液压爬模是通过预埋在混凝土中的预埋件附着支撑在混凝土结构上, 当混凝土达到拆模强度后, 通过连接在模板上的后移装置拆除混凝土模板, 依靠上、下换向合盒棘爪使导轨顶升至上层预埋支座并定位固定, 然后以导轨为爬升轨道使用液压油缸或液压千斤顶将爬模架顶升至上层预埋支座处并固定, 使导轨和爬架互为爬升轨道, 爬架随结构施工逐层爬升的一种模板体系^[1]。

液压爬模因爬升稳定性好、安全性高、节省施工场地、爬升速度快等优点, 被广泛应用于高层建筑结构施工中。在实践中不断探索和总结成功经验后, 液压爬模施工技术已相对成熟。目前诸多学者从不同角度对液压爬模进行大量研究, 研究主要集中在爬模工程应用、体系构成、施工工艺及静力分析方面^[2,3,4,5,6], 对液压爬模抗震问题的研究相对较少。高层建筑施工工期长, 施工过程中爬模所受荷载复杂, 特别对于地震多发区而言, 爬模抗震性能不可忽视, 因而有必要对爬模抗震性能进行研究。

昆明西山万达广场B标段项目有南塔和北塔2栋超高层写字楼, 其中南塔地面以上共66层, 地面以上建筑物总高度为304.7m;北塔地面以上共67层, 地面以上建筑物总高度为306.2m。该项目核心筒施工均采用RIM-SCS80型分离式液压自爬模系统。该爬模系统包括液压爬升系统、架体系统、模板系统、操作平台系统和电气控制系统, 液压自爬模通过液压油缸交替顶升导轨和爬架实现向上顶升, 稳定性好、爬升速度快、安全性高, 是超高层建筑施工的首选模板体系。液压爬模架体立面如图1所示。

高层建筑核心筒施工过程中, 爬架附着于核心筒墙体, 为考虑核心筒对爬架的影响, 利用ANSYS有限元软件建立液压爬模和核心筒有限元模型, 分析液压爬模抗震性能。对南塔核心筒进行如下简化^[7]。

1) 将南塔核心筒简化为刚度无限大且质量为M的立方体质量块, 立方体质量块采用solid45六面体实体单元模拟。

2) 根据结构动力学相关知识, 对核心筒水平2个方向的侧向刚度进行简化且采用弹簧单元combine14进行模拟, 水平2个方向的刚度简化为公式 (1) 。

式中:K_x为x方向的弹簧刚度;K_y为y方向的弹簧刚度;T_x为x方向的自振周期;T_y为y方向的自振周期。

3) 核心筒竖向位移采用刚度很大的链杆进行约束, 链杆采用link8杆单元模拟。

采用beam188梁单元模拟爬架主框架, 主框架共有13种不同截面类型, 因此利用beam188梁单元共定义13种截面类型, 且每种截面均按爬架实体进行截面偏移。共建立4种有限元模型: (1) 模型1表示考虑核心筒对爬模的影响, 并且爬模处于施工状态下; (2) 模型2表示考虑核心筒对爬模的影响, 且爬模处于爬升状态下; (3) 模型3表示不考虑核心筒对爬模的影响, 且爬模处于施工状态下; (4) 模型4表示不考虑核心筒对爬模的影响, 并且爬模处于爬升状态下。有限元模型如图2所示^[8]。

施工状态下, 爬架承重三角架立杆上节点通过横梁钩头、埋件挂座、附墙板、预埋件与混凝土结构连接, 而三角架立杆下节点通过附墙撑直接支承于混凝土结构上。爬升状态下, 当导轨爬升至上层预埋件处时, 导轨上节点与预埋件定位紧固, 而下节点直接支承在混凝土结构上, 导轨与三角架通过防坠器连接, 三角架下节点支承于混凝土结构上。通过上述实际边界条件建立有限元模型的边界条件, 在施工状态下, 三角架立杆上节点与预埋件的连接简化为刚接, 支承于混凝土结构上的下节点简化为铰接;在爬升状态下, 导轨上节点与预埋件的连接简化为刚接, 而直接支承于混凝土结构上的导轨下节点简化为铰接, 导轨与三角架的连接简化为刚接, 支承于混凝土结构上的三角架下节点简化为铰接。爬架主框架间的连接均简化为刚接^[9]。

考虑的荷载主要有:模板自重、各层平台板自重、爬架架体自重及各层平台施工荷载。爬架架体自重通过ANSYS有限元软件施加重力加速度来考虑, 模板自重、各层平台板自重及各层平台施工荷载转换为线荷载作用于各层平台梁上。

爬升状态下, 所有平台不准堆放施工材料, 架体爬升操作人员≤10人 (10人操作以2榀架体为1个基本单位) , 计算时取值为10人, 单人质量取值为平均75kg。爬升工况下的施工荷载即为操作人员总重, 施工荷载转换为线荷载平均分配到主平台梁上。

施工状态下, 爬架施工荷载标准值为:上平台为3kN/m², 主平台为3kN/m², 模板平台为0.75kN/m², 吊平台为0.75kN/m², 液压操作平台为1.5kN/m²。

根据JGJ195—2010《液压爬升模板工程技术规程》中5.3.5节的要求, 爬模荷载效应组合应按照公式 (2) 计算。

式中:S_GK为爬模自重荷载标准值;S_FK1为操作平台施工荷载标准值;S_WK7为7级风力时风荷载标准值。

在施工状态和爬升状态下, 分别对所建立的模型作用云南西山万达广场施工期间发生的3条不同云南鲁甸6.5级地震波, 并且在3个方向同时输入地震波, 3条地震波分别编号为1, 2, 3。根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》, 三向地震波同时输入时, 其加速度峰值取值为:水平方向1∶水平方向2∶竖直=1.00∶0.85∶0.65^[10]。

共划分12组工况, 其中第1～6组工况考虑核心筒对爬架的影响, 第7～12组工况不考虑核心筒对爬架的影响, 各工况组合如表1所示。

对所建立的4种有限元模型, 利用ANSYS的模态分析功能, 对模型1进行模态分析, 表2所示为模型1前10阶频率的振型。

由表2可以得出, 整体结构前3阶振型主要是由核心筒y向平动、x向平动及xy平面内扭转所贡献, 第4～10阶振型主要为爬架所贡献。

表3所示为模型2前10阶频率的振型。

对比表2和表3可知, 在核心筒影响下, 爬模处于施工状态和爬升状态时前3阶振型基本一致, 其他振型有所不同。这是因为爬模在施工状态和爬升状态下前3阶振型主要由核心筒贡献, 而施工状态和爬升状态时爬架边界条件的差异导致4阶以上振型的不同。

昆明西山抗震设防烈度为8度, 根据GB50011—2010《建筑抗震设计规范》中表5.1.2-2的规定, 将时程分析所用的地震波最大加速度值调整为70cm/s²。由于对爬架作用三向地震波, 其加速度峰值取值为:水平方向1∶水平方向2∶竖直=1.00∶0.85∶0.65。

施工状态下:第1, 2, 3组工况为考虑核心筒对爬架的影响时, 不同地震波作用下的爬架所处工况;第7, 8, 9组工况为不考虑核心筒对爬架的影响时, 不同地震波作用下的爬架所处工况。图3所示为工况1爬架峰值响应云图, 表4所示为施工状态下结构峰值响应。

由图3和表4可知:

1) 施工状态下, 考虑核心筒对爬架的影响爬架在不同地震波作用下最大等效应力相同, 均为195MPa, 小于Q235的抗拉强度设计值215MPa, 因此, 爬架在施工状态下强度满足要求。爬架在不同地震波作用下最大位移值有较大区别, 第1, 2, 3组最大位移值分别为591, 424, 316mm, 说明简化核心筒对不同地震波的作用非常敏感。由于核心筒的影响, 爬架在地震作用下的位移很大, 但爬架变形并不大。

2) 施工状态下, 不考虑核心筒对爬架的影响 爬架在不同地震波作用下的最大等效应力和最大位移相同, 最大等效应力为221MPa, 出现在主平台梁与主平台横梁的连接处, 最大位移值为24mm, 出现在上平台最外侧悬臂梁中心处。

3) 施工状态下, 核心筒地震响应对爬架地震响应有较大影响。

以上平台最外侧悬臂平台梁中心的节点位移为研究对象, 第1组工况和第7组工况的位移时程曲线如图4, 5所示, 由此可知:

1) 施工状态下, 考虑核心筒对爬架的影响 爬架在z方向上的位移与其他2个方向的位移相比非常小, 且z方向的位移随时间在很小范围内波动, 说明z向地震波对爬架位移影响很小, 对爬架位移贡献最大的主要是x方向和y方向运动, 爬架在x, y方向上的运动主要是由于爬架跟随核心筒的运动而产生。

2) 不考虑核心筒对爬架的影响 爬架在z方向上的位移最大, 这是因为没有核心筒影响时, 爬架在x, y方向的位移减小, 爬架位移主要由z方向上施工荷载、结构自重及z向地震波引起。

爬升状态下, 第4, 5, 6组工况为考虑核心筒对爬架的影响时, 不同地震波作用下的爬架所处工况;第10, 11, 12组工况为不考虑核心筒对爬架的影响时, 不同地震波作用下的爬架所处工况。表5所示为爬升状态下结构峰值响应。

由表5可知:

1) 爬升状态下, 考虑核心筒对爬架的影响爬架在3条不同地震波作用下的最大等效应力均为111MPa, 产生于三角架横梁与导轨连接处, 小于Q235的抗拉强度设计值。爬架在3条不同地震波作用下的最大位移值分别为600, 419, 315mm, 这是由于核心筒在地震波作用下产生运动, 爬架附着于核心筒上并随着核心筒一起运动, 造成爬架位移值很大, 但爬架变形并不大。

2) 爬升状态下, 不考虑核心筒对爬架的影响 爬架最大等效应力和最大位移值均相等, 最大等效应力值为111MPa, 产生于三角架横梁与导轨连接处, 小于Q235的抗拉强度设计值。最大位移值为43.7mm, 产生于上平台中间立杆顶端。

以上平台最外侧悬臂平台梁中心的节点位移为研究对象, 第4组和第10组工况的位移时程曲线如图6, 7所示。

由图6, 7可知:

1) 在爬升状态下, 考虑核心筒对爬架影响爬架z方向的位移与其他方向位移相比其值很小, 并且z向位移随时间的波动也很小, 说明z向地震波引起的位移对爬架的总位移贡献值很小, 爬架位移主要由x, y向地震波所造成。

2) 爬升状态下, 不考虑核心筒对爬架的影响 爬架z向位移值很小且随时间波动变化不大, 表明z向地震波引起的位移对爬架总位移贡献值很小, 这是由于爬架在爬升状态时上平台只承受平台板重、架体自重和地震荷载, 所承受荷载小;x向地震波加速度峰值∶y向地震波加速度峰值=1∶0.85, 使爬架的x向位移大于y向位移, 且x, y向位移响应有较大波动。

1) 整体结构前3阶振型主要由核心筒的平面运动贡献且前3阶振型基本相同, 由于爬升状态和施工状态时的边界差异导致整体结构4阶以上振型不同。

2) 考虑核心筒对爬架影响时, 爬架在不同地震波作用下最大位移有明显差别且位移很大, 但爬架变形并不大, 其位移主要是爬架随核心筒的运动而产生。

3) 施工状态下, 考虑核心筒对爬架影响时, 爬架位移主要由x, y向地震波引起;不考虑核心筒对爬架影响时, 爬架位移主要由z向地震波、施工荷载及结构自重引起。爬升状态下, 爬架位移主要由x, y向地震波引起。

4) 施工状态时, 爬架上平台位移和应力均较大, 建议加强上平台平台梁与横梁的强度和刚度;建议增强上架体与结构或核心筒的连接, 以减小上架体侧向位移;主平台梁上的等效应力较大, 建议提高主平台梁强度。

5) 爬升状态时, 三角架横梁与导轨连接处出现最大等效应力, 但最大等效应力小于Q235的抗拉强度设计值, 说明三角架横梁与导轨连接处安全。