng)面處負(fù)風(fēng)壓也為最大.之后渦流隨著風(fēng)向角增大而逐漸減小,負(fù)風(fēng)壓也逐漸降低.在風(fēng)向角90°時(shí),渦流消失,而負(fù)風(fēng)壓也達(dá)到最低.部分風(fēng)向角風(fēng)速流線圖如圖5所示.

a)0°迎風(fēng)面風(fēng)向角風(fēng)速流線圖 b)30°迎風(fēng)面風(fēng)向角風(fēng)速流線圖

c)60°迎風(fēng)面風(fēng)向角風(fēng)速流線圖 d)90°迎風(fēng)面風(fēng)向角風(fēng)速流線圖圖5 風(fēng)速流線圖

3 吊裝方式對(duì)構(gòu)件穩(wěn)定性分析

在構(gòu)件吊裝時(shí),吊索在構(gòu)件上不同的吊點(diǎn)位置對(duì)結(jié)構(gòu)的位移有很大影響[5].本次對(duì)PC墻體構(gòu)件吊裝結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析依據(jù)《建筑施工起重吊裝安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ276-2012)中吊裝驗(yàn)算的荷載規(guī)定,僅考慮結(jié)構(gòu)在自重影響下的受力情況.即穩(wěn)定性分析中,豎向荷載僅考慮PC墻體構(gòu)件與上部吊裝結(jié)構(gòu)的自重荷載,偏安全性考慮,給予1.3的放大系數(shù).水平向風(fēng)荷載數(shù)值根據(jù)上節(jié)確定的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速條件v0=10m/s下,在流體計(jì)算軟件Fluent中得到的風(fēng)壓結(jié)果依據(jù)微小單元上風(fēng)壓均勻分布的假定,將PC墻體構(gòu)件橫向劃分為10等分、豎向5等分,將50個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)處的風(fēng)壓轉(zhuǎn)換為壓力荷載.

結(jié)構(gòu)吊裝施工中,吊裝方案的設(shè)計(jì)與吊裝構(gòu)件的選擇多依據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)條件、被吊裝結(jié)構(gòu)的重量、類型確定.本次建模中,上部構(gòu)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(shí)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(yīng)該考慮現(xiàn)有的資源、造價(jià)、制作能力和實(shí)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(xiàn)場(chǎng)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(gòu)件的夾角為60°左右確定吊索的長(zhǎng)度.

為研究吊點(diǎn)的不同布置方式對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響程度,以PC墻體構(gòu)件在y向、z向的位移;繞x向轉(zhuǎn)角、繞y向轉(zhuǎn)角為基準(zhǔn).按吊點(diǎn)對(duì)稱布置原則,將吊點(diǎn)位置從構(gòu)件外側(cè)依次向內(nèi)建立不同吊點(diǎn)布置模型,并以不加平衡梁的直吊作為對(duì)比.示意圖見(jiàn)圖6.

圖6 PC構(gòu)件吊裝示意圖

通過(guò)不同吊裝方式建模得到的結(jié)果發(fā)現(xiàn),在PC墻體構(gòu)件吊裝時(shí),吊索的吊點(diǎn)位置對(duì)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性影響明顯,對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖7-9.在z向位移中,平衡梁的存在對(duì)結(jié)構(gòu)的位移影響相對(duì)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(diǎn)向內(nèi)收進(jìn),y向位移急劇變大.說(shuō)明平衡梁的存在并不能降低結(jié)構(gòu)在水平向的位移,反而會(huì)增大水平向的位移.在繞x向轉(zhuǎn)角中,吊裝位置的變化對(duì)結(jié)構(gòu)整體影響變化不大.繞y向轉(zhuǎn)角中,平衡梁的存在可有效減小結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn).吊裝方式從直吊至平衡梁4時(shí),平衡梁的最大應(yīng)力呈線性急劇上升,最大應(yīng)力達(dá)到90.93MPa,遠(yuǎn)小于平衡梁的允許應(yīng)力,符合要求;而被吊裝結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力隨吊裝方式從直吊至平衡梁4時(shí)呈開(kāi)口向上拋物線,在吊裝方式平衡梁2時(shí)為吊裝結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力谷值.

圖7 y向、z向位移對(duì)比圖

圖8 繞x向、y向轉(zhuǎn)角對(duì)比圖 圖9 構(gòu)件最大應(yīng)力圖

綜上所述,平衡梁的存在并不會(huì)降低構(gòu)件吊裝階段的位移,但可以有效抑制構(gòu)件豎直向的轉(zhuǎn)角,減小被吊裝構(gòu)件、吊索的最大應(yīng)力,降低構(gòu)件變形,提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性.從整體穩(wěn)定性考慮,平衡梁1布置方式最好,從被吊裝構(gòu)件安全性考慮,平衡梁2布置方式最好.

4 脈動(dòng)風(fēng)影響下構(gòu)件吊裝分析

在風(fēng)載分析中,平均風(fēng)雖是影響吊裝結(jié)構(gòu)最主要的部分,但空氣流動(dòng)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(dòng)風(fēng)周期短、變化快、幅值大,部分變化頻率極易達(dá)到吊裝結(jié)構(gòu)自振頻率,從而引起結(jié)構(gòu)發(fā)生共振,帶來(lái)巨大破壞.因此不可忽視脈動(dòng)風(fēng)影響下對(duì)PC墻體構(gòu)件吊裝分析.

脈動(dòng)風(fēng)可等效為一種隨時(shí)間變化的隨機(jī)荷載,理論推導(dǎo)模擬脈動(dòng)風(fēng)風(fēng)速時(shí)程曲線需依據(jù)脈動(dòng)風(fēng)概率特性與隨機(jī)振動(dòng)理論.目前,脈動(dòng)風(fēng)數(shù)值模擬常用方法為諧波疊加法、線性濾波器法和數(shù)值風(fēng)洞法[8].本次脈動(dòng)風(fēng)風(fēng)速時(shí)程曲線模擬采用諧波疊加法,基于Kaimal風(fēng)速譜理論,利用數(shù)值分析軟件Matlab編制而成.之后將得到的風(fēng)速時(shí)程曲線作為Fluent流體仿真軟件的入口條件進(jìn)行風(fēng)壓計(jì)算,最后采用與平均風(fēng)影響下的構(gòu)件表面風(fēng)壓處理同樣的方法,將脈動(dòng)風(fēng)壓轉(zhuǎn)換為動(dòng)力荷載進(jìn)行動(dòng)載時(shí)程分析,從而驗(yàn)證脈動(dòng)風(fēng)影響下吊裝構(gòu)件穩(wěn)定性.

風(fēng)速功率譜在不同方向上包括水平陣風(fēng)功率譜、豎向陣風(fēng)功率譜與橫向陣風(fēng)功率譜.其中水平陣風(fēng)功率譜下Davenport風(fēng)速譜與Kaimal風(fēng)速譜[9]在結(jié)構(gòu)風(fēng)工程中應(yīng)用最為常見(jiàn).Davenport風(fēng)速譜是依據(jù)Davenport在不同地點(diǎn)、不同高度處的風(fēng)速記錄,在擬合風(fēng)速曲線時(shí),假定湍流積分尺度L不隨高度變化,L為常數(shù)1200m,脈動(dòng)風(fēng)速譜為不同高度實(shí)測(cè)值的平均值,其表達(dá)式為:

(2)

不同于Davenport風(fēng)速譜,Kaimal風(fēng)速譜考慮了積分尺度L高度的變化,將風(fēng)速記錄通過(guò)指定功能的濾波器獲取功率曲線,然后擬合出相應(yīng)的函數(shù)表達(dá)式,其表達(dá)式為:

(3)

根據(jù)Kaimal風(fēng)速譜算法,編制10m高度處順風(fēng)向的脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程Matlab模擬程序,模擬時(shí)間100s,步長(zhǎng)為0.1s,總時(shí)間為100s,10m高度處風(fēng)速按v0=10m/s考慮,地面阻力系數(shù)k=0.03,地面粗糙度α=0.22.模擬得到的脈動(dòng)風(fēng)風(fēng)速時(shí)程曲線見(jiàn)圖10,脈動(dòng)風(fēng)功率譜見(jiàn)圖11.

圖10 脈動(dòng)風(fēng)風(fēng)速時(shí)程曲線圖 圖11 脈動(dòng)風(fēng)功率譜

5 考慮風(fēng)載與不考慮風(fēng)載對(duì)比

最后對(duì)10m高度處、迎風(fēng)面風(fēng)向角0°下、吊裝方式為平衡梁1的構(gòu)件吊裝階段在考慮自重、考慮自重與平均風(fēng)和考慮自重與脈動(dòng)風(fēng)影響時(shí)的構(gòu)件穩(wěn)定性進(jìn)行了對(duì)比分析.發(fā)現(xiàn)脈動(dòng)風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)影響大于平均風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)影響.在相同條件下脈動(dòng)風(fēng)與平均風(fēng)相比,z向位移是平均風(fēng)的1.46倍,繞x向轉(zhuǎn)角是平均風(fēng)的1.83倍,而繞y向轉(zhuǎn)角僅是平均風(fēng)的3.6%.對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 受荷狀態(tài)不同時(shí)穩(wěn)定性物理指標(biāo)對(duì)比

6 結(jié) 論

利用Fluent軟件對(duì)PC墻體構(gòu)件進(jìn)行了平均風(fēng)壓與脈動(dòng)風(fēng)壓計(jì)算,并分析了Ⅰ-Ⅶ級(jí)風(fēng)風(fēng)速影響下與標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速在迎風(fēng)面角度為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°下對(duì)PC墻體構(gòu)件的風(fēng)壓結(jié)果.之后,將風(fēng)壓轉(zhuǎn)換為壓力荷載,利用有限元軟件對(duì)比分析了不同吊裝方式對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響.最后將考慮自重、考慮自重與平均風(fēng)和考慮自重與脈動(dòng)風(fēng)影響下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比主要獲得以下結(jié)論:

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

(2)迎風(fēng)面風(fēng)壓隨風(fēng)向角角度的增加逐漸減低,背風(fēng)面負(fù)風(fēng)壓隨風(fēng)向角角度的增加成“馬鞍形”趨勢(shì),在風(fēng)向角達(dá)到45°時(shí)負(fù)風(fēng)壓達(dá)到峰值.

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

(4)在PC墻體構(gòu)件吊裝時(shí),脈動(dòng)風(fēng)對(duì)構(gòu)件的穩(wěn)定性影響大于平均風(fēng).