高层建筑塔式起重机施工过程中吊臂风荷载数值模拟研究_崔利鹏.pdf

工程前沿1工程技术研究 第 8 卷 总第 130 期 2023 年 1 月近年来各类大体量的高层、超高层建筑发展迅速，塔式起重机是建筑建造施工过程中的关键机械设备1。塔式起重机（以下简称“塔吊”）的塔身和吊臂为格构高层建筑塔式起重机施工过程中吊臂风荷载数值模拟研究崔利鹏中铁城建集团第一工程有限公司，山西 太原 030024摘要：文章采用雷诺平均 Realizable k-湍流模型，对某在建高层建筑施工塔式起重机的吊臂节段风荷载进行了数值模拟研究。结果表明：吊臂悬挑长度较大且位于建筑顶部，各节段受建筑顶部的复杂流动分离现象影响不尽相同，造成各节段表面风压分布不均匀，不同位置的节段风荷载也不相同，且受来流风向和吊臂工作角度的影响显著。关键词：塔式起重机；高层建筑；施工阶段；吊臂风荷载；CFD；数值模拟Abstract:In this paper,the Reynolds average Realizable k-turbulence model is used to simulate the wind load on the boom section of the tower crane in the construction of a high-rise building.The results show that the cantilever length of the boom is large and located at the top of the building,and each section is affected by the complex flow separation phenomenon at the top of the building differently,resulting in uneven distribution of wind pressure on the surface of each section.The wind loads of different sections are also different,and are significantly affected by the incoming wind direction and the working angle of the boom.Key Words:tower crane;high-rise building;construction stage;wind load on the boom;CFD；numerical simulation分类号：TU311.3Research on Numerical Simulation of Wind Load on the Boom During Tower Crane Construction of High-rise BuildingsCUI LipengChina Railway Urban Construction Group First Engineering Co.,Ltd.,Taiyuan 030024,Shanxi,China001.DOI:10.19537/ki.2096-2789.2023.02.作者简介：崔利鹏，男，本科，高级工程师，研究方向为土木工程。式结构，截面挡风面积虽较小，但强风下塔吊结构的风毁事故频繁发生，塔吊结构的抗风安全问题不容忽视2。某在建高层建筑位于珠海横琴岛，建筑总高约260 m，水平截面尺寸为 45 m36 m，角部切角率为10%，采用外爬升式平头型附着式塔吊，塔身 K 型标准节高 3.12 m，吊臂为三角形桁架，为便于下文分析，对吊臂节段进行编号，如图 1 所示。塔吊吊臂一般悬挑长度较长，且处于施工建筑顶部复杂的流动分离区，此外该建筑所处位置在台风季，遭遇台风的概率较高。台风登陆时，强风可能引起塔吊的抗风安全性问题。文章运用 CFD（computational fluid dynamics）数值模拟方法，借助雷诺平均 Realizable k-湍流模型，研究该塔吊施工过程中吊臂处于不同工作位置时的风荷载，相关结果可为保证塔吊施工过程中在强风作用下的抗风安全性提供参考。图 1 平衡臂和吊臂节段编号1 数值模拟方法及参数塔吊结构抗风属于黏性不可压缩钝体绕流问题3，2 工程前沿 2023 年 第 02 期 总第 130 期 工程技术研究此次研究采用基于时间平均的 RANS（reynolds averaged navier-stokes）方法，流体控制方程如下4：（1）式中：Ui、xi(i,j=1,2,3)分别为三个方向速度分量时均值和坐标分量；P 为压力时均值；为空气密度；为动力黏度常数；ijuu 为雷诺应力。雷诺应力为 N-S 方程均化处理后多出的未知量，需要建立模型使方程组（1）封闭5。文章采用 Realiz-able k-湍流模型。方程求解采用分离式方法，方程对流项采用二阶迎风格式离散，计算收敛准则取残差值为 510-4。塔吊位于建筑长边侧，考虑结构对称性，CFD 数值模拟中，研究了吊臂的 5 个工作位置，相应夹角 分别为 0、30、45、60和 90，每个吊臂位置均进行风向角=0 345（间隔 15）的 24 个风向的数值模拟计算，共计 524=120 个工况。为确保模型阻塞率不超过 5%，根据建筑和塔吊尺寸，确定 CFD 数值模拟计算域大小为：流向 展向 竖向=15H9H5H（H 为塔吊顶部高度）。计算域的离散采用区域分块网格，在建筑和塔吊附近采用加密的非结构化网格，最小网格尺寸为 1/1 300H；计算域还给出了计算域的边界条件设置，根据结构所处地貌、入口处数值模拟了 A 类地貌风场6。2 结果与讨论下面主要对比分析吊臂节段沿 x 轴和 y 轴的气动力系数 CFx、CFy，其定义分别为（2）式中：Fx和 Fy分别为塔吊节段沿 x 轴和 y 轴的风力，坐标系定义如图 2 所示，需要说明的是，图 2 中坐标原点位于地面上的塔身中心位置处，为便于显示，将其放在了其他位置；Ax和 Ay分别为吊臂节段在 x 轴和 y 轴方向的投影面积；UH为模型顶部来流平均风速。2.1 节段风荷载随位置的变化情况在 0风向角情况下，吊臂旋转至与建筑短边（吊臂夹角=0）方向一致时，沿 x 轴和 y 轴节段气动力系数随其位置的变化而变化。为便于分析，给出了流向纵剖面流线图，如图 3 所示，风压系数 Cp以高度 H处来流平均风速 UH无量纲化。图 3 流向纵剖面流线图（1）查阅气动力系数可知，吊臂沿两个坐标轴方向的气动力系数值范围在-2.3 1.7，不同位置处气动力系数值有所差异。沿 x 轴方向气动力系数 CFx，在平衡臂与吊臂交接处的 9#节段、吊臂 25#节段处数值较大，最大值为 1.7；沿 y 轴气动力系数 CFy，在 11#23#节段为负值，其中 18#节段可达-2.3，而其他位置则接近 0。（2）由图 3 可知，在该风向角下，来流气流受建筑迎风面阻挡（在建筑迎风面区域形成正压），部分气流向建筑顶部流动并在建筑顶部发生显著的流动分离现象，在建筑顶部形成大尺度的分离涡，在建筑顶部区域形成压力梯度变化较大的负压区。塔吊的吊臂指向与流动方向一致，且吊臂 11#23#节段总体上处于建筑顶部的流动分离区，使得该部分气动力变化较为显著。（3）吊臂各节段沿 y 轴气动力主要由迎、背风面风力叠加，以上情况使得其合作用力沿流向方向（即图 2 中坐标系 y 轴负方向），导致 11#23#号节段沿y 轴的气动力系数 CFy值为负，数值也相对较大。对于吊臂各节段沿 x 轴的气动力而言，由于吊臂各节段顶面均布置有斜杆，各节段沿流向并非对称分布，导致合力沿 x 轴正方向，且总体上数值也较大。图 2 风向角及吊臂位置定义 工程前沿3工程技术研究 第 8 卷 总第 130 期 2023 年 1 月2.2 风向角对吊臂节段风荷载的影响由上述分析可知，吊臂不同节段处风荷载情况也不尽相同，文章选取沿 x 轴和 y 轴气动力系数相对较大的 3 个节段（平衡臂 9#节段和吊臂 18#、25#节段）。在吊臂工作过程中 3 个位置（吊臂夹角=0、30、60）条件下，风向角对吊臂节段风荷载的影响分别如图 4、图 5 所示。2.3 工作位置夹角对吊臂节段风荷载的影响塔吊在施工过程中，吊臂要根据需要转动至不同工作位置，结果表明不同工作位置时吊臂节段风荷载受风向角影响显著不同。此小节选取对吊臂节段沿两个坐标轴风荷载影响较为显著的风向角（=45、90、150），研究吊臂工作位置对节段风荷载的影响。典型风向角情况下，吊臂节段 x 轴和 y 轴气动力系数随工作位置夹角的变化情况分别如图 6、图 7（见下页）所示。吊臂节段风荷载受工作位置影响显著。总体上，考虑的吊臂夹角情况下，对于沿 x 轴和 y 轴的气动力系数而言，当吊臂夹角=60时，数值的绝对值均相对较大，而当吊臂沿建筑短轴和长轴方向 分别为0、90时，则数值的绝对值相对较小。可见，吊臂处于斜向工作位置时受力相对较不利。以上情况的主要原因是，即使在同一风向角情况下，当吊臂工作角度发生变化时，吊臂节段周围的流场情况将随之发生吊臂处于不同工作位置时，风向角对吊臂节段两个坐标轴方向风荷载均有显著影响。具体从各节段气动力系数受风向角的影响情况来看，对于图中的 3 个工作位置，9#节段气动力系数值随风向角的变化幅度最大，25#节段次之，18#节段变化幅度相对最小。结合前文分析可知，吊臂节段风荷载受风向角影响比较敏感的原因主要体现在：在不同来流风向下，建筑顶部的流动分离程度和周围的流场状态不尽一致，造成气流作用于吊臂各节段的风效应也不同；加之吊臂悬挑长度大，使得各节段受建筑顶部复杂分离气流的影响而明显不同。（a）吊臂夹角=0（b）吊臂夹角=30（c）吊臂夹角=60（c）吊臂夹角=60（b）吊臂夹角=30（a）吊臂夹角=0图 4 不同位置吊臂节段气动力系数 CFx随风向角变化比较图 5 不同位置吊臂节段气动力系数 CFy随风向角变化比较4 工程前沿 2023 年 第 02 期 总第 130 期 工程技术研究风破坏。参考文献1 殷晨波,张燕娜.“莫兰蒂”强台风塔机倒塌分析及防台风措施建议J.建筑机械化,2017,38(1):19-22.2 柯世堂,王浩.超高层连体建筑风荷载干扰效应大涡模拟研究J.湖南大学学报(自然科学版),2017,44(5):53-62.3 孙相雨,张明亮,陈伏彬.格构式塔吊结构风荷载数值模拟研究J.建筑施工,2019,41(8):1565-1568.4 张明亮,孙相雨,陈伏彬,等.格构式塔式起重机风致响应研究J.施工技术,2020,49(3):83-86.5 徐文豪.塔式起重机峡谷地形风致响应研究D.邯郸:河北工程大学,2020.6 符康.动臂式塔式起重机结构系统动态特性研究D.成都:西南交通大学,2017.显著改变，导致作用于其表面的风荷载也将发生明显改变。3 结论文章采用 CFD 数值模拟方法，研究分析了高层建筑施工过程中塔吊吊臂工作位置对吊臂风荷载的影响，得到的主要结论如下：（1）吊臂节段表面的风压分布不均匀，不同位置处的节段风荷载不相同，容易受来流风向角和吊臂工作角度影响，当吊臂于建筑轴向有夹角时气动力系数值相对较大。（2）吊臂处于在建建筑顶部且悬挑长度长，不同节段周围流场受建筑影响不尽相同，且对来流风向和吊臂工作位置变化敏感，在强风或来流风速发生突变时，吊臂节段风荷载可能发生显著变化，导致塔吊受图 6 不同位置吊臂节段气动力系数 CFx随吊臂工作位置变化比较图 7 不同位置吊臂节段气动力系数 CFy随吊臂工作位置变化比较（c）风向角=150（b）风向角=90（a）风向角=45（a）风向角=45（b）风向角=90（c）风向角=150