預(yù)制構(gòu)件運輸全過程受力研究

陳 東，惠雅婷，趙 詣

（1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.合肥科技職業(yè)學(xué)院 建筑工程系，安徽 合肥 231201）

裝配式建筑施工中所用結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要在工廠預(yù)制生產(chǎn)，隨后運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，組裝拼接，使得施工過程高效環(huán)保，因而構(gòu)件運輸是必不可少的重要環(huán)節(jié)。目前，構(gòu)件運輸方式較為傳統(tǒng)，通常使用卡車、拖車或平板車，采用平臥、豎立及倚靠等方式，采取捆綁和固定措施，防止構(gòu)件移動，在必要時提供支撐［1］。由于在構(gòu)件運輸方面沒有統(tǒng)一的運輸車輛配置和明確規(guī)格的構(gòu)件運輸鋼架，加大了預(yù)制構(gòu)件運損的可能性，易影響構(gòu)件性能和施工效率，所以要在運輸階段盡量減少移搬，以降低構(gòu)件運輸中的時間成本和人工成本［2］。學(xué)者從多方面探究了運輸途中造成試件損壞的各種因素。Siddhesh等［3］發(fā)現(xiàn)，車輛的晃動可能造成構(gòu)件部位損害，車輛的動載取決于構(gòu)件自重、安放位置及構(gòu)件懸吊位置等。常春光等［4］總結(jié)出構(gòu)件運輸中可能出現(xiàn)的問題，并提出應(yīng)對措施。Yao 等［5］通過評估風(fēng)荷載對預(yù)制構(gòu)件運輸車的影響，發(fā)現(xiàn)突然出現(xiàn)的陣風(fēng)會導(dǎo)致構(gòu)件與車輛相對滑動，從而折損構(gòu)件安全性。陳剛等［6］全程監(jiān)測梁體運輸，發(fā)現(xiàn)道路不平等較差路況會導(dǎo)致梁體變形。

劉勝民等［7］介紹了一種自主研發(fā)的有限運輸?shù)缆返脑O(shè)備和部件組合運輸裝置，解決了有限道路建設(shè)下的設(shè)備運輸問題。趙亞軍等［8］根據(jù)工程中常用的大型預(yù)制構(gòu)件的類型和尺寸，設(shè)計了一種可拆卸的多用途減震架，并提出了相應(yīng)的減震隔震技術(shù)。樊驊等［9］設(shè)計一種可以減震供能的預(yù)制構(gòu)件安置架，經(jīng)檢驗，可以較好地解決預(yù)制雙T 板在運輸中的安全問題。徐鵬等［10］實地調(diào)查不同PC 構(gòu)件的整體運作結(jié)構(gòu)，分析了裝配式建筑PC 構(gòu)件在運輸過程中的分布特點。傅晨曦等［11］基于橋梁工程預(yù)制部件，推導(dǎo)出運輸空間公式，并驗證其合理性。韓凱敏等［12］提出一種新的預(yù)制構(gòu)件物流式配送模式，對目前的預(yù)制構(gòu)件運輸方式進行了優(yōu)化分析。

預(yù)制構(gòu)件種類增多，對于傳統(tǒng)的構(gòu)件運輸?shù)跹b和綁定方式提出更高要求［13］。目前的研究主要針對運輸管理方法和運輸系統(tǒng)等，而對于預(yù)制混凝土構(gòu)件在運輸過程中的受力特點、應(yīng)力變化及保護措施等方面的研究涉及不多。本文基于三種常用的預(yù)制混凝土構(gòu)件，開展構(gòu)件運輸全過程受力測試研究。對比分析不同預(yù)制混凝土構(gòu)件在運輸中不同位置的應(yīng)力、應(yīng)變變化情況，再利用ANSYS 進行數(shù)值模擬和參數(shù)化分析，對比加速度、墊塊、墻板堆疊等因素對構(gòu)件運輸過程中的應(yīng)力影響，從而確定需要重點保護的構(gòu)件部位及相應(yīng)的保護措施。

1 試驗概況

1.1 構(gòu)件選擇

選用三種常用的不同類型墻板預(yù)制構(gòu)件：不開洞墻板（墻板）、中間開洞墻板（窗戶）及整體開洞墻板（門）。墻板預(yù)制構(gòu)件為三層結(jié)構(gòu)，采用同種C30 混凝土，整體寬度為200 mm×30 mm×60 mm，綜合尺寸見表1。

表1 預(yù)制構(gòu)件尺寸表Tab.1 Dimensions of prefabricated components

1.2 載具選擇

車輛在運輸時一般將預(yù)制構(gòu)件置于鋼架上，因為鋼架堅固穩(wěn)定，易于安裝和固定。運輸車輛選擇半掛牽引車，總牽引質(zhì)量為40 t，遠超構(gòu)件重量，符合運輸條件，運輸選用的車輛及鋼架如圖1 所示。

圖1 運輸車輛及鋼架Fig.1 Transport vehicles and steel frames

1.3 測點布置與測量儀器

運輸前，分別在三種墻板的不同位置對稱布置測點，隨后粘貼應(yīng)變片，測點布置見圖2。

圖2 墻板測點布置圖Fig.2 Layout of measuring points on wall panel

1.4 試驗設(shè)備

利用應(yīng)變測試儀采集應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。由于車輛運輸時會發(fā)生顛簸，造成位移計不穩(wěn)定，所以不測量位移。運輸過程中，將動態(tài)信號采集儀置于駕駛室，粘貼牢固，便于收集汽車行駛過程中的水平加速度。

2 結(jié)果與分析

2.1 材性試驗結(jié)果

澆筑兩組同批次混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊，進行抗壓強度和彈性模量測試。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下養(yǎng)護完成后，利用壓力試驗機進行性能測試。取每組3 個試塊的試驗數(shù)據(jù)平均值作為材料的力學(xué)性能參數(shù)值，測得混凝土抗壓強度為31.9 MPa，彈性模量為31 025 MPa，均符合規(guī)范強度要求。

2.2 測點應(yīng)力應(yīng)變圖

所有試驗預(yù)制構(gòu)件提前粘貼應(yīng)變片后進行現(xiàn)場吊裝，吊裝完成后接線，設(shè)置好儀器相關(guān)參數(shù)。開始運輸時，同步開始應(yīng)變測試；運輸結(jié)束時，同步停止應(yīng)變測試，保存應(yīng)變測試過程中的輸出數(shù)據(jù)。三組不同類型的預(yù)制墻板在應(yīng)變測試過程中，均采用以上應(yīng)變測試方法。不開洞墻板、中間開洞墻板及完全開洞墻板不同測點位置處的應(yīng)力應(yīng)變隨時間變化的對比情況如圖3 ～ 圖5 所示。

圖3 應(yīng)力應(yīng)變對比圖（2、6 號測點）Fig.3 Comparison of stress-strain curves of measuring points 2 and 6

（1）不開洞墻板測點應(yīng)變應(yīng)力圖：

由圖3 可發(fā)現(xiàn)：測點2 號和6 號之間的總體變化趨勢一致，但前者的應(yīng)力低于后者。不開洞墻板結(jié)構(gòu)整體性好，但在運輸大約1 min 時應(yīng)變出現(xiàn)波動，結(jié)合實際運輸環(huán)境，由于此處經(jīng)過一條減速帶，車輛輕微震動，導(dǎo)致曲線發(fā)生波動。5 min 時，車輛等待紅綠燈停下，但車身因為慣性仍有前傾趨勢和晃動，應(yīng)力應(yīng)變發(fā)生變動。整個過程中，應(yīng)力最大值為0.85 MPa。且墻板底部應(yīng)力大于上部應(yīng)力。

（2）中間開洞墻板應(yīng)變應(yīng)力圖：

根據(jù)圖4 所示：1、2、3 號測點應(yīng)力大小相差不大，變化幅度一致。14 號測點應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值明顯增大，但總體趨勢與其他測點一致。與不開洞墻板類似，應(yīng)力應(yīng)變曲線隨著車子的加速和減速發(fā)生波動。車輛行駛過程中無法保證全程勻速行駛，因此應(yīng)力變化較大。同樣，墻板下部的應(yīng)力高于上部應(yīng)力，原因是墻板在自身重力作用下，使得下部受力高于上部受力。最大應(yīng)力約為1.25 MPa，高于不開洞墻板的最大應(yīng)力，可見墻板開洞會影響其運輸途中的受力。

圖4 應(yīng)力應(yīng)變對比圖（1、2、3 號測點及2、14 號測點）Fig.4 Comparison of stress-strain curves of measuring points 1，2，3 and 2，14

（3）完全開洞墻板應(yīng)變應(yīng)力圖：

由圖5 可得：1、2、3 號測點變化幅度基本一致。在開車4 ～ 8 min 期間，車輛行駛道路路況較差，車輛行駛不平緩，應(yīng)力應(yīng)變曲線起伏較大。大約15 min 時，曲線突變且波動激烈，這是由于構(gòu)件晃動導(dǎo)致其表面應(yīng)變片受到拉扯?？梢姌?gòu)件的輕微晃動都會導(dǎo)致構(gòu)件應(yīng)力產(chǎn)生波動。通過3、9 號兩個測點的應(yīng)力應(yīng)變對比，可以看出下部受力大于上部受力，最大約為1.42 MPa。因此，在制作完全開洞墻板的過程中，會在墻板上部兩側(cè)的轉(zhuǎn)角處，即測點1 ～ 6 位置，內(nèi)部增設(shè)抗裂鋼筋，可防止構(gòu)件拐角處產(chǎn)生裂縫。

圖5 應(yīng)力應(yīng)變對比圖（1、2、3 號測點及3、9 號測點）Fig.5 Comparison of stress-strain curves of measuring points 1,2,3 and 3,9

對于以上三種不同類型的預(yù)制墻板，墻板的下部分受力均大于上部分受力，下部分應(yīng)是運輸時的重點保護部位；且開洞面積越大，構(gòu)件的最大應(yīng)力越大。因此，針對運輸過程，運輸門、窗戶等這些開洞構(gòu)件，更應(yīng)該加強綁扎固定、制定保護措施。

2.3 加速度變化圖

運輸過程中車輛實際加速度如圖6 所示，每隔0.02 s 測試一次，共計600 000 個加速度數(shù)據(jù)。由于運輸不確定性導(dǎo)致的異常數(shù)據(jù)已剔除。

圖6 加速度變化圖Fig.6 Acceleration changes

根據(jù)圖6 可以看出，加速度變化基本分布在-8 ～ 8 m/s2區(qū)間范圍內(nèi)。當(dāng)車輛在城市公路上以60 km/h 的速度行駛時，車體加速度變化的最大值為6.9 m/s2，而在實際運輸過程中，運輸速度難以達到60 km/h［14］。在模擬中，設(shè)置6 m/s2的加速度，加速度的變化為近似的正弦曲線變化，以此模擬運輸中的加速度變化情況。

3 數(shù)值模擬

3.1 預(yù)制構(gòu)件運輸模擬

3.1.1 ANSYS 模型建立

整個ANSYS 模型大致三個部分，分別為鋼架、車身和混凝土結(jié)構(gòu)。由于在實際運輸過程中，使用吊繩捆綁連接固定預(yù)制混凝土構(gòu)件和鋼架，這種捆綁方式在接觸設(shè)置中進行理想化假設(shè)，設(shè)置為預(yù)制構(gòu)件與鋼架無分離，限制預(yù)制構(gòu)件的自由度，具體構(gòu)件模型圖如圖7 所示。

圖7 ANSYS 模型示意圖Fig.7 ANSYS model diagrams

3.1.2 數(shù)值分析結(jié)果

三種不同類型的預(yù)制墻板數(shù)值模擬的應(yīng)力云圖如圖8 所示。

圖8 不同預(yù)制墻板應(yīng)力云圖Fig.8 Stress cloud maps of different prefabricated wall panels

根據(jù)圖8 可發(fā)現(xiàn)：在不開洞墻板上，應(yīng)力最大點位于墻板底部與鋼架之間的接觸面上。應(yīng)力變化從上到下逐漸增加，最大值為0.77 MPa。中間開洞墻板應(yīng)力云圖與不開洞墻板大致相同，受力最大處也為墻板底部，為1.39 MPa，依然遵循自上而下應(yīng)力逐漸變大的規(guī)律，在開洞的四個角處，其應(yīng)力變化稍有突變，大于周圍其他部位。由于全開洞墻板底部與鋼架接觸面積較小，單位面積所承受的壓力就會變大。在底部開洞處的兩個拐角，應(yīng)力達到最大，為1.60 MPa，大于周圍部位，但依舊沒有超過混凝土的強度。

3.1.3 三種預(yù)制墻板試驗與模擬對比

三種不同類型的預(yù)制墻板試驗數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)見表2。

表2 預(yù)制墻板試驗數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比表Tab.2 Comparison between measured and simulation data of prefabricated wall panels

誤差分析：不開洞墻板模擬數(shù)據(jù)小于試驗測得數(shù)據(jù)，而其余兩種墻板模擬數(shù)據(jù)均大于試驗數(shù)據(jù)，這是由于在接觸設(shè)置中，不開洞墻板表面與鋼架側(cè)面為無分離，墻板自身重力有一部分為鋼架所承擔(dān)。而其余兩種墻板采取了開洞措施，墻板表面與鋼架接觸面積變小，使鋼架承擔(dān)墻板自重相對于不開洞墻板變小，所以產(chǎn)生差異。但三種預(yù)制墻板模擬所得數(shù)據(jù)與試驗所測數(shù)據(jù)差距不大，模擬符合試驗情況。

3.2 參數(shù)化分析

上述數(shù)值模擬驗證了ANSYS 模型的可靠性。以該模型為基礎(chǔ)，僅改變加速度大小、墊塊、不同類型墻板混合運輸及單層墻板運輸，進行參數(shù)化分析。

3.2.1 加速度變化幅度的影響

在正常運輸過程中，車輛會突然加速及減速，以加速度突變來模擬上述情況，研究加速度突變對預(yù)制構(gòu)件運輸?shù)挠绊?。在正常的加速度?shù)據(jù)中插入與已有數(shù)據(jù)有明顯差異的加速度值，進行新的數(shù)值分析。加速度突變情況下的應(yīng)力云圖如圖9 所示。

圖9 預(yù)制墻板應(yīng)力云圖（加速度突變）Fig.9 Stress cloud maps of different prefabricated wall panels (sudden acceleration)

如圖9 所示，在汽車運輸途中，如遇突然加速或減速等情況時，各墻板的應(yīng)力發(fā)生明顯的應(yīng)力突變。但從整體曲線來看，經(jīng)過突變后，墻板應(yīng)力曲線會恢復(fù)正常。在不開洞墻板上，應(yīng)力最大點位于墻板底部與鋼架之間的接觸面上，約為1.34 MPa。中間開洞墻板受力最大處也為墻板底部，在開洞的四個角處，應(yīng)力稍大于周邊部位，為1.28 MPa。以上兩類墻板應(yīng)力都是自上而下逐漸增大。對于全開洞墻板，底部開洞處的兩個拐角應(yīng)力達到最大，為2.38 MPa。可見加速度的突變，對于構(gòu)件應(yīng)力分布影響比較大。因此，在預(yù)制構(gòu)件運輸中，要提前做好調(diào)查，盡量避免車輛急剎車，另外，要提前規(guī)劃路線，優(yōu)先選擇路況較好的路線，避免車輛遇到大幅度顛簸，導(dǎo)致構(gòu)件受力過大、產(chǎn)生破損，造成不必要的損失［15］。

3.2.2 墊塊保護影響

分別在各預(yù)制構(gòu)件下部安置墊塊，研究墊塊對預(yù)制構(gòu)件在運輸過程中的保護作用。加置墊塊情況下的應(yīng)力云圖見圖10。所放置墊塊材料為橡膠，密度為1 190 kg/m3，彈性模量E=2 MPa，泊松比=0.45。

如圖10 所示，在墻板底部增加墊塊后，墻板整體所受應(yīng)力減少，且最大應(yīng)力對比無墊塊時明顯降低。全開洞墻板加墊塊前后應(yīng)力基本沒有變化，考慮到全開洞墻板底部面積較小，底部受力較為集中，所以橡膠墊塊起到的緩沖作用較小，最大應(yīng)力值為0.62 MPa。其余兩塊墻板均有不同程度的應(yīng)力減小，中間開洞墻板最大應(yīng)力值為1.1 MPa，完全開洞墻板最大應(yīng)力值為1.6 MPa。可推斷，如果將墊塊材料替換為更高強度的緩沖材料，預(yù)制墻板所受最大應(yīng)力仍能繼續(xù)減少［16］。

3.2.3 墻板運輸放置層數(shù)影響

針對三種墻板建立單層運輸數(shù)值分析，研究在運輸過程中墻板放置層數(shù)對預(yù)制構(gòu)件應(yīng)力分布的影響，相應(yīng)的應(yīng)力云圖如圖11 所示。

圖11 預(yù)制墻板應(yīng)力云圖（墻板單層放置）Fig.11 Stress cloud maps of different prefabricated wall panels (single-layer placement)

由圖11 可以看出，層數(shù)堆疊運輸對預(yù)制墻板應(yīng)力也會產(chǎn)生影響。不開洞墻板的最大應(yīng)力值為0.75 MPa，中間開洞墻板最大應(yīng)力值為1.25 MPa，完全開洞墻板最大應(yīng)力值為1.67 MPa。由于模擬中，將雙層運輸外層墻板與鋼架底部設(shè)置為幾何體與幾何體之間僅沿Z 軸，即豎向方向移動，因此每個墻板產(chǎn)生的作用力都施加在鋼架上，兩層墻板之間作用力較小，為理想模型設(shè)置，所以在模擬中雙層運輸與單層運輸?shù)膽?yīng)力差距不大。但是考慮實際情況，構(gòu)件本身具有重力作用，以及堆疊后的摩擦力等因素，堆疊越高，墻板受力越大，越易造成破損，因此宜在墻板堆疊面鋪設(shè)海綿等緩沖物，減少構(gòu)件破損。

通過參數(shù)化分析可得；加速度突變對應(yīng)力的影響比加置墊塊和層數(shù)堆疊更大。運輸途中尤其要避免車輛猛加速或者急剎車，盡可能勻速前進。

4 結(jié)論

本文基于三種常用的預(yù)制混凝土構(gòu)件，開展構(gòu)件運輸全過程受力測試，對比分析不同預(yù)制混凝土構(gòu)件在運輸中不同位置的應(yīng)力、應(yīng)變變化，結(jié)合數(shù)值模擬和參數(shù)化分析，得出以下結(jié)論：

（1）不同構(gòu)造的預(yù)制構(gòu)件，在運輸過程中的受力有所不同。開洞構(gòu)件應(yīng)力變化高于不開洞構(gòu)件，且應(yīng)力變化與開洞面積呈正相關(guān)。

（2）開洞處的應(yīng)力高于周圍不開洞的部位。構(gòu)件下部應(yīng)力高于上部，且構(gòu)件底部與鋼架接觸處受力最大。

（3）相比較加置墊塊和堆疊層數(shù)，加速度對構(gòu)件應(yīng)力變化影響最大。建議車輛運輸途中，盡可能勻速行駛，避免猛加速和急剎車，遇到緊急情況時，也應(yīng)盡量避免加速度突變超過8 m/s2。

（4）建議在預(yù)制構(gòu)件與運輸鋼架接觸位置加墊高彈性的高強緩沖材料，如橡膠、木塊及泡沫板等，可以顯著降低預(yù)制構(gòu)件應(yīng)力突變，減少構(gòu)件損壞。應(yīng)避免構(gòu)件多層堆疊，少量堆疊時也需安放軟支座。