某地塊項目塔吊支撐系統(tǒng)受力性能研究

藍 輝

(中山市第二建筑設計院有限公司， 廣東 中山 528400)

1 工程項目研究背景

某項目為一超高層建筑，結構為框架核心筒體系，為了滿足施工中的設備吊裝需要，使用一型號為ZSL2700的塔吊，塔吊安裝在核心筒位置，并隨著核心筒的高度不斷爬升，塔吊也進行爬升。塔吊在使用過程中使用兩部套架鋼梁附著，分別為稱之為上部套架鋼梁與下部套架鋼梁，上下部套架間距 20m，塔吊與下部套架鋼梁通過螺栓固定，與上部套架鋼梁僅在側向連接，根據(jù)這種連接方式下部套架鋼梁與塔吊可以認為是簡支。根據(jù)塔吊的說明對塔吊的受力進行分析：下部套架鋼梁承受來自塔吊的豎向荷載V和水平荷載H2。上部套架鋼梁只起側向支撐作用，不承受豎向荷載，僅承受水平荷載 H1。塔吊套架分析僅考慮水平力 H1，H2及豎向力V的影響。塔吊具體受力示意圖見下圖1。根據(jù)塔吊說明書，可以得知H1、H2、V、MK等具體參數(shù)。

圖1 塔吊受力示意圖

由于該塔吊體系布置在核心筒內(nèi)，核心筒在結構受力中發(fā)揮重要作用，有必要對該體系進行受力分析研究，并對上下套架鋼梁與預埋件和剪力墻的受力情況作出評價，便于施工和設計進行分析研究。

2 有限元建模

ABAQUS有限元建?？梢苑譃橐韵聨撞絒1](1)創(chuàng)建部件;(2)定義材料、截面屬性;(3)定義裝配件;(4)設置分析步,根據(jù)實際的加載方式,設置多個分析步;(5)定義相互約束；(6)定義邊界條件和載荷;(7)劃分網(wǎng)格;(8)提交作業(yè)進行計算。

依據(jù)設計資料，分析上述模型荷載工況下結構的受力性能，整體模型及荷載布置如圖 2所示，圖中四個黃色箭頭區(qū)域為水平力及豎向力的加載面。鋼梁和牛腿及鋼板的材料為Q345,混凝土強度為C60，鋼筋型號為HRB400。對于混凝土，ABAQUS中共有三種混凝土本構模型[2]混凝土彌散裂縫模型、混凝土脆性破裂模型、混凝土損傷塑性模型。本文選用的是混凝土損傷塑性模型,它能夠模擬在低圍壓時,混凝土受到單調、循環(huán)或動載作用下的力學行為。

該塔吊系統(tǒng)在結構中對稱布置，受到各個方向的水平荷載，因塔吊系統(tǒng)平面布置為東西方向對稱，僅考慮一側0°、45°、90°、135°、180°共5個方向的水平荷載。根據(jù)塔吊參數(shù)說明書荷載條件可得，對上部套架鋼梁，非工作狀態(tài)荷載較大，H1=240t；對下部套架鋼梁，工作狀態(tài)荷載較大， V=530t， H2=144t。同時考慮荷載組合（1.2恒+1.4活）的影響。

圖2 整體模型和荷載布置

3 有限元計算結果分析

通過對各個工況下的有限元分析結果歸納總結，求出最不利工況，在最不利工況下進行有限元建模分析。

下部套架鋼梁：計算出了鋼梁應力狀態(tài)，最大應力為345.4MPa，以及鋼梁最大豎向位移12.92mm，并指了鋼梁應力比大于0.7和1.0的位置在鋼梁端部，通過應力云圖分析可得在鋼梁端部處存在局部應力集中現(xiàn)象，在該部位出現(xiàn)局部應力比大于1.0的情況，其他位置均處于彈性階段，鋼梁的最大變形為12.92mm，鋼梁變形滿足規(guī)范[3]受彎構件撓度容許值要求（L/250），鋼梁整體受力滿足材料的承載能力，鋼梁構件安全。

預埋件牛腿：計算出了預埋件牛腿應力狀態(tài)以及牛腿豎向位移。通過應力云圖分析可得，預埋件牛腿局部端板焊接處同樣存在應力集中現(xiàn)象，牛腿最大應力為345.8MPa,最大豎向位移為1.153mm，但整體均處于彈性狀態(tài)，整個預埋件的受力滿足鋼材承載能力要求，且能控制牛腿的豎向位移在較小狀態(tài)，因此預埋件在施工過程中一直處于安全狀態(tài)。

核心筒剪力墻：核心筒剪力墻是結構體系中的重要構件，分析該位置的受力狀態(tài)尤為重要。通過有限元模型計算了該位置剪力墻混凝土的最大主應力為2.642MPa，并指出了混凝土受拉損傷較為嚴重的部位在牛腿與混凝土的交界面位置。通過應力云圖分析可得，混凝土部分同樣存在應力集中現(xiàn)象，在預埋件與剪力墻混凝土交界面處混凝土出現(xiàn)局部受拉破壞，但是因為混凝土破壞的面積較小，對整個剪力墻受力不會產(chǎn)生較大的影響，因此該位置剪力墻在施工過程中也處于較為安全的狀態(tài)。

4 結語

本文介紹了一個超高層實際工程項目的塔吊支撐系統(tǒng)，并對該塔吊系統(tǒng)的受力情況進行了力學分析，將塔吊系統(tǒng)荷載組合求出最不利受力工況，同時為評價該系統(tǒng)在某一層施工的安全性，使用大型通用有限元分析軟件ABAQUS建立有限元模型，主要側重于上下部套架鋼梁、預埋件牛腿、核心筒混凝土剪力墻部分的受力情況，通過對比分析應力云圖和破壞情況，對該系統(tǒng)在施工過程的安全性做出評價，結果表明，該系統(tǒng)在施工過程中鋼梁、預埋件和核心筒剪力墻局部位置均出現(xiàn)應力集中，但是由于應力集中區(qū)域較小，因此整體處于安全狀態(tài)。該工程項目的分析方法和結果可以為工程的施工提供參考研究。

[1]繆俊.預制裝配式部分鋼骨混凝土框架梁柱節(jié)點有限元分析[D].大連理工大學，2014

[2]石亦平，周玉蓉..ABAQUS有限元分析實例詳解[M].機械工業(yè)出版社,2006

[3]GB50017-2016,鋼結構結構設計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2016.