揽月爬模计算书

新型液压自动爬模系统结构设计复核计算报告

江都揽月机械有限公司

二〇一〇年元月

目录

1爬模工作机理概述 (1)

1.1自爬模系统工作原理及特点 (1)

1.2爬模的基本组成 (1)

1.2自爬模的主要工作步骤 (2)

2分析目的与分析工况 (3)

2.1计算目的 (3)

2.2计算内容 (3)

2.3计算工况 (3)

3 模型建立 (3)

3.1模型简图 (3)

3.2边界条件 (4)

3.3材料 (4)

3.4各杆件截面 (6)

3.5荷载及布置 (7)

4计算结果 (8)

4.1工况一：静止状态恒载＋施工荷载 (8)

4.2工况二：静止状态恒载＋施工荷载＋风荷载 (13)

4.3工况三：爬升状态 (14)

5结论与建议 (14)

1爬模工作机理概述

1.1自爬模系统工作原理及特点

新型自爬模系统是适应高层或超高层结构混凝土浇筑而出现的先进施工工艺。自爬模的爬升运动是通过液压油缸对导轨和爬架交替作用来实现的。导轨和爬架之间可进行相对运动。在爬架处于工作状态时，导轨和爬模架都支撑在埋件支座上，两者之间无相对运动。退模后立即在退模留下的爬锥上安装受力螺栓、挂座体及埋件支座，调整上下轭棘爪方向来使导轨运动，待导轨升到位就位于该埋件支座上后，操作人员立即转到下平台拆除导轨提升后露出的位于下平台处的埋件支座、爬锥等。在解除爬架上所有拉结之后就可以开始爬升架体及模板，这时导轨保持不动，调整上下棘爪方向后启动油缸，爬模架就相对于导轨运动。通过导轨和爬模架这种交替附墙，提升对方，爬模架沿着墙体垂直预留爬锥逐层向上爬升。

整个模板支架系统支撑在已经浇筑好的钢筋混凝土结构上，而不是支撑在地面，它的高度是一定的，而不像普通的模板支架系统随着浇筑高度的提高，支架高度也相应增加，这样就可以避免因支模高度过高而产生稳定问题。同时运用这种爬模系统，还有节省施工材料，缩短施工工期的作用。具体来说，它的特点有：（1）液压爬模可整体提升，也可单体提升，爬升稳定性好；（2）操作方便，安全性高，且可节约大量的工时和材料；（3）因为是自爬体系，它可以大大降低塔吊的负担；（4）承重性能好，施工单位可在爬模休息平台上码放施工所需材料（承重在设计重量范围内）；（5）爬升速度快，可以提高施工速度；（6）提供全方位的工作平台和休息平台，施工过程中不必为重新搭设操作平台而浪费材料和劳动力。

江苏省江都揽月机械有限公司液压自爬模在吸收国外及国内同行先进爬模经验的基础上，自主开发的有独立知识产权的产品。尤其适用于高层框架结构建筑、高层建筑的核心筒结构和桥梁高墩及索塔的施工。

工程实践证明液压爬模的社会经济效益显著：（1）模板一次性组装上墙、不占用堆放场地；（2）组装快速，模块化设计；（3）节约塔吊吊力40%以上；（4）节约人工成本30%左右；（5）施工速度平均可达4~5天/层(节段)；（6）现场文明、整洁、安全。

1.2爬模的基本组成

整个爬模系统可以分为上、中、下三部分，上三层，中间一层，下两层。主

要的构件有：主梁，立杆，可调斜撑，中平台，下平台，上平台架体，顶升装置等。

图1 新型自爬模架构件组成图

1.2自爬模的主要工作步骤

（1）在已经浇筑好的混凝土结构上安装预埋件

（2）安装上、中、下平台及模板

（3）固定模板

（4）浇筑混凝土

（5）退模、安装预埋件

（6）顶升并固定导轨

（7）顶升爬架

（8）重复步骤（3），如此往复

2分析目的与分析工况

2.1计算目的

施工的顺利进行是以安全为前提的，要确保整个施工过程的安全性，就必须保证结构的各个构件在任何工况下都可以强度、刚度、稳定性的要求。因此需要对验算各个构件的强度、刚度是否满足要求，以及验算整个爬架系统的稳定性。

本报告根据实际的材料类型，结构形式，杆件单元截面形式，运用有限元分析软件，模拟在各种荷载作用下结构的受力性能，根据得到的数据，就可以从整体上把握这个系统是否具有可行性。

2.2计算内容

该爬模结构的计算是以单榀结构为单元计算分析的，验算内容包括：

（1）各杆件的各杆件强度、刚度、稳定性；

（2）锚栓的抗剪抗拔验算；

（3）混凝土局部承压验算；

（4）整个架子的稳定性验算。

（5）导轨梯档的局部受压；

2.3计算工况

本结构的荷载状态复杂，此次计算将取两种最不利荷载工况来验算。

第一种工况是：架子处于静止状态，此时的荷载包括，架子自重、材料堆载以及风荷载。考虑风荷载的特点，报告同时验算有风荷载和无风荷载两种状态下的结构受力性能。

第二种工况是：架子处于爬升状态，此时的荷载包括，架子自重、少量的材料堆载以及风荷载。由于在此状态下，荷载值比静止状态要小，因此螺栓受到的剪力较静止状态小。故，仅需要验算导轨的梯档能否在爬架重量作用下的承载能力。

3 模型建立

3.1 模型简图

根据爬架的结构特点，建立有限元模型如图2所示。该模型简图是按照实际的杆件布置，如实模拟各杆件尺寸而建立的。从模型中可以看出，结构分为上、中、下三部分，上平台由三层，其中第一层用于绑扎钢筋的临时施工场地，第二层用于悬挂模板。中平台可供人的活动。下平台也是施工场地，不过荷载不大。

图2 爬架有限元模型简图

3.2 边界条件

本结构中有两个边界条件：

一是在中平台主梁靠近墙体的一端（即，扶墙），有两个与预埋件相连接的三向平动约束体系，可以简化成固支,如图3（a）所示。

二是在斜撑底端节点处，通过丝杠与墙体相连，模型中用一个弹性连接进行仿真，该连接只能受压，不能受拉，如图3（b）所示。

3.3 材料

本结构为全钢结构，钢材使用的是Q235钢，抗压抗拉强度为205MPa，弹性模量区位2.06×105MPa。

（a ）扶墙处固端约束 （b ）下端丝杠只受压链杆约束

图3 边界条件示意图

3.4 各杆件截面

为了便于表达，各杆件编号如图4所示，截面形式及节点构造：

图4 杆件标号示意图

（a）1，4号杆截面（b）3号杆截面（c）7号杆截面

（d）2，5号杆截面（e）6号杆截面（f）8号杆截面

图（g）9,10,11,12,13,15,16,18号杆截面（h）14号杆截面（i）17号杆截面

图5 各杆件截面构造图

3.5荷载及布置

3.5.1恒载参数

本结构中的荷载包括，爬架自重，模板重量，钢筋等材料堆载，风荷载。将材料堆载，架子自重一起考虑，在梁上产生线荷载。将模板荷载等效成悬挂点处的一个集中力。取极限状态下，架体最大间距为6m，顶层载荷5KN/m2，其余1.5 KN/m2，最多两层同时承载。

取荷载设计值如下：

顶层梁上的线荷载为：5×6=30kN/m；

其余层梁上线荷载为：1.5×6=9kN/m。

模板荷载等效成一个集中力作用在悬挂点，大小为30KN。

3.5.2风荷载计算

风载计算可以按照建筑结构设计风荷载计算公式计算：

ωk=βzμsμrμzω0(1)

式中，

ωk ------风荷载标准值，kN/ m2；

μz------风压高度系数，地面粗糙程度取为B类，海拔取150m，则相应的μz =2.09；

ω0----------基本风压，kN/ m2。取九级风速ν0=18m/s，

ω0=ρν02/2=1.29*0.001*182/2=0.21 KN/ m2

参考我国基本风压分布图，按照兰州市基本风压，区位0.3 KN/ m2。

βz------高压z处风压系数；

βz=1+φzξν/μz

φz------结构阵型系数，考虑到高度很高，而支架高度不高，可以保守取φz =1；

ξ------脉动增大系数，ω0T2=0.21×（0.1×7）2=0.1，相应的ξ=1.88；

ν------脉动影响系数，H/B=12.687/6=2，相应的ν=0.48；

βz=1+1×1.88×0.48/2.09=1.43

考虑模板的卸载作用，取βz=1.2和1.0两种状态进行验算μr------重现期调整系数，重现期50年，取μr=1；

μs ------风载体形系数，取μs=0.8；

因此，

ωk=0.3×2.09×0.8×1.2×1=0.6KN/ m2

考虑模板卸载作用

ωk=0.3×2.09×0.8×1×1=0.5 KN/ m2

作用在第二层节点处的荷载大小F2=0.6×6×5.537=19.86KN

考虑卸载作用的第二层节点处的荷载大小F2=0.5×6×5.537=16.6KN 4计算结果

4.1工况一：静止状态恒载＋施工荷载

图5 工况一荷载布置图

4.1.1杆件强度验算

通过有限元分析软件得，弯矩图以及应力图如图所示：

图6 工况一荷载作用下爬架结构弯矩图（kNm）

图7 工况一应力图（MPa）

从图中可以看出，杆件上的最大正应力为161.388MPa，远小于使用钢材的设计强度。安全系数为205/161＝1.27。最大应力点位于模板挂梁的上端，为悬臂梁受力状态。

4.1.2 锚栓抗剪抗拉验算

图8 工况一下反力图

（1） 抗剪验算

据计算结果显示，锚栓处承受的剪力大小为147kN ，承受的拉力为11.7kN 。 根据圆截面剪应力计算公式，验算锚栓的抗剪验算如下：

3A

4F s =τ （2） τ------截面上最大剪应力

Fs-----截面上承受的剪力：Fs=147/2=73.5KN

A------螺栓截面面积：A=3.14*212=1384.7mm 2

因此：

125MPa ][8.707

.138435.734=<=??=

ττMPa （2） 抗拔验算

根据圆截面在轴心受拉状态下的正应力计算公式：

A

F =σ （3） σ----截面正应力

F-----截面承受的拉力：F=5.85KN

A-----截面面积：A=1384.7 mm 2

因此：

σ=5.85×1000/1384.7=4.2MPa<[σ]=205MPa

考虑材料在复合受力状态下的承载力，锚栓除了受拉受剪还受弯，因此还需验算剪拉状态下的承载力。弯矩大小可以根据支座反力取得，弯矩反力图如图（9）所示。

(3)验算剪拉状态下的承载力

2422

21τσσ

σ?++= （4）

1σ-----单元体上主应力（MPa ）

； σ-----单元体上轴应力（MPa ）

； τ-----单元体上剪应力（MPa ）；

1σ=2

8.7042.422.42

2?++=73.14<[σ]=205MPa 故满足规范要求。

4.1.3混凝土局部强度验算

预埋锥下的混凝土强度验算

局部承压构件计算公式：

ln 3.1dA f F c s ld βη≤ （4）

L b A A /=β

γ0-------结构重要性系数，特大桥、重要结构取 1.1；

F ld --------局部受压面积上的局部压力设计值F ld =5.85KN ；

ηS —混凝土局部受压时的修正系数，砼强度为C50以下强度时取1.0；

fcd —混凝土轴心抗压强度设计值，本工程中取混凝土抗压强度10MPa ； Aln —混凝土局部受压面积 3.14x21x21=1384.7mm2；

β—混凝土局部受压时的强度提高系数，因为混凝土厚度变化，保守取β=1； Ab —局部受压计算底面积；（mm2）；

AL —不扣除孔洞的混凝土局部受压面积；（mm2）,锚板使用中无孔洞,故AL =5024 mm 2；

因此，对于锚栓处混凝土局部承压验算如下：

kN dA f kN F c s ld 183847.10.10.13.13.144.685.51.1ln =???=<=?=βη

故满足规范要求。

4.1.4爬架稳定性验算

由于爬架之间的横向联系很多，因此可以不考虑单榀刚架的平面外失稳，只需要考虑平面内的稳定问题。

在原来模型的基础上，在节点处加上侧向支撑，使得结构不至于发生平面外失稳，得到的最不利阵型即为平面内的结果。

模态分析结果图

图8 结构第一失稳模态图

从图中可以看出，稳定安全系数为21.85，远大于规范要求的4.0，说明结构面内稳性好。

4.2工况二：静止状态恒载＋施工荷载＋1.2倍风荷载

图9 工况二荷载布置示意图

在工况一的基础上，计入风荷载作用，进行验算。荷载布置示意图如图9所示。

计算内容可以做如下简化：（1）由于锚栓的抗剪状态不变，故不再进行重复验算；（2）风荷载的作用，会使锚栓产生压力，因此有利于锚栓的抗拉，以及单个埋件的抗拔，故也不再对锚栓抗拉，埋件抗拔进行验算。

4.2.1爬架稳定性验算

同样只需要验算平面内的稳定，得到的第一失稳模态如图12所示。

图12 第一失稳模态

从图中可以看出，在计算风荷载的作用下，模态数为20.43，远大于规范要求的4.0。

4.2.2混凝土局部强度验算

图13工况二下的边界反力图

从图中可以看出，此时锚栓处的支座反力为压力，大小为8.47KN ，满足规范要求。

4.3工况三：爬升状态

在工况二下，结构承受的荷载要小于静止状态的荷载，只要控制爬架上升的幅度，减小爬升状态中的动力效应，可以不验算工况一下验算的各类控制条件。

在工况二下，需要验算导轨的梯档的抗剪强度。

根据矩形截面剪应力计算公式：

bh

V 23=τ （5） τ------截面上最大剪应力；

V------截面上承受的剪力：V=147KN ；

b ，h------矩形的宽和高：b=788，h=800。

MPa bh V 4.0800

7002147000323=???==τ 满足规范要求。

5结论与建议

本报告对爬架结构在静止状态（混凝土浇筑状态）和爬升进行了强度、刚度、稳定性验算。考虑了爬架结构自重、施工堆载、施工临时荷载、风荷载等荷载工

况。同时，验算了锚栓的抗剪、抗拔性能；混凝土的局部承压能力。

通过验算，可以判定爬架在正常施工条件下，结构是安全的，在使用上是可行的。

同时，经过分析发现，该结构有几个薄弱环节：

（1）第二层挂模板悬臂根部截面

由于在悬臂梁的外侧承受了30KN的集中力，在根部产生了很大的弯矩，截面应力最高达161MPa。这里也是梁柱节点，需要用螺栓连接，必须对螺栓的强度，耐疲劳性作充分的估计。建议在该节点部位增加节点板。

节点位置及应力图形见下图：

图18第二层挂模板悬臂根部截面优化建议

（2）上平台与中平台靠近墙体的梁柱节点

中平台的主梁上有很大的剪力，梁上弯矩也很大，加上柱子作用在梁上的集中力，使得梁在这个截面上的弯矩特别大。建议在该节点部位增加节点板，加强杆件之间的连接，可有效降低应力。

图19 上平台与中平台靠近墙体的梁柱节点优化建议

从弯矩图、整个结构的大部分杆件都处于低应力状态，只有少数杆件应力很大，因此如果将这些少数杆件选取抗弯刚度很大的截面形式，那整个结构将非常安全。也就是，将中平台的主梁以及悬挂模板的主梁选用抗弯刚度更大的截面形状，结构将更加合理。

这种新型自爬模系统，以其独特的优越性——施工简便，施工工期短，施工质量高、安全系数大，拥有广阔的发展空间，将会给混凝土浇筑施工带来巨大的影响。

特别说明：

本计算书考虑到不同工程应用的通用性，取爬模规范允许的极限状态（架体相邻间距6M）进行计算。实际本工程中，架体布置最大间距4.9M，且是在建筑结构的门洞处，模板重量轻；

本计算书中，是以六层平台同时承载进行计算的。实际使用中，只允许出现两层平台同时承载的状态即可满足施工；

本计算书中，最上层平台以5KN/㎡进行计算，主要是钢筋堆载。实际施工中允许载荷3KN/㎡。施工中，竖向钢筋和水平钢筋应两次吊装、堆载。

针对计算书中的薄弱环节，我公司已对爬模架体进行优化改进。