装配式建筑构件自平衡吊具系统有限元分析

田 哲 潘 峰 沈浅灏

上海建工五建集团有限公司 上海 200063

1 研究背景

随着改革开放以来中国经济的发展，装配式建筑变得越来越重要，国内外装配式建筑都有着不错的发展[1-8]。国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见提出“力争用10年左右的时间，使装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%”。装配式建筑的发展，使得建筑建造方式发生了较大变化，特别是在装配式建筑施工的构件吊装过程中，如何高效、精准地调整构件的就位姿态，是提升装配式建筑施工质量安全的关键环节。

本文将通过对自主研发的装配式建筑构件自平衡吊具系统进行有限元模拟，以期为系统研发和选型提供设计依据。

2 自平衡吊具系统概况

2.1 装配式建筑的常用吊装工具与方式

装配式建筑预制构件常用的2种吊装方法为直接吊装法与横吊梁吊装法。

直接吊装法主要是通过吊钩、钢丝绳与吊点的组合来完成构件吊装。对于起吊量较多的预制墙板，通常在预制构件上预埋吊点连接件。常见的预埋吊点形式主要包括：预埋螺母、预埋吊钉与预埋吊环（图1）。

图1 直接吊装法常见预埋吊点形式

横吊梁吊装法主要采用专用横吊梁，根据不同起吊构件对吊点位置进行调整，使得塔吊吊钩和预制构件重心竖向一致，从而有效避免吊装过程中预制板块倾斜，方便预制构件就位。吊点主要采用预制板内预埋吊钩（环）形式，配套钢丝绳应根据每次起吊时最重的构件选取（图2）。

图2 横吊梁示意及横吊梁吊装法

然而，目前施工现场产业工人经验水平参差不齐，预制构件起吊前，需要通过手拉葫芦调整钢丝绳，使钢丝绳处于紧绷状态，此工序中现场调节效率较低，且因现场产业工人操作不当，易出现预制构件斜吊等存在安全隐患的现象。

因此，需要研发适应于装配式建筑预制构件，特别是异形构件的吊装工具，以保证预制构件吊运的高效安全。

2.2 装配式建筑构件自平衡吊具系统

装配式建筑构件自平衡吊具系统是适用于异形预制构件起吊就位、自动调节平衡的智能化装备，集“姿态感应、平衡调节、安全锁扣”等技术于一体。预制构件吊装预埋件与该设备起吊臂锁扣后，即可在起吊过程中感应预制构件质量，自动调节吊臂，使得预制构件在起吊过程中保持平稳。该系统主要由质量控制箱体、伸缩平衡吊杆、上下连接吊钩以及测量控制系统等组成。

3 自平衡吊具系统有限元分析

3.1 自平衡吊具有限元模型建立

有限元软件Abaqus建模的实际操作过程包括：支撑各部件绘制、各部件材料属性设置、部件装配、分析步设置、互相作用设置、荷载加载、网格划分，以及运算和后处理。

3.1.1 自平衡吊具材料本构模型

自平衡吊具采用Q235型号的钢材制作，屈服强度为235 MPa，弹性模型为206 GPa，泊松比为0.3。考虑到支撑在加载过程中最大应变≤5%，因此钢材的应力-应变关系采用理想双线型随动强化材料模型（图3），切线模量E2取弹性模量E1的2%。

图3 钢材本构模型

3.1.2 自平衡吊具网格划分

对于网格划分，网格单元类型为八节点六面体线性减缩积分单元。该单元适用于细网格划分、含有接触问题的数值模拟。根据实际构件和SolidWorks模型，建立有限元模型，网格划分如图4所示。

3.1.3 自平衡吊具加载规则

图4 网格划分

在吊具体系中，根据实际工作中自平衡吊具的固定方式，假定顶部吊钩下部的钢板为固定端，上部耳板承受自重与构件的质量；下部吊钩则假定一端吊钩固定约束，另一端受与构件所受重力相当的拉力，在所受荷载作用下进行静力分析。其加载与约束情况如图5所示。

图5 模拟组合荷载

3.2 自平衡吊具有限元结果分析

模拟结果如图6～图11所示，从模拟结果可以看出，自平衡吊具稳定，吊钩耳板整体最大应力222 MPa、最小应力20 MPa。油缸简化为圆管，两端焊接钢板与耳板，由于耳板连接处截面变小，出现应力集中，最大应力出现在销轴与耳板处。下部吊钩销轴整体最大应力43.4 MPa，最小应力7.2 MPa。平均应力25.3 MPa，计算值21.23 MPa，与模型相符合。端部因为存在焊接焊缝，出现应力集中，为正常现象。

图6 下部吊钩应力云图

图7 上部耳板应力云图

图8 下部吊钩连接耳板应力云图

图9 下部吊钩销轴应力云图

图10 顶部吊钩连接耳板应力云图

图11 顶部吊钩销轴应力云图

下部吊钩中间耳板处最大应力101 MPa，最小应力6.18 MPa，依据规范的计算值为107.14 MPa，均满足要求。

顶部吊钩最大应力为104.1 MPa，整体结构稳定，耳板连接处应力集中。

销轴平均切应力计算得31.84 MPa，模型计算值为41.49 MPa。基本吻合。

4 规范计算分析

上海某工地60 m处需安装一片高2.9 m、宽2.6 m、厚0.3 m的装配式墙板，通过吊具吊装现场安装，平衡吊具的承载力有可能不够，需要对其进行校算。根据钢结构的基本概念和相关规范，对自平衡吊具进行刚度、强度、连接件等校算。

4.1 基本荷载

油缸如下图12所示。

图12 油缸示意

中间油缸部位简化为φ100 mm×10 mm圆管，杆件本身受拉。拉应力σ =21.23 MPa＜370 MPa，满足要求

4.2 耳板验算

耳板如图13所示。耳板按照GB 50017—2017《钢结构设计标准》进行验算，b＝30 mm、a＝30 mm、d0＝30 mm、N＝60 kN、t＝28 mm，耳板宽厚比为1.071 4＜4，满足要求。耳板几何尺寸be＝2t＋16＝72 mm＞b＝30 mm，a＝30mm＜4be/3＝96 mm，不满足要求。

销轴连接的构造应符合GB 50017—2017《钢结构设计标准规范》11.6.2节销轴连接的规定。

对耳板进行验算：耳板孔净截面处抗拉强度b1＝min（2t＋16，b-d0/3）＝20 mm，满足要求；b＝N/（2tb1）＝ 53.571 4 MPa＜fu＝370 MPa，满足要求；耳板端部截面抗拉（劈开）强度σ＝N/［2t（a-2d0/3）］＝107.142 8 MPa＜fu＝370 MPa，满足要求；耳板抗剪强度τ＝N/（2tz）＝N/｛2t［（a＋d0/2）2－（d0/2）2］1/2｝＝120 MPa，满足要求。

4.3 顶部耳板验算

顶部耳板示意图如图14所示。N＝80 kN，b＝25 mm，a＝20 mm，t＝35 mm，宽厚比为0.714＜4，满足要求；a＝20 mm＜4be/3＝114.66 mm，不满足要求。

顶部设计承载力为80 kN，取孔净截面处的抗拉强度b1＝11.67 mm，σ＝97.93 MPa＜fu＝370 MPa，满足要求；耳板抗剪强度τ＝32.99 MPa＜fv＝120 MPa

4.4 结果对比

对比依据规范的计算结果和有限元模拟结果如表1所

图13 耳板示意

图14 顶部耳板示意

示。油缸、中间耳板、顶部耳板和销轴有限元结果与手算结果误差分别为16%、6%、6%和23%，误差在允许范围内。

表1 构件验算结果对比

5 结语

本文通过有限元软件对自平衡吊具的受力进行模拟，结果表明自平衡吊具能够进行有效的工作。自平衡吊具耳板构件的规范计算结果，表明自平衡吊具构件在自身承载力满足要求的前提下，还应满足规范构造要求，才可以安全地工作。自平衡吊具，在规范构造上进行一系列改进，在施工方面可保证安全、高效、准确、可靠，可广泛推广使用。