超高层建筑施工平台混凝土泵管撞击荷载研究*

秦非非，谢 楠，郝建兵

(1.北京交通大学土建学院，北京 100044； 2.中建一局国际工程有限公司，北京 100161)

0 引言

深湾汇云中心J座工程建筑高度为349.25m，采用框架+核心筒束的结构形式。施工时在核心筒束内设置施工平台，其上设置布料机。通过泵车和泵管将混凝土泵送至数百米高的布料机上，以浇筑核心筒筒壁。泵车采用液压驱动双缸往复式活塞，通过分配阀换向实现2个油缸交替工作，压送混凝土。泵管往复运动，撞击布料机，使与布料机相连的施工平台承受周期性水平动荷载作用，此类荷载即为混凝土泵管撞击荷载。目前，相关规范未对混凝土泵管撞击荷载取值做出规定[1-2]。

已有学者对混凝土泵管撞击荷载进行了研究[3-5]，研究对象为搁置在模板面上的布料机，布料机与垫板发生了相对位移。深湾汇云中心J座工程布料机与施工平台通过螺栓连接，未发生相对位移，荷载传递方式与文献[3-5]的研究不同，无法借鉴研究成果，需进行专门研究。

混凝土泵管撞击荷载是作用在超高层建筑施工平台上的重要水平施工动荷载，以深湾汇云中心J座工程为依托，采用理论分析与现场测试相结合的方式，研究混凝土泵管撞击荷载特点与取值，为安全合理地设计超高层建筑施工平台提供依据。

1 布料系统概况

深湾汇云中心J座工程核心筒束由9个筒组成，现场共设2台HGY24D型布料机，分别位于核心筒对角上，如图1所示。布料机底座与施工平台通过螺栓固定，使用SY5123THB-9022C-6GD型泵车泵送混凝土，采用φ125×3.5泵管，泵管与设在核心筒墙体上的预埋件相连。

图1 布料机位置示意

2 混凝土泵管撞击荷载理论估算方法

将布料机和施工平台视为同一结构体系的两部分，如图2a所示。结构体系质量主要集中在施工平台和布料机顶部，可将结构体系简化为2个质点平面运动体系，如图2b所示。图2中，l1为施工平台与下层楼面的垂直距离；l2为布料机质心与施工平台的垂直距离；k1为施工平台侧移刚度；k2为布料机侧移刚度；m1为布料机底座、平台板、平台梁、1/2布料机格构柱和1/2施工平台临时支撑质量总和；m2为布料机平衡杆、转动台、配重及1/2布料机格构柱质量总和；P(t)为混凝土泵管撞击荷载。

图2 计算模型

考虑混凝土泵管撞击荷载持续时间较短，忽略阻尼力的影响，建立结构体系无阻尼水平运动方程[6]：

(1)

由式(1)可得：

(2)

由式(2)可知，P(t)与施工平台位移、加速度和布料机顶部位移有关。由于布料机顶部位移无法测得，假设结构体系可能的变形形状与一阶振型或二阶振型相似(见图3)，相应的混凝土泵管撞击荷载分别为P1(t)，P2(t)。根据图3可得x1(t)，x2(t)的比值，带入式(2)得：

(3)

(4)

图3 结构体系可能的变形形状

由式(3)和式(4)可知，混凝土泵管撞击荷载除与刚度、质量(已知量)有关外，还与施工平台位移、加速度等动力响应有关。

3 动力响应测试

布料机1所在施工平台不具备测试条件，因此将布料机2所在施工平台作为测试对象，测试时施工平台位于12层。

3.1 测点布置

共布置2个位移测点和1个加速度测点，如图4所示。位移测点1用于测试施工平台水平位移，布置在施工平台顶部横梁上；位移测点2用于测试泵管位移，布置在距施工平台0.5m的泵管上。加速度测点3用于测试施工平台沿泵管运动方向的水平加速度(布料机底座与施工平台刚性连接，假设二者加速度相同)，布置在布料机底座上。

图4 测点布置示意

3.2 采样方法

位移采样频率为50Hz，采用DH3817型动静态信号测试系统，传感器为位移计，采样零时刻为混凝土浇筑前5s左右。加速度采样频率为1 000Hz，采用DH5922型动态信号测试系统，传感器为加速度计，采样零时刻为混凝土浇筑前5s左右。

3.3 测试结果分析

本次测试共采集时长1 960s的数据，由采集数据可知，泵管位移、施工平台位移和加速度具有周期性特征。绘制典型数据时程曲线，如图5～7所示。

图5 泵管位移时程曲线

图6 施工平台位移时程曲线

图7 施工平台加速度时程曲线

由图5可知，泵管位移变化周期为4.04s，最大位移为2.7mm。当分配阀换向时，泵管位移变化剧烈，首先以较大的幅度向前运动，然后以几乎相同的幅度向后运动，最后向前运动，持续时间约0.5s。由图6，7可知，施工平台位移和加速度变化周期与泵管位移变化周期相同，施工平台最大位移为0.43mm，最大加速度为0.29g。由图5～7可知，泵管和施工平台受迫运动均发生在分配阀换向期间；分配阀换向结束后，泵管和施工平台进行有阻尼自由振动，振幅均有所衰减，其中泵管振幅衰减更明显。

4 荷载计算

根据图5～7可判定混凝土泵管撞击荷载为周期性荷载，基于泵管位移变化规律，给出图8所示混凝土泵管撞击荷载模式。混凝土泵管撞击荷载1个荷载周期为4.04s，荷载集中作用时间仅为0.5s。在0.5s内，荷载先以Pmax为幅值往复变化1次，然后以0.7Pmax为幅值往复变化1/2次。

图8 混凝土泵管撞击荷载模式

假设最大荷载可能出现在加速度取最大值或位移取最大值的时刻，根据测试数据，由式(3)和式(4)得P1(t)max=9.6kN，P2(t)max=14.2kN。保守起见，取Pmax=14.2kN。

5 结语

根据理论分析及动力响应测试，得出以下结论。

1)施工平台在混凝土泵管撞击荷载作用下，发生周期性受迫运动，周期与泵管运动周期相同，最大位移为0.43mm，最大加速度为0.29g。

2)混凝土泵管撞击荷载为周期性荷载，周期为4.04s，最大值可取14.2kN。

3)需指出的是，混凝土泵管撞击荷载最大值是依据结构施工至12层时的测试结果估算而得，需进行更多的测试研究，以判断其是否适用于更高层施工平台。

4)随着技术条件的成熟，建议对混凝土泵管撞击荷载与泵车活塞运动及分配阀换向的关系进行研究，根据现有泵车型号及功率，基于混凝土泵管撞击荷载产生原因，分析总结通用计算公式，便于指导工程应用。

5)合理的泵管约束是限制泵管位移和减小混凝土泵管撞击荷载的有效手段。