风荷载作用下一体化智能筑塔机爬升系统结构响应分析*

董 科

(中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430000)

0 引言

爬升系统广泛应用于高层建筑施工中，是实现施工结构支撑及其整体爬升的关键设备之一。在施工过程中，爬升系统所受荷载情况随着施工和爬升工况发生交替改变，可靠性和稳定性对高层建筑的施工进度、安全和质量具有重要意义[1]。

为保证爬升系统结构的安全性，石立国等[2]通过ANSYS建立了液压爬模的有限元模型，分析其在爬升工况和施工工况下的地震响应规律；于庆波等[3]以襄阳大厦主塔楼施工为研究背景，分析了液压爬升系统的安装工艺及关键施工技术，并对爬模系统的结构和施工工艺进行了优化；陈松辉等[4]在不同荷载和工作环境下对液压爬模的架体进行了受载分析，探讨了架体在整个施工过程中的稳定性；艾新洁[5]结合高墩现场施工情况，分析了爬模系统施工工艺特点和在不同施工状态下的受载情况；苏云飞等[6]对超高层核心筒结构施工的液压爬模结构进行了模态分析，并探讨了其在施工工况和爬升工况下的安全性。目前，对高层建筑施工中爬升系统的研究大多数集中在爬模选型、施工工艺改进和恒荷载作用下的静态分析等方面，罕见探究爬升系统在动态风荷载作用下的响应规律。由于风荷载是使高耸结构产生位移和振动的主要因素，在强风作用下爬升系统局部构件的失效极易导致整体施工结构发生连续性倒塌和破坏性事故。因此，开展爬升系统在风荷载作用下的动态行为研究对保障高层结构施工的安全性具有重要意义。

本文以伶仃洋大桥索塔施工中使用的新型一体化智能筑塔机为研究对象，探讨在施工、爬升和非工作工况下风荷载对其爬升系统的结构影响规律，为筑塔机爬升系统的结构优化和整体稳定性提升提供理论参考。

1 工程概况

深圳—中山通道项目是连接深圳市、中山市和广州南沙的集海底隧道、跨海桥梁、深水人工岛、水下互通的系统性工程[7]。伶仃洋大桥采用580m+1 666m+580m的三跨全漂浮体系悬索结构形式，桥塔采用门形结构，塔柱截面为空心八边形，塔柱混凝土段高度为262.5m，钢结构塔冠高度为7.5m。其中，下塔柱高度为79m，外侧横桥向斜率为1∶17.174，顺桥向内侧垂直设计；中、上塔柱高183.5m，顺桥向外侧斜率为1∶36.336，顺桥向内侧斜率为1∶44.216；上、中、下塔柱的横桥向斜率均为1∶39.5。

伶仃洋大桥桥塔采用集成混凝土自动浇筑、智能养护和智能控制等施工建造技术的一体化智能筑塔机施工[8]。该筑塔机主要由4组外架体、爬升系统、养护系统、模板系统、控制系统、布料系统等组成(见图1a)，外架体总高度为26.7m，架体上方设置8层操作走道，包括3层作业层、3层养护层和2层修复层。其中，爬升系统主要由平衡梁、锚固系统、爬升轨道、上下爬箱、调整油缸和顶升油缸组成，如图1b所示。平衡梁与上爬箱利用销轴连接，通过调整油缸可实现架体不同倾斜角度需求，上、下爬箱通过顶升油缸连接，利用爬箱内部挂爪可实现架体整体爬升。此外，锚固系统利用其预埋螺栓、预埋垫板、预埋螺母、锚锥和高强螺栓等组件将轨道锚固于已浇筑的混凝土表面。

图1 一体化智能筑塔机主要结构特征

2 风荷载确定

(1)

(2)

(3)

式中：N为风谱频率范围内划分的数量，须取足够大的正整数，取N=1 000；Δω为风谱频率增量；Hij(ωk)为下三角矩阵，由风谱的互功率谱密度函数矩阵通过Cholesky分解得到；φjk为在区间[0, 2π]范围内随机产生的相位角。

(4)

(5)

图2 自然风时程风速

3 爬升机构动态特性分析

由于筑塔机在结构上具有对称性，在ANSYS中建立其2组外架体及爬升系统的有限元模型，如图3所示。架体和爬升系统分别采用beam188，shell181单元，液压缸采用link180单元，钢结构材料采用Q355钢。分析的荷载主要包括作业层施工荷载、风荷载和架体、模板及作业机具自重。在施工工况下，混凝土处于浇筑状态，爬升系统通过上爬箱挂爪固定至轨道上，下爬箱不受架体荷载作用。在爬升工况下，下爬箱内部挂爪作用在轨道上，顶升液压缸伸缸实现架体爬升，此时下爬箱处于受载状态。在非工作工况下，受风荷载过大影响，筑塔机停止施工并布置相应的防风措施，上爬箱处于受载状态且无施工荷载。其中，架体Ⅰ，Ⅱ总重分别约为35，40t，在施工工况和爬升工况下作业层施工总荷载分别取5，2kN/m2。

图3 筑塔机架体有限元模型

1)以平均风作用下爬升系统应力及位移最大的节点作为研究对象，计算在施工工况下爬升系统在平均风及自然风作用下的应力和位移。由计算结果可知，在平均风作用下，爬升系统应力和位移最大的节点位于平衡梁，平衡梁两侧的应力和位移分布并不一致，最大应力和位移分别为231.495MPa和2.446mm。当施加自然风后，在初始时间处节点应力和位移迅速递增，并逐渐达到相对平衡状态。由于2组架体的迎风面积、重力和施工荷载等因素差异，达到相对平衡状态后，总体上爬升系统Ⅰ较爬升系统Ⅱ的节点应力和位移大。其中，爬升系统Ⅰ，Ⅱ节点应力分别为135.682～264.041，139.622～247.248MPa，相比于平均风作用下最大应力分别增大约14.06%，6.80%；节点位移分别为0.683 8～3.441，1.187 5～3.391mm，相比于平均风作用下最大位移分别增大约40.67%，38.63%。通过分析可知，由于自然风的脉动效应，节点最大应力和最大位移较平均风作用下偏大。

2)在爬升工况下，下爬箱为主要承载和支撑部件，在平均风作用下最大应力和最大位移分布于其与顶升液压缸连接处的两侧，最大应力和最大位移分别为214.514MPa和1.846mm。与施工工况相似，在自然风作用下，2组爬升系统节点应力和位移在一定范围内迅速增加，约在5s处逐渐稳定在一定的范围内变化，爬升系统Ⅰ，Ⅱ节点最大应力分别为262.127，257.959MPa，相比于平均风作用下最大应力分别增大约22.20%，20.25%；节点最大位移分别为2.444，2.398mm，相比于平均风作用下最大位移分别增大约32.39%，29.90%。动态响应达到相对平衡状态后，爬升系统Ⅰ节点应力和位移总体上大于爬升系统Ⅱ，由于该工况下施工荷载小于施工工况，节点应力和位移整体小于施工工况。

3)当风速达到一定等级时，筑塔机停止施工并进入防风状态，在相应架体平台间安装抗风拉杆。在非工作工况下，爬升系统约束与施工工况基本一致，平均风作用下平衡梁两侧所受应力和产生的位移相差较大，最大应力和最大位移分别为258.515MPa，3.546mm。以应力及位移最大节点为分析对象，自然风作用下所分析节点应力和位移时程变化与施工工况相似，平衡后的爬升系统Ⅰ，Ⅱ节点应力分别为136.216～273.854，141.856～270.171MPa，相比于平均风作用下最大应力分别增大约5.93%，4.51%，节点位移分别为1.403～3.841，1.185～3.796mm，相比于平均风作用下最大位移分别增大约8.32%，7.05%。在非工作工况下，2组爬升系统应力和位移的动态变化范围明显大于施工和爬升工况，最大应力和最大位移均满足裕度要求。此外，由于平台防风措施的布置且无施工荷载的作用，自然风较平均风作用的最大应力和最大位移增幅明显小于前2种工况。

4 结语

1) 受施工荷载、架体自重及机具重力分布等因素影响，爬升系统在施工工况和爬升工况下平衡梁产生的位移和应力较大，且其两侧位移和应力存在分布不均匀状况；在非工作工况下，下爬箱其与顶升液压缸连接处的两侧为危险部位，在工程应用中可对其结构进行优化以提升整体稳定性。

2) 在不同工况下爬升系统位移和应力响应在安全裕度范围内，但由于自然风的脉动效应，分析部位的最大应力和最大位移较平均风作用下偏大。因此，在实际工程中有必要检测其数值的变化范围，适当加强防风措施以提升结构稳定性。