风载作用下PC墙体构件吊装研究.pdf

风载作用下PC墙体构件吊装研究.收稿日期：基金项目：承德市科学技术研究与发展计划项目（）；冀北地区装配式建造关键技术研究（）作者简介：李岩松（），女，高级工程师，研究方向：结构工程。犱 狅 犻：风载作用下 墙体构件吊装研究李岩松韩天骄郭滋平王小敬，郭亚军，（河北建筑工程学院，河北 张家口 ；河北万丰冶金备件有限公司，河北 张家口 ；北旺建设集团有限公司，河北 承德 ；河北省装配式建造与地下工程技术创新中心，河北 张家口 ）摘要：为研究风载对装配式构件在吊装阶段的影响，以标准预制 构件为研究对象，首先对比迎风面在 级风风速下对构件的风压影响与 下风向角变化对构件的风压影响；之后改变 构件的吊索吊点位置，在迎风面 风向角、风速的平均风作用下，对比分析了吊装位置对构件的稳定性影响；最后考虑了脉动风对构件的影响，并将不同受荷状态下的物理指标进行对比。得出在 墙体构件吊装时，风速、迎风面风向角、吊装方式的改变对构件稳定性有巨大影响，而且脉动风对构件的稳定性影响程度大于平均风。关键词：墙体构件；平均风；脉动风；风向角；吊装方式中图分类号：犜 犝 文献标识码：犃 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，甚者会对建筑整体产生不可修复破坏故对风载作用下 墙体构件的吊装研究至关重要在 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的有限元模拟中，悬挂机构在受到相当于 自重的水平力影响时，悬挂机构的钢索就产生了 的倾角为探究风载对构件吊装的影响，本文以标准预制 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 中 模块与 模块分别考虑对构件产生的影响本次研究假设将 墙体构件置于 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 高度处、迎风面风向角 下、吊装方式为平衡梁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 数值模拟 墙体构件 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 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 墙体构件对于标准的 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 的板模型，计算流域尺寸设置为 （）（）（），且将模型放置于迎风面方向（向）三分之一处模型的阻塞率（）（）第 卷 第期 年月河 北 建 筑 工 程 学 院 学 报犑 犗 犝 犚 犖 犃 犔犗 犉犎 犈 犅 犈 犐犐 犖 犛 犜 犐 犜 犝 犜 犈犗 犉犃 犚 犆 犎 犐 犜 犈 犆 犜 犝 犚 犈犃 犖 犇犆 犐 犞 犐 犔犈 犖 犌 犐 犖 犈 犈 犚 犐 犖 犌犞 狅 犾 犖 狅 犑 狌 狀 ，流域大小满足阻塞率要求，示意图见图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 ，最终流域的网格数达到 万，且 的网格质量达到 以上，网格划分质量良好，划分情况见图图结构与整体流域关系示意图图整体计算域网格划分情况 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（），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：犝犝犣犣（）（）式中：犣、犝为待求位置处的高度和对应风速；犣为参考高度（参考高度一般多为 ）；犝为参考高度处的风速；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 级风风速下对 墙体构件风压见图由 建筑施工起重吊装工程安全技术规范（）规定：吊装工作在六级以上大风时应停止查阅风速表，高度处六级风对应的风速为 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狏 考虑风速对构件最大迎风面面积与迎风面角度为、下风压如图图 风级风压图图 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 时负风压达到峰值，之后随风向角增加呈下降趋势结合图风速流线可知，从风向角 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 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 时，涡流消失，而负风压也达到最低部第期李岩松韩天骄郭滋平 等风载作用下 墙体构件吊装研究分风向角风速流线图如图所示）迎风面风向角风速流线图）迎风面风向角风速流线图）迎风面风向角风速流线图）迎风面风向角风速流线图图风速流线图 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本次对 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（）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 墙体构件与上部吊装结构的自重荷载，偏安全性考虑，给予 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 下，在流体计算软件 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 墙体构件横向划分为 等分、竖向等分，将 个数据采集点处的风压转换为压力荷载图 构件吊装示意图结构吊装施工中，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 ，截面为 普通工字钢，吊索截面直径为 ，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 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 墙体构件在向、向的位移；绕向转角、绕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通过不同吊装方式建模得到的结果发现，在 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 在向位移中，平衡梁河 北 建 筑 工 程 学 院 学 报第 卷的存在对结构的位移影响相对向位移不明显，影响因素仅为平衡梁的自重在竖向的位移而随着平衡图向、向位移对比图梁上的吊点向内收进，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向转角中，吊装位置的变化对结构整体影响变化不大绕向转角中，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时，平衡梁的最大应力呈线性急剧上升，最大应力达到 ，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时呈开口向上抛物线，在吊装方式平衡梁时为吊装结构的最大应力谷值综上所述，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，平衡梁布置方式最好，从被吊装构件安全性考虑，平衡梁布置方式最好图绕向、向转角对比图图构件最大应力图 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 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本次脉动风风速时程曲线模拟采用谐波叠加法，基于 风速谱理论，利用数值分析软件 编制而成之后将得到的风速时程曲线作为 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 风速谱与 风速谱在结构风工程中应用最为常见 风速谱是依据 在不同地点、不同高度处的风速记录，在拟合风速曲线时，假定湍流积分尺度不随高度变化，为常数 ，脉动风速谱为不同高度实测值的平均值，其表达式为：犛（狀）犽 狏 狓狀（狓）（）式中：犛（狀）顺风向脉动风速功率谱；狀 脉动风频率；狓 狀狏；犽 地面粗糙度系数第期李岩松韩天骄郭滋平 等风载作用下 墙体构件吊装研究不同于 风速谱，风速谱考虑了积分尺度高度的变化，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：犛（狀）狏狓狀（狓）（）式中：犛（狀）顺风向脉动风速功率谱；狀 脉动风频率；狓狀 狕狏（狕）；狏 摩擦速度；根据 风速谱算法，编制 高度处顺风向的脉动风速时程 模拟程序，模拟时间 ，步长为 ，总时间为 ，高度处风速按 考虑，地面阻力系数犽 ，地面粗糙度 模拟得到的脉动风风速时程曲线见图，脉动风功率谱见图 图 脉动风风速时程曲线图图 脉动风功率谱 考虑风载与不考虑风载对比最后对 高度处、迎风面风向角 下、吊装方式为平衡梁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，向位移是平均风的 倍，绕向转角是平均风的 倍，而绕向转角仅是平均风的 对比结果见表表受荷状态不同时稳定性物理指标对比受荷状态向位移（）向位移（）绕向转角（）绕向转角（）被吊构件最大应力（）平衡梁最大应力（）仅自重 自重平均风 自重脉动风 结论利用 软件对 墙体构件进行了平均风压与脉动风压计算，并分析了 级风风速影响下与标准风速在迎风面角度为、下对 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：（）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（）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 时负风压达到峰值（）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，平衡梁布置方式最好，从被吊装构件安全性考虑，平衡梁布置方式最好（）在 墙体构件吊装时，脉动风对构件的稳定性影响大于平均风河 北 建 筑 工 程 学 院 学 报第 卷参考文献 范学伟，徐国彬，黄雨工程结构的风灾破坏和抗风设计中国安全科学学报，（）：刘思为结构风工程的现状与发展建材与装饰，（）：张丽娜，许福友桥梁吊装段提升过程中风致响应试验研究北方交通，（）：高明敏水平载荷对吊篮悬挂机构的影响建筑机械化，（）：陈鹏风载作用下大型钢结构吊装过程安全性分析东南大学，陈泰炜吊装平衡梁的横截面形状选择石油工程建设，（）：张经纬现场常用平衡梁的设计与分析科技风，（）：刘锡良，周颖风荷载的几种模拟方法工业建筑，（）：张少衡，葛卫春，陈允锐 风速谱与 风速谱在通讯塔设计中的比较分析特种结构，（）：犛 狋 狌 犱 狔狅 狀犺 狅 犻 狊 狋 犻 狀 犵狅 犳犘 犆狑 犪 犾 犾 犮 狅 犿 狆 狅 狀 犲 狀 狋 狊狌 狀 犱 犲 狉狑 犻 狀 犱 犾 狅 犪 犱犔 犐犢 犪 狀 狊 狅 狀 犵，犎 犃 犖犜 犻 犪 狀 犼 犻 犪 狅，犌 犝 犗犣 犻 狆 犻 狀 犵，犠犃 犖 犌犡 犻 犪 狅 犼 犻 狀 犵，犌 犝 犗犢 犪 犼 狌 狀，（，；）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，；，；，犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；第期李岩松韩天骄郭滋平 等风载作用下 墙体构件吊装研究