基于Solidworks Simulation的液压智能调垂架有限元分析及其工程应用.pdf

基于S o l i d wo r k s S i mu l a t i o n 的液压智能调垂架 有限元分析及其工程应用* 刘星 顾 国明 上海建工集 团工程研究总院 上海 2 0 1 l 1 4 摘要在 “ 一柱一桩”施工中，对钢立柱的垂直度精度要求越来越高，传统的调垂工艺难以满足要求，施工效率也不 高。因此 ，有必要研制一套基于激 光定 位的钢立柱液压调垂 系统 。以系统中关键支撑结构调垂架 为研 究重点 ，利 用S o l i d wo r k s 软件 ，对其简化建模 ，进行受力仿真 ，在2种工况下分析调垂架 的最大应力和最大位移。仿真结果表明 ， 即使在较危险的工况下，最大应力及最大位移也可满足相关的设计要求。经试制样机并投入工程应用，取得了较好的 预期效果 ，有着显著的社会效益和经济效益。 关键词 钢立柱 垂直度 调垂架 有 限元分析 应用 中图分类号 T U 3 1 文献标识码B 文章编号1 0 0 4 1 0 0 1 2 0 1 4 1 2 - 1 4 0 6 0 2 F in it e E l e me n t An a ly s is o f H y d r a u li c V e r t ic a l it y A d j u s t me n t R a c k a n d i t s En g i n e e r in g Ap p li c a t ion Ba s e d o n So l i d wo r k s Si mu l a t i o n Li u Xi n g Gu Guo m i n g En g i n e e r i n g Ge n e r a l I n s t it u t e o f Sh a n g h a i Co n s t r u c t io n Gr o u p Sh a n g h a i 2 01 1 1 4 1 逆作法一柱一桩用液压调垂 系统简介 地下结构逆作法具有材料节约、环境友好的优点。在 地下结构逆作法施工 中，桩基础是一种常用基础形式，由 桩身和承台组成。桩基础的作用在于传递上部建筑结构的 荷载到土层 ，保证建筑物的稳定和减少其沉降。立柱则作 为一个传递上部建筑 的荷载到桩基础的媒介 ，起到了重要 作用。这些永久结构立柱一般是由钢管柱或钢格构柱外包 钢筋混凝土构成 ，因此对钢立柱 的垂直度有较高的要求， 尤其一柱一桩 的钢立柱更是如此。传统 的钢立柱垂直度控 制或调整工艺， z n Y L 下气囊调垂法 、孔下机构调垂法、地 面定位架调垂法、导 向套筒调垂法等 ，存在作业条件差、 调垂效率低和 劳动 强度大等缺点 ，越来越 不能满足快速 施工和更高 的垂直精度要 求 垂直精 度要求达到 1 ／ 5 0 0 、 1 ／ 6 0 0 或更高 。 因此 ，有必要研制一套调垂设 备 ，即基于激光定位 的钢立柱液压调垂 系统 。逆作法钢立柱的液压调垂系统主 要 由调 垂架 、激光倾斜仪 、液压动 力系统、 自动控制 系 统和伸缩 同步千 斤项等组成 。调 垂架作为钢立柱支撑和 一 注 本项 目为上海市科学技术委员会科研计划项 目，课题名 称为 上海高大结构建造工艺与装备工程技术研究中心 ，课 题编号为1 2 DZ 2 2 5 1 5 0 0 。 作者简介刘星 1 9 8 5 一，男，研究生，工程师。 通讯地址上海市闵行区新骏环路7 0 0 号 2 0 1 1 1 4 。 收稿 日期 2 0 1 4 0 5 0 8 1 4 0 6 I 建 筑 施 工第 3 6 卷 1 2 m ] 传递荷载 的装置 ，配备伸缩 同步千斤顶 ，成为调垂时的执 行装置，具有降低劳动强度 、缩短调垂时间和提高调垂效 率等作用 ；激光倾斜仪作为系统 的检测装置 ，能提高测量 精度、缩短检测装置 的安装时间等；控制系统作为调垂 系 统 的控制装置，方便现场操作、提高现场作业 自动化水平 等。本系统的工作原理在于激光倾斜仪是一种高精度 的、 实时采集钢立柱垂直度的设备 ，通过这种设备，将钢立柱 在X 轴、y 轴方向的水平位移和角度等信号传输到液压调垂 架 系统 ，即依靠液压调垂 系统的P L C等对信号进行处理 、 控制调垂 系统的液压 泵站及液压油缸的动作 ，用以调整钢 立柱的姿态 ，即调整钢立柱的偏斜状态 ，使钢立柱满足设 计 、施工对钢立柱垂直精度的要求 ，见图1 。 图1 钢立柱垂直度间接法调垂 工艺原理 厅顶 2 液压调垂架的建模n 据设计 图纸 ，利用S o l i d wo r k s 软件建立液压调垂架的 三维模型。为了便于有限元分析 ，对图纸中一些连接部件 等细节进行简化 ，调垂架模型是由若干个焊件和拉伸体等 组合而成的实体。 3 基于S o l i d wo r k s S i mu l a t i o n 液压调垂架的 有 限元分析 调垂架材 料选 用Q 2 3 5 ，采用高级约束。在球面上 ， 移动 方向约束，两转动方向自由网格划分时 ，节点数为 3 0 3 1 2 ，单元数为1 5 1 9 9 。 据施工现场 ，将调垂架的受力情况分为2种工况 工况一 桩孔垂直度较好时 ，调垂架平放 ，即可满足 垂直度要求。 工况二 桩孔垂直度较差时 ，伸缩液压千斤顶 ，使得 倾斜的调垂架调平 ，以满足垂直度要求。 在 不同工况下 ，研 究调 垂架 的应 力和位移 的分布情 况 。 根 据 建 筑 地 基 基 础 工 程 施 工 质 量 验 收 规 范 G B 5 0 2 0 2 --2 0 0 2，泥浆护壁钻孔桩 ≤1 0 0 0 mm的垂 直度允许偏差 1 ％桩径允许偏差 5 0 mm考虑到施工 现场工况复杂下，仿真模拟时取5 倍 ，纠偏角约为3 。 。 施加荷载包括静荷载和活荷载 静荷载 调垂架自重 钢立柱质量 其他连接件质量 ； 活荷载现场操作工 自重 ，一般按照2 ． 0 k N ／ m 计算， 调垂架上表面积为2 _ 3 m ，活荷载按5 0 0 0 N 计算。 若4 5 0 mm x 4 5 0 mm钢 立柱长度 为1 5 m，质量约 2 0 0 0 0 N 。 自重约为9 0 0 0 N 。通过仿真分析 ，工况一最大 应力为1 2 4 ．6 MP a ，最大应变为2 ． 4 mm；工况二最大应力为 1 6 7 ． 6 MP a，最大应变为 2 ． 6 mm。 调垂架材料选用Q 2 3 5 ，其容许强度2 3 5 MP a ，仿真结 果表 明2种工况下 ，调垂架模型的最 大应力均小于材料 容许 强度。据 钢结构设计手册 第三版 上 表1 2 - 1 ， 一 般 工作平 台梁主梁容许挠度L ／ 4 0 0 ，￡ _ 为梁 的跨度。若L 3 2 1 0 mm，则容许挠度约为8 mm，仿真结果表明2 种 工况下，调垂架模型的挠度均小于容许挠度。 综上分析 ，调垂架模型的仿真分析结果较为理想。开 展进一步验证工作 ，据图纸尺寸 ，试制液压调垂架 ，并开 展相关测试结果较佳 ，可 以将调垂架样机投入工程应用。 4 液压调垂系统的工程应用 上海 某项 目位于 上海市浦 东新 区洋泾街 道E 1 1 3 、 E 1 1 4 、E 1 1 ． 6 、E 1 1 _ 7 地块 ，南临浦东大道 ，东至 民生路 ， 西至桃林路中欧地块 ，北至昌邑路 ；包括8栋高1 O 0 m以内 的住宅楼 ，一栋高1 3 Om的酒店和酒店式公寓楼 ，总面积约 2 6 ． 5 万 m ，地下2层 ，基坑开挖1 0 ． 8～1 2 ． 0 m，见图2 。项 目的建筑 类型为钢筋混凝土框架一 核心筒 ，桩基采用钻孔灌 注工程桩，围护为钻孔灌注桩和s Mw三轴搅拌桩。地下工 程采用逆作法施工工艺 ，逆作阶段围护竖 向支撑采用一柱 一 桩 上部钢立柱为4 5 0 mm4 5 0 mm角铁格构柱 ，长度 不超过1 5 m；下部为0 8 0 0 mm混凝土钻孔灌注桩 上部扩 孔至9 0 0 mm 。永久性钢立柱垂直度不大于1 ／ 5 0 0；临时 性钢立柱垂直度不大于1 ／ 3 0 0 ；格构柱施工设计要求型钢 中 心偏 差 1 0mm内。 [ 聚 L 恻策 檄咎构板／ 地 压坡 摄 ‘ ， ，， ⋯／／，／，，，l 血 垂 ，／ ／／ ／ ／ ／ ／／ ／ r 率符 『 霍 ％ l t-- } 郭 4 m 扩 孔 级配砂疆 一6 8 5 o 孔瀵 氆桩 G z z I 潦删 图2基坑剖面 由于施工要求高、施工进度快等原因，本项 目采用液 压调垂架系统对钢立柱垂直度进行 自动化控制。它将地下 或地上调垂作业转化为地面作业 ，实现了实时检测和全 自 动调垂 ，提高 了调垂精度和效率 ，采用混凝土搅拌运输车 直接浇筑钻孔灌注桩 ，大大节约 了施工成本。经开挖复测 后 ，钢立柱的垂直度满足设计规定范围要求。质量控制是 一 个系统工程 ，钢立柱垂直度的控制也不例外 ，包括施工 现场的前期土地平整、钻机钻孔 的垂直度控制、钢立柱直 线度控制和液压调垂架的自动化调垂等若干个工序，只有 每道工序质量严格过关 ，方能达到预期效果 ，并得到用户 的认可，带来显著 的社会效益和经济效益。 0 0 0 0 [ 1 ]龙莉波． 逆作法竖向支承柱调垂技 术的回顾及展望[ J 1 ． 建筑施 工． 2 0 1 3 1 0 7 - 1 0 ． [ 2 ] 陈思晓． 长大直径桩承载力受桩孔垂直度影响的分析[ D ] ． 兰州 兰州理工大学， 2 0 1 0 ． [ 3 】 盛春陵， 李仁民， 王 守超等． 逆作法中立柱调垂方法探讨⋯． 岩土 工程学报， 2 0 1 2 S 1 5 9 5 5 9 7 ． 【 4 ]沈咏． 逆作 法施工中桩上支承柱的调垂技 术研 究[ J 1 _ 建筑施工， 2 0 0 5 5 6 6 7 2 ． [ 5 】廖秋林， 江绍忠， 许宁等． 超深逆作铜管柱垂直度控制施工技 术[ J ] ． 工程质量， 2 0 1 0 1 2 2 2 5 ． [ 6 ]韩庆祝． 对改进一柱一桩垂直度的探讨[ J 】 ． 资源环境与工程， 2 0 0 6 3 2 5 7 2 5 8 ． [ 7 ] 陈新华． 逆作法施工中一柱一桩垂直度的有效控制[ J 】 ． 建筑施工， 2 0 1 2 8 7 9 2 7 9 4 ． 2 0 1 4 1 2 Bu i l d i n g C o n s t r u c t i o n I 1 4 0 7 1