大風天氣下裝配式陽臺吊裝穩(wěn)定性研究

郝 勇,韓天驕,胡鵬程,孟玉娜,李巖松,郭 增

(1.河北建筑工程學院 土木工程學院,河北 張家口 075000;2.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點實驗室,河北 張家口 075000;3.張家口職業(yè)技術(shù)學院,河北 張家口 075000)

隨著社會環(huán)境保護意識的提升,人們對建筑工業(yè)化、綠色化的要求更加迫切。裝配式建筑具有施工效率高、能源消耗少以及環(huán)境污染小等特點[1],是推進建筑工業(yè)化的必然趨勢。預(yù)制裝配式陽臺作為裝配式住宅中不可或缺的部分,其安裝質(zhì)量的好壞直接影響著建筑的整體水平[2]?，F(xiàn)階段,對預(yù)制裝配式陽臺的研究多集中于陽臺安裝技術(shù)[3]、陽臺預(yù)制方案比選[4]與大體量預(yù)制陽臺施工[5]等,而對陽臺提升時的受力狀態(tài),尤其是常年大風天氣地區(qū)風對陽臺提升的影響涉略較少,故研究大風天氣下對PC封閉式陽臺提升時的影響具有很好的現(xiàn)實意義。

PC(Precast Concrete)封閉式陽臺結(jié)構(gòu)提升過程中,由于缺少水平向約束,且剛度相對較低,加之風的運動本身具有不規(guī)則性,極易導致整個吊裝提升結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。雖然《建筑施工起重吊裝工程安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ276-2012)規(guī)定:吊裝工作在六級以上大風時應(yīng)停止,但對每年6級以上大風天數(shù)50～70d,風速最大可達28m/s,常年處于大風天氣的張家口壩上地區(qū)[6]明顯具有不適用性。因此,為探究風對PC封閉式陽臺提升的影響,首先利用Fluent軟件對一種普通PC封閉式陽臺建立足尺模型,進行平均風下風攻角、風向角對陽臺表面風壓的模擬,將風攻角與風向角作用下的風壓轉(zhuǎn)換為均布面荷載,使用有限元軟件對比分析迎風面受風向角的改變對PC封閉式陽臺提升時的穩(wěn)定性影響,并考慮平均風與脈動風的影響,將不同受風狀態(tài)下的穩(wěn)定性物理指標進行對比分析。

1 PC封閉式陽臺數(shù)值模型

PC封閉式陽臺尺寸見圖1,在Fluent軟件進行風速流場分析時建立1:1足尺模型,計算流域尺寸大小為24000mm(X)×20000mm(Y)×45000mm(Z),將模型放置于迎風向Z軸三分之一處。PC封閉式陽臺模型阻塞率:(3600×3000)mm2/(24000×20000)mm2=2.25%<3%,流域大小設(shè)置滿足要求,示意圖見圖2。網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,最小網(wǎng)格尺寸為0.5mm,最終整體流域的網(wǎng)格數(shù)達到40萬,且所有的網(wǎng)格質(zhì)量都在0.9以上,網(wǎng)格劃分質(zhì)量良好,網(wǎng)格劃分情況見圖3。

圖1 PC封閉式陽臺示意圖

圖2 結(jié)構(gòu)與整體流域關(guān)系示意圖

圖3 整體計算域網(wǎng)格劃分情況

2 風向角、風攻角影響下風壓分析

在常規(guī)計算中,一般不考慮風攻角對結(jié)構(gòu)的影響。但風作為一種自然流體,易受到地形環(huán)境與周邊建筑的影響,使結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生一定的風攻角,在一些風場中風攻角可達10°左右[7]。目前,國內(nèi)外學者在風攻角對PC構(gòu)件吊裝時的風壓影響方面研究較少。Wu F[8]基于TTU的實測數(shù)據(jù)分析了豎向風攻角對屋面角部風壓系數(shù)的影響,其研究結(jié)果表明豎向風攻角對錐形渦的形成和發(fā)展有非常大的影響,房屋設(shè)計中不能忽視豎向風攻角的影響[9]。

為探究大風作用下風攻角、風向角對PC封閉式陽臺結(jié)構(gòu)提升時的影響。在Fluent模型中給PC封閉式陽臺模型設(shè)置了0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°七種風向角以及-12°、-9°、-6°、-3°、0°、3°、6°、9°、12°九種風攻角角度。取八級大風風速v0=20m/s作為Fluent軟件中的速度入口條件,得到風攻角、風向角下最大風壓結(jié)果見圖4、圖5。

圖4 風向角最大風壓圖

圖5 風攻角最大風壓圖

如圖4、圖5所示,風向角、風攻角的變化對PC封閉式陽臺提升時的最大正風壓無明顯影響,而對最大負風壓存在明顯影響。產(chǎn)生這種現(xiàn)象主要原因是PC封閉式陽臺模型不規(guī)則,加之風向角、風攻角的變化會加劇空氣在結(jié)構(gòu)前的分離效應(yīng),對背風面的渦流產(chǎn)生擾動。

結(jié)合風速流線圖分析可知,風直接作用于迎風面,正風壓不受風速繞流的影響,僅與迎風面面積有關(guān),故正風壓無明顯變化;而隨著風向角、風攻角的變化,結(jié)構(gòu)不規(guī)則會導致風在特定角度區(qū)間加劇渦流的變化,產(chǎn)生更大的結(jié)構(gòu)表面負風壓,如圖6中30°、60°風向角風速流線圖所示。

(a)0°風向角風速流線圖

3 風攻角、風向角影響下吊裝穩(wěn)定性分析

根據(jù)陽臺重量與施工經(jīng)驗,對PC封閉式陽臺提升采用兩種平衡梁吊索吊裝,吊裝方式1(桁架式平衡梁)與吊裝方式2(單平衡梁)示意圖見圖7。平衡梁均采用Q235鋼材,截面為I30a普通工字鋼焊接而成,吊索直徑為32mm,長度以豎向與平衡梁水平面的夾角為60°左右確定,吊點位置的布置參考《建筑施工起重吊裝安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ276-2012)。在有限元軟件分析中,采用1.3倍安全系數(shù)的PC封閉式陽臺自重作為豎向荷載,水平向荷載由平均風風速v0=20m/s作為邊界入口條件,在流體仿真軟件Fluent中得到的風壓結(jié)果轉(zhuǎn)換確定。PC封閉式陽臺模型中各個面上的風壓采用在微小區(qū)域上風壓均勻不變的假定,根據(jù)面積的大小將模型受風壓面域劃分為若干區(qū)域。最后,將每個風壓區(qū)中的風壓轉(zhuǎn)換為均布面荷載,并布置到對應(yīng)區(qū)域。

(a)吊裝方式1

在15組不同角度的風壓中,按風攻角與風向角分類,對數(shù)據(jù)按正風壓絕對值最大、負風壓絕對值最大排序進行系統(tǒng)分層處理。選出風攻角與風向角兩組數(shù)據(jù)中具有代表性的角度0°、30°、60°、(風向角)與-6°、3°、12°(風攻角),將對應(yīng)的風壓轉(zhuǎn)換為均布面荷載輸入到有限元軟件中,模擬實際工程中風對PC封閉式陽臺的影響。以PC封閉式陽臺在提升過程中在X向、Y向、Z向的最大位移及平衡梁最大應(yīng)力作為提升穩(wěn)定性分析的判別標準,X向、Y向、Z向最大位移及平衡梁最大應(yīng)力見圖8-圖11。

圖8 X向最大位移對比圖

圖9 Y向最大位移對比圖

圖10 Z向最大位移對比圖

圖11 平衡梁最大應(yīng)力對比圖

通過不同風攻角與風向角產(chǎn)生的風壓對2種PC封閉式陽臺吊裝方式提升時的穩(wěn)定性影響分析可知,風向角度的改變對陽臺提升時的穩(wěn)定性影響顯著,吊裝方式1較吊裝方式2有更好的穩(wěn)定性。由上圖可知,PC封閉式陽臺提升時受到迎風面60°風向角的大風時,會使陽臺在X向產(chǎn)生最大位移;陽臺最大的Y向、Z向位移與平衡梁最大應(yīng)力均發(fā)生于陽臺受到迎風面30°風向角時;Y向、Z向最大位移與平衡梁最大應(yīng)力三者之間具有相似的變化趨勢。

4 脈動風影響下提升穩(wěn)定性分析

脈動風作為自然風中不可或缺的部分,其影響往往大于平均風。脈動風屬于隨機荷載,常用風速時程曲線表示脈動風。此次脈動風模擬通過數(shù)值分析軟件Matlab基于諧波疊加法理論,根據(jù)Kaimal風速譜[10]算法,編制流域入口高度處的脈動風速時程Matlab程序,模擬總時間為100s,步長為0.1s,15m高度處風速按v0=20m/s考慮,地面阻力系數(shù)k=0.03,地面粗糙度α=0.22。模擬得到的脈動風風速時程曲線見圖12,脈動風功率譜見圖13。將得到的風速時程曲線作為Fluent的入口條件進行脈動風壓瞬態(tài)計算,采用與平均風影響下的構(gòu)件表面風壓處理的方法,即認為脈動風壓在微小單元上均勻分布,將脈動風壓轉(zhuǎn)換為動力荷載進行動載時程分析,從而得到脈動風影響下PC封閉式陽臺提升時的穩(wěn)定性物理指標。

圖12 脈動風風速時程曲線圖

圖13 脈動風功率譜對比圖

Kaimal風速譜函數(shù)表達式為:

(1)

(2)

(3)

5 不同受風狀態(tài)下結(jié)果對比

為探究不同的受風狀態(tài)對PC封閉式陽臺吊裝方式1提升時的穩(wěn)定性影響,將考慮自重、0°風向角下考慮自重(平均風/脈動風)與不同風向角度下各項穩(wěn)定性物理指標的最大值進行統(tǒng)計,結(jié)果見表1。對比數(shù)據(jù)可知,大風狀態(tài)下,脈動風與風向角度均對PC封閉式陽臺提升時的穩(wěn)定性具有不可忽視的影響。脈動風與相同條件下平均風相比,X向位移為平均風的1.84倍,Y向位移為平均風的1.54倍,Z向位移為平均風的1.07倍,平衡梁最大應(yīng)力為平均風的1.25倍;不同風向角度下的物理指標最大值與0°風向角相比,X向位移為0°風向角的5.62倍,Y向位移為0°風向角的1.56倍,Z向位移為0°風向角的1.93倍,平衡梁最大應(yīng)力為0°風向角的1.46倍。

表1 受荷狀態(tài)不同時穩(wěn)定性物理指標對比

6 結(jié)論

通過Fluent軟件對PC封閉式陽臺足尺模型進行了平均風下風攻角、風向角風壓的模擬,將角度0°、30°、60°風攻角下的風壓與-6°、3°、12°風向角下的風壓轉(zhuǎn)換為均布面荷載,使用有限元軟件對比分析了受風向角度的改變對PC封閉式陽臺在2種吊裝方式下提升時的穩(wěn)定性影響,并考慮平均風與脈動風的影響,將不同受風狀態(tài)下的穩(wěn)定性物理指標進行對比分析,得出以下結(jié)論。

(1)大風作用下PC封閉式陽臺提升時最不利風向角度為迎風面60°風向角,迎風面12°風攻角次之。

(2)PC封閉式陽臺提升時,采用桁架式吊裝方式較單平衡梁吊裝方式有更好的穩(wěn)定性。且Y向、Z向最大位移與平衡梁最大應(yīng)力三者之間具有對應(yīng)性關(guān)系。

(3)脈動風與風向角度均對PC封閉式陽臺提升時的穩(wěn)定性具有不可忽視的影響。脈動風與相同條件下平均風相比,X向位移為平均風的1.84倍;30°風向角度下的物理指標最大值與0°風向角相比,X向位移為0°風向角的5.62倍。因此,建議PC封閉式陽臺提升時優(yōu)先采用桁架式平衡梁,并應(yīng)考慮施工現(xiàn)場實時的風速與風向,以便作出相應(yīng)的應(yīng)對措施。