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大型预制构件运输减振与减损技术研究与应用

大型预制构件运输减振与减损技术研究与应用

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摘   要


在装配式建筑多样化与多元化的快速发展下,多种类、大尺寸的预制构件运输减振、减损技术亟待解决。针对工程中常见的大型预制构件种类、尺寸,设计一种可拆式多用途减振搁置架,提出相应的减振隔振技术,并建立有限元模型,分析了3种运输荷载工况下受力性能与隔振前后随机振动性能。分析结果表明,隔振装置设计刚度应在23.6~378kN/cm,减振搁置架在3种荷载工况下最大应力为178.5MPa,荷载-变形曲线呈线弹性,结构处于线弹性受力状态;采用此减震技术隔振效果达到82%。最后开展了减振搁置架试验验证与工程应用,结果表明减振后的预制构件频率在0.01Hz~0.02Hz,减振效果明显,降低了预制构件的破损率,提高了运输效率。


Study And Application Of Vibration And Loss Reduction Technology In Transportation Of Large Precast Components

ZHAO Yajun,ZHANG Xinfeng,YUN Yanchun


Abstract:With the rapid pluralism and diversity development in precast concrete buildings, the vibration and loss reduction technology of many kinds and large size precast components need to be solved urgently. Design of detachable multi-purpose damping shelving equipment and vibration and isolation technology were performed based on the type and size of large precast components common in engineering. The finite element model was established to analyze the mechanical behavior under three kinds of transportation loads and random vibration performance. The analysis results showed that the designed stiffness of vibration isolation device should be 23.6~378kN/cm; the maximum stress of the damping shelves under three load conditions was 178.5MPa, the load-deformation curve was linear elastic, and the structure was under linear elastic stress. The effect of vibration isolation is 82%. Finally, the test verification and engineering application of the shelves were carried out. The results showed that the frequency of prefabricated components was between 0.01Hz and 0.02Hz, and the vibration reduction effect was obvious. The damage rate of precast components was reduced and the transportation efficiency was improved.


Key words:precast; component; vibration reduction; shock-absorbing shelf; finite element analysis;


Abstract: With the rapid pluralism and diversity development in precast buildings, the vibration and loss reduction technology of many kinds and large size prefabricated components need to be solved urgently. Design of detachable multi-purpose damping shelving equipment and vibration and isolation technology were performed based on the type and size of large-scale precast components common in engineering .The finite element model was established to analyze the mechanical behavior under three kinds of transportation loads and random vibration performance, The analysis results show that the designed stiffness of vibration isolation device should be 23. 6-378KN/cm: the maximum stress of the damping shelves under three load conditions is 178 5MPa, the load-deformation curve is linear elastic, and the structure is under linear elastic stress, The effect of vibration isolation is 82%o. Finally, the test verification and engineering application of the shelves are carried out. The results show that the frequency of precast components is between 0. O1 Hz and 0. 02Hz, and the vibration reduction effect is obvious. The damage rate of prefabricated components is reduced and the transportation efficiency is improved


Key words: precast; components; vibration reduction; shock-absorbing shelf; finite element analysis


引   言


在装配式建筑得快速发展的今天,预制构件向复杂化、大型化发展,预制构件的无损运输问题日益突出方向发展。尤其大型竖向构件是建筑中的主要受力构件,其运输过程中应更加严格要求,减少运输过程中的破损率。


在国外针对大型构件运输,采用可卸载的货架与专业的运输车辆相结合的技术,如图1所示,具有效率高、成本低、灵活多变、可适用于多尺寸的预制构件运输等优点。同时,采用电液油气悬架系统使其具有一定的隔振性能。但此种运输技术对施工现场的路况要求较为苛刻。在国内目前预制构件的模式主要采用转运、堆放及运输,竖向构件通常采用A架和竖向固定架运输,水平构件采用平层叠放运输方式,如图2所示。此种运输技术效率低,尤其在运输状态下,没有可靠的固定与隔振技术,破损率较高。


近年来国内外在大型预制构件的运输减振与减损技术研究方面已取得了一定的研究成果,如芬兰的solving气垫隔振运输技术与大型气垫运输平台


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技术[1,2]、精密仪器隔振运输技术[3,4]与海洋运输的液压千斤顶自平衡技术[5,6]等。solving气垫隔振运输技术具有效率高、低损耗等优点,在铁道运输、变压器厂应用前景较为广阔,但针对预制构件运输缺乏有效的侧向约束,且仅对竖向减振有效[1,6];精密仪器的隔振运输技术主要包括钢丝绳隔振技术[3]、弹性阻尼隔振系统[4],都具有较好的减振效果,钢丝绳隔振技术的低频减振性能较好,但对于高频信号不仅没有减振,反而放大其输入的振动信号,对驾驶要求较高,而弹性阻尼隔振系统对弹簧直径或圈数有严格的要求,安装复杂,适用系统频率仅在2.5Hz~5Hz,限制了运输条件[4];千斤顶自平衡技术在相关研究中表明运输过程中对车辆产生的振动并没有起到缓冲作用[6]。


综上,本文针对大型预制构件的运输提出一种新型减振与减损运输技术,设计并介绍了一种可拆式多用途减振搁置架,并提出相应的减振隔振技术,同时在不同荷载工况下,开展了有限元受力分析与随机振动分析、试验验证与工程应用。


01


大型新型预制构件运输专用减振搁置架


为了减少预制构件在传统输过程中破损率,提高运输效率与安全等,提出一种新型预制减振搁置架,将预制构件专用货架与运输车夹板之间设置隔振装置,运输方向设有限位支架,从而达到预制构件运输过程中隔振减振效果。

为方便工程中用的大型预制水平与竖向构件运输,减少由于运输过程中构件损伤,提高运输效率,设计了一种适合多种类型的预制构件专用减振搁置架,如图3。此专用搁置架主要由底部排架、竖向限位支架、限位插杆与隔振装置组成,搁置架长13m,高、宽均为3m,长度方向横梁间距为1m,均由Q235B钢制作其用截面类型如表1所示。后排竖向限位支架可以拆卸,可根据预制构件类型与尺寸通过螺栓固定在底部排架上。

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图3 可拆式多用途减振搁置架设计

Figure 3 Design of detachable multi-purpose damping shelving equipment


表1 减振搁置架截面类型

Table 1 Section Type of damping shelving equipment

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大型预制预应力双T板跨度一般达到十几米,跨度大,易开裂,堆放或运输过程中要求条件苛刻,因此传统的运输技术将不再适用。根据本文提出的减振搁置架运输技术将弥补传统运输技术的不足。图4 为双T板吊装与限位,搁置架基座水平固定在货车的夹板上并设置隔振装置,前支架竖直固定在货架基座的最前端,可以移动后支架设置插销装置,具有限位固定双T板和满足不同尺寸的预制构件运输需求。


前支架上固定设置一对带方形缺口的限位方钢,方形缺口卡住双T板内部的立板,货车在转弯或者刹车时,货架能够同时约束构件横向和纵向的位移;后支架上固定设置一对限位圆钢,限位圆钢卡在一对T板的内侧,仅约束立板的侧向位移,如图4(c)与图4(d)所示。减震搁置架可直接堆场放置、车辆自装卸、单人操作、周转方便,大大降低了构件吊装与运输破损率。同时经计算发现,在静止和运输过程中最大挠度相差不大,减震效果良好。


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此外,此专用减振搁置架能够运输竖向大型预制构件,如图5,可同时运输3片长度6米长以上的大型预制剪力墙,前后支架分两层固定每片剪力墙,上层限位圆钢用于固定墙板限制横向位移,防止倾斜,下层为特制橡胶隔振横梁用于限位行车方向墙板位置,同时运输过程中刹车或转弯工况下起到一定的缓冲隔振作用如图5(a)与图5(b)。每块试件底部搁置架横梁均布置有橡胶垫,搁置架与运输车夹板之间设置一定数量的橡胶隔振支座,适用不同工况的路段运输,减少来自路面上振动与冲击,具有良好的隔振减振效果,如图5(c)与图5(d)。


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02


减振技术措施


2.1数学模型建立


假设预制构件运输振动为单自由度系统受迫振动,汽车在不平路面上行驶时符合正弦简谐振动规律。在简谐激励力图片的作用下,其运动方程为:


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由式(5)看出隔振效果与频率比与阻尼比相关。根据不同的阻尼比下,得出一系列K与频率比关系曲线如图6。由图看出频率为1时发生共振,当隔振系数大于1时,隔振无效,即频率比小于图片时不能起到隔振效果,大于图片时,隔振系数小于1,隔振起作用,K值越大隔振效果越好。从图中看出实际工程中λ=2.5~10完全满足工程要求,太大隔振装置可能变形过大运输过程中已发生稳定性问题。


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2.2隔振材料及刚度确定


橡胶阻尼阻尼系数较小,其综合性能最好,具良好的疲劳性能,故拟采用橡胶隔振装置,根据文献[7]橡胶的阻尼比在0.05~0.15之间。相关计算时阻尼比可取0.1。根据文献[8-9]基于不同的路面等级研究给出车辆行驶过程中频率f范围大致在0.33Hz~28.3Hz。


考虑到预制构件运输到施工现场,施工现场的路面一般达不到较高的平整度,按B级路面考虑,根据相关研究B级路面,行驶速度50km/h下,汽车振动频率约为3.0Hz。假设减振搁置架适当布置合理的橡胶支座,运输3块6m长的剪力墙板时载荷41600kg,当λ=2.5~10时,即隔振效果80%以上,计算得到橡胶弹簧刚度图片=23.6~378kN/cm。


因此减振设备选用某厂定制橡胶减振器,如图7,固有频率在6Hz~30Hz之间,其竖向承载力可达26kN,竖向压缩刚度52kN/cm,变形与缓冲性能好,适用于大型预制混凝土构件运输隔振、减振。


2.3隔振装置的布置


根据本文搁置架受力特点,将16个橡竖向胶减振器(如图7(a))布置在搁置架主龙骨与运输车之间,布置方案如图8(a)。竖向减振器通过开孔钢盒子一同焊接固定在运输车车板上,如图8(b)。


另外,为了避免预制构件在运输过程中刹车产生碰撞,在竖向限位架与预制构件之间设置数个水平减振器如图7(b),其布置方案如图9所示,数量根据运输车刹车加速度、预制墙板重量与摩擦力确定。

 

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03


受力分析


大型预制双T板运输减振减损受力分析在文献[10]已详细研究,下面仅对大型预制墙板受力进行分析。


3.1 荷载工况


减振搁置架受力状态一般分为静止状态与运输状态,放置3块大型预制墙板,高2.76m,长6m,每块按90kN计算。


(1)静止状态

根据《建筑结构荷载规范》GB 50009—2012[11]竖向力动力系数取1.2,分项系数取1.4,两系数综合考虑,每块板均有7根横梁支撑,搁置架横梁上每个支点受集中荷载为21.6kN。

(2)运输状态

运输状态分为紧急制动工况与转弯工况,两种状态下对搁置架竖向限位架产生水平作用力。假设运输车以100km/h紧急制动,制动距离100m;货车以40公里每小时过弯,弯道半径150米。在紧急制动与转弯时均考虑1.2的动力系数以及1.4的荷载分项系数。


1)紧急制动工况


考虑紧急制动工况下,计算最大加速度为-3.86m/s2,根据牛顿定律考虑动力系数与分项系数后每块预制墙板的惯性力为58.4kN,考虑预制墙板与搁置架底部排架的摩擦力(钢与混凝土之间摩擦系数取0.6)后作用在搁置架竖向限位架上横梁水平力为4.4kN,由于考虑摩擦后紧急制动情况下作用在限位架横梁上力较小,水平隔振器可不做验算,假设每块墙板前后各使用4根限位杆固定。每根限位杆均匀受力下作用在横梁上的作用力为1.1kN。


2)转弯工况


在转弯情况下,预制墙板对竖向限位横梁不仅产生水平作用力还产生向心力,考虑分项系数情况下,每个作用点水平力为1.1kN,向心力为3.1kN。


3.2 有限元分析

采用大型有限元软件ABAQUS对本文搁置架进行受力分析,考虑静止工况与运输工况下的影响。

(1) 材料本构

本文搁置架均采用Q235B的钢材制作,钢材的本构采用理想的弹塑性本构模型。钢材力学性能根据力学试验得到,弹性模量为190000MPa,屈服应力为285MPa,极限应力为353MPa。

(2) 有限元建模

有限元模型中减振搁置架均采用三维八节点实体单元C3D8R,采用分离式建模,部件与部件之间均采用Tie绑定约束,有限元模型如图10(a)。为近似模拟减振搁置架真实受力性能,在预制剪力墙搁置位置处建立参考点,参考点与荷载作用面进行耦合,在参考点施加集中荷载,静止工况、紧急制动工况与转弯工况,荷载施加形式如图10(b)~10(d)。


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(3) 计算结果分析

图11为不同荷载工况下减振搁置架应力分布有限元计算结果,可以看出静止工况下搁置架最大应力发生在底部排架工字型横梁支座处腹板与上翼缘相交处,最大应力127.4MPa,小于屈服应力;在紧急制动工况下,最大应力处与静止工况类似,最大应力为129.1MPa,竖向限位架立柱最大应力为50MPa;在转弯工况下,由于受横向力与向心力共同作用,搁置架最大应力发生在竖向限位架底部加腋处,最大应力178.5MPa。在三种荷载工况下,搁置架应力均未达到屈服,处于弹性受力状态,转弯工况为最不利运输工况。


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图12为不同荷载工况下最大变形处作用点荷载-变形曲线,3种工况下荷载-变形曲线呈线性关系,进一步说明结构处于弹性受力状态。3种工况下底部排架横梁最大位移为3.7mm,小于《钢结构设计规范》GB50017-2017[12]规定的位移限值l/400=7.5mm。紧急制动工况下,竖向限位架最大位移为7.5mm,满足《钢结构设计规范》GB50017-2017[12]悬臂构件变形要求。转弯工况下,不仅受车行方向水平力作用同时也受垂直车行方向的向心力作用,有图12(c)看出两个方向变形均不大于10mm,满足现行规范相关要求。

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3.3隔振效果分析

通过对模型进行随机振动分析,根据文献[8]位移形式的功率谱密度计算如公式(6)。

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式中:图片为路面不平系数,B级路面取6.4×10-5m3;n0为参考空间频率取0.1m-1;n为空间频率,n=f/v;f为频率;v为车速。


根据维纳-辛钦定律可得输入加速度功率密度计算公式为:


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假设运输车以50km/h速度在B级公路上行驶,因此计算得出隔振前后的加速度功率谱密度对比如图13,对比看出隔振后的自振频率约为2.7倍,隔振效果达到82%,效果明显。橡胶隔振支座最大输出位移为7.95mm,满足橡胶隔振设备要求。


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图13 隔振前后加速度功率谱密度对比

Comparison of acceleration power spectral density before and after vibration isolation


04


试验验证与工程应用


为验证此大型预制构件运输减振搁置架减振减损性能,在某试验路段开展了大型预制双面叠合墙板运输试验测试,考虑冲击荷载、低应力循环荷载等影响。运输车为17.5m大型平板运输车,墙板长6m,高2.76m,同时运输3块墙板,如图14。运输车速度在40~100km/h,固有频率在5.3~20.5Hz。经过现场试验路段数据采集结果看出,采用隔振措施的预制构件在运输状态下振动频率0.01~0.02Hz,远低于运输车的振动频率,隔振、减振效果明显。搁置架变形在5mm以内。

此种减振、减损运输技术已应用到上海某商场工程项目,该工程采用框架+双T板结构体系,地下2层地上4层,预制构件总量多达4600块其中本次示范运输的大型预制双T板总共运输量约1623块,如图18,统计破损率低于1%,根据文献[6]运输成本分析方法,与传统运输成本相比,此种运输技术成本节约了18%,取得良好的经济效益。

与传统的运输方式比较,本文运输技术适用于多类型、多尺寸预制构件运输,并可反复利用;大大降低了预制构件运输过程的破损率,提高运输效率;减少运输成本,提高经济效益。


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05


结 语


(1) 提出一种大型预制构件减振、减损运输技术,设计了一种可拆式多用途减振搁置架,适用于大型水平构件与竖向构件运输,并提出一种利用橡胶隔振器的减振隔振措施,隔振系数应一般工程中可取2.5~10,竖向隔振装置设计刚度应在23.6~378kN/cm。

(2) 开展了3种运输过程中荷载工况下有限元分析,对比了各工况下受力性能,减振搁置架最大应力均小于钢材的屈服荷载,减振搁置架均处于线弹性受力状态。转弯情况下,搁置架应力最大,为运输过程中最不利受力状态。

(3) 3种荷载工况下底部排架横梁变形均为3.7mm,紧急制动情况与转弯工况搁置架最大位移均发生在竖向限位架顶部,其最大变形不超过10mm,满足现行规范要求。

(4) 通过随机振动分析,采用此种隔振设计隔振效果达到82%,橡胶隔振支座最大输出位移7.95mm。试验验证结果与示范工程效果看出,此新型大型构件运输技术在运输状态下振动频率0.01~0.02Hz,减振、减损明显,节约了成本,提高了经济效益,具有良好的应用前景。


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[12] GB50017-2017钢结构设计规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2017.


(责任编辑:何雯丽)



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[责任编辑:Susan]

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