预制构件运输全过程受力研究

陈 东，惠雅婷，赵 诣

（1.安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601；
2.合肥科技职业学院 建筑工程系，安徽 合肥 231201）

装配式建筑施工中所用结构构件主要在工厂预制生产，随后运输到施工现场，组装拼接，使得施工过程高效环保，因而构件运输是必不可少的重要环节。目前，构件运输方式较为传统，通常使用卡车、拖车或平板车，采用平卧、竖立及倚靠等方式，采取捆绑和固定措施，防止构件移动，在必要时提供支撑［1］。由于在构件运输方面没有统一的运输车辆配置和明确规格的构件运输钢架，加大了预制构件运损的可能性，易影响构件性能和施工效率，所以要在运输阶段尽量减少移搬，以降低构件运输中的时间成本和人工成本［2］。学者从多方面探究了运输途中造成试件损坏的各种因素。Siddhesh等［3］发现，车辆的晃动可能造成构件部位损害，车辆的动载取决于构件自重、安放位置及构件悬吊位置等。常春光等［4］总结出构件运输中可能出现的问题，并提出应对措施。Yao 等［5］通过评估风荷载对预制构件运输车的影响，发现突然出现的阵风会导致构件与车辆相对滑动，从而折损构件安全性。陈刚等［6］全程监测梁体运输，发现道路不平等较差路况会导致梁体变形。

刘胜民等［7］介绍了一种自主研发的有限运输道路的设备和部件组合运输装置，解决了有限道路建设下的设备运输问题。赵亚军等［8］根据工程中常用的大型预制构件的类型和尺寸，设计了一种可拆卸的多用途减震架，并提出了相应的减震隔震技术。樊骅等［9］设计一种可以减震供能的预制构件安置架，经检验，可以较好地解决预制双T 板在运输中的安全问题。徐鹏等［10］实地调查不同PC 构件的整体运作结构，分析了装配式建筑PC 构件在运输过程中的分布特点。傅晨曦等［11］基于桥梁工程预制部件，推导出运输空间公式，并验证其合理性。韩凯敏等［12］提出一种新的预制构件物流式配送模式，对目前的预制构件运输方式进行了优化分析。

预制构件种类增多，对于传统的构件运输吊装和绑定方式提出更高要求［13］。目前的研究主要针对运输管理方法和运输系统等，而对于预制混凝土构件在运输过程中的受力特点、应力变化及保护措施等方面的研究涉及不多。本文基于三种常用的预制混凝土构件，开展构件运输全过程受力测试研究。对比分析不同预制混凝土构件在运输中不同位置的应力、应变变化情况，再利用ANSYS 进行数值模拟和参数化分析，对比加速度、垫块、墙板堆叠等因素对构件运输过程中的应力影响，从而确定需要重点保护的构件部位及相应的保护措施。

1.1 构件选择

选用三种常用的不同类型墙板预制构件：不开洞墙板（墙板）、中间开洞墙板（窗户）及整体开洞墙板（门）。墙板预制构件为三层结构，采用同种C30 混凝土，整体宽度为200 mm×30 mm×60 mm，综合尺寸见表1。

表1 预制构件尺寸表Tab.1 Dimensions of prefabricated components

1.2 载具选择

车辆在运输时一般将预制构件置于钢架上，因为钢架坚固稳定，易于安装和固定。运输车辆选择半挂牵引车，总牵引质量为40 t，远超构件重量，符合运输条件，运输选用的车辆及钢架如图1 所示。

图1 运输车辆及钢架Fig.1 Transport vehicles and steel frames

1.3 测点布置与测量仪器

运输前，分别在三种墙板的不同位置对称布置测点，随后粘贴应变片，测点布置见图2。

图2 墙板测点布置图Fig.2 Layout of measuring points on wall panel

1.4 试验设备

利用应变测试仪采集应力应变数据。由于车辆运输时会发生颠簸，造成位移计不稳定，所以不测量位移。运输过程中，将动态信号采集仪置于驾驶室，粘贴牢固，便于收集汽车行驶过程中的水平加速度。

2.1 材性试验结果

浇筑两组同批次混凝土标准试块，进行抗压强度和弹性模量测试。标准养护条件下养护完成后，利用压力试验机进行性能测试。取每组3 个试块的试验数据平均值作为材料的力学性能参数值，测得混凝土抗压强度为31.9 MPa，弹性模量为31 025 MPa，均符合规范强度要求。

2.2 测点应力应变图

所有试验预制构件提前粘贴应变片后进行现场吊装，吊装完成后接线，设置好仪器相关参数。开始运输时，同步开始应变测试；
运输结束时，同步停止应变测试，保存应变测试过程中的输出数据。三组不同类型的预制墙板在应变测试过程中，均采用以上应变测试方法。不开洞墙板、中间开洞墙板及完全开洞墙板不同测点位置处的应力应变随时间变化的对比情况如图3 ～ 图5 所示。

图3 应力应变对比图（2、6 号测点）Fig.3 Comparison of stress-strain curves of measuring points 2 and 6

（1）不开洞墙板测点应变应力图：

由图3 可发现：测点2 号和6 号之间的总体变化趋势一致，但前者的应力低于后者。不开洞墙板结构整体性好，但在运输大约1 min 时应变出现波动，结合实际运输环境，由于此处经过一条减速带，车辆轻微震动，导致曲线发生波动。5 min 时，车辆等待红绿灯停下，但车身因为惯性仍有前倾趋势和晃动，应力应变发生变动。整个过程中，应力最大值为0.85 MPa。且墙板底部应力大于上部应力。

（2）中间开洞墙板应变应力图：

根据图4 所示：1、2、3 号测点应力大小相差不大，变化幅度一致。14 号测点应力应变数值明显增大，但总体趋势与其他测点一致。与不开洞墙板类似，应力应变曲线随着车子的加速和减速发生波动。车辆行驶过程中无法保证全程匀速行驶，因此应力变化较大。同样，墙板下部的应力高于上部应力，原因是墙板在自身重力作用下，使得下部受力高于上部受力。最大应力约为1.25 MPa，高于不开洞墙板的最大应力，可见墙板开洞会影响其运输途中的受力。

图4 应力应变对比图（1、2、3 号测点及2、14 号测点）Fig.4 Comparison of stress-strain curves of measuring points 1，2，3 and 2，14

（3）完全开洞墙板应变应力图：

由图5 可得：1、2、3 号测点变化幅度基本一致。在开车4 ～ 8 min 期间，车辆行驶道路路况较差，车辆行驶不平缓，应力应变曲线起伏较大。大约15 min 时，曲线突变且波动激烈，这是由于构件晃动导致其表面应变片受到拉扯。可见构件的轻微晃动都会导致构件应力产生波动。通过3、9 号两个测点的应力应变对比，可以看出下部受力大于上部受力，最大约为1.42 MPa。因此，在制作完全开洞墙板的过程中，会在墙板上部两侧的转角处，即测点1 ～ 6 位置，内部增设抗裂钢筋，可防止构件拐角处产生裂缝。

图5 应力应变对比图（1、2、3 号测点及3、9 号测点）Fig.5 Comparison of stress-strain curves of measuring points 1,2,3 and 3,9

对于以上三种不同类型的预制墙板，墙板的下部分受力均大于上部分受力，下部分应是运输时的重点保护部位；
且开洞面积越大，构件的最大应力越大。因此，针对运输过程，运输门、窗户等这些开洞构件，更应该加强绑扎固定、制定保护措施。

2.3 加速度变化图

运输过程中车辆实际加速度如图6 所示，每隔0.02 s 测试一次，共计600 000 个加速度数据。由于运输不确定性导致的异常数据已剔除。

图6 加速度变化图Fig.6 Acceleration changes

根据图6 可以看出，加速度变化基本分布在-8 ～ 8 m/s2区间范围内。当车辆在城市公路上以60 km/h 的速度行驶时，车体加速度变化的最大值为6.9 m/s2，而在实际运输过程中，运输速度难以达到60 km/h［14］。在模拟中，设置6 m/s2的加速度，加速度的变化为近似的正弦曲线变化，以此模拟运输中的加速度变化情况。

3.1 预制构件运输模拟

3.1.1 ANSYS 模型建立

整个ANSYS 模型大致三个部分，分别为钢架、车身和混凝土结构。由于在实际运输过程中，使用吊绳捆绑连接固定预制混凝土构件和钢架，这种捆绑方式在接触设置中进行理想化假设，设置为预制构件与钢架无分离，限制预制构件的自由度，具体构件模型图如图7 所示。

图7 ANSYS 模型示意图Fig.7 ANSYS model diagrams

3.1.2 数值分析结果

三种不同类型的预制墙板数值模拟的应力云图如图8 所示。

图8 不同预制墙板应力云图Fig.8 Stress cloud maps of different prefabricated wall panels

根据图8 可发现：在不开洞墙板上，应力最大点位于墙板底部与钢架之间的接触面上。应力变化从上到下逐渐增加，最大值为0.77 MPa。中间开洞墙板应力云图与不开洞墙板大致相同，受力最大处也为墙板底部，为1.39 MPa，依然遵循自上而下应力逐渐变大的规律，在开洞的四个角处，其应力变化稍有突变，大于周围其他部位。由于全开洞墙板底部与钢架接触面积较小，单位面积所承受的压力就会变大。在底部开洞处的两个拐角，应力达到最大，为1.60 MPa，大于周围部位，但依旧没有超过混凝土的强度。

3.1.3 三种预制墙板试验与模拟对比

三种不同类型的预制墙板试验数据与模拟数据见表2。

表2 预制墙板试验数据与模拟数据对比表Tab.2 Comparison between measured and simulation data of prefabricated wall panels

误差分析：不开洞墙板模拟数据小于试验测得数据，而其余两种墙板模拟数据均大于试验数据，这是由于在接触设置中，不开洞墙板表面与钢架侧面为无分离，墙板自身重力有一部分为钢架所承担。而其余两种墙板采取了开洞措施，墙板表面与钢架接触面积变小，使钢架承担墙板自重相对于不开洞墙板变小，所以产生差异。但三种预制墙板模拟所得数据与试验所测数据差距不大，模拟符合试验情况。

3.2 参数化分析

上述数值模拟验证了ANSYS 模型的可靠性。以该模型为基础，仅改变加速度大小、垫块、不同类型墙板混合运输及单层墙板运输，进行参数化分析。

3.2.1 加速度变化幅度的影响

在正常运输过程中，车辆会突然加速及减速，以加速度突变来模拟上述情况，研究加速度突变对预制构件运输的影响。在正常的加速度数据中插入与已有数据有明显差异的加速度值，进行新的数值分析。加速度突变情况下的应力云图如图9 所示。

图9 预制墙板应力云图（加速度突变）Fig.9 Stress cloud maps of different prefabricated wall panels (sudden acceleration)

如图9 所示，在汽车运输途中，如遇突然加速或减速等情况时，各墙板的应力发生明显的应力突变。但从整体曲线来看，经过突变后，墙板应力曲线会恢复正常。在不开洞墙板上，应力最大点位于墙板底部与钢架之间的接触面上，约为1.34 MPa。中间开洞墙板受力最大处也为墙板底部，在开洞的四个角处，应力稍大于周边部位，为1.28 MPa。以上两类墙板应力都是自上而下逐渐增大。对于全开洞墙板，底部开洞处的两个拐角应力达到最大，为2.38 MPa。可见加速度的突变，对于构件应力分布影响比较大。因此，在预制构件运输中，要提前做好调查，尽量避免车辆急刹车，另外，要提前规划路线，优先选择路况较好的路线，避免车辆遇到大幅度颠簸，导致构件受力过大、产生破损，造成不必要的损失［15］。

3.2.2 垫块保护影响

分别在各预制构件下部安置垫块，研究垫块对预制构件在运输过程中的保护作用。加置垫块情况下的应力云图见图10。所放置垫块材料为橡胶，密度为1 190 kg/m3，弹性模量E=2 MPa，泊松比=0.45。

如图10 所示，在墙板底部增加垫块后，墙板整体所受应力减少，且最大应力对比无垫块时明显降低。全开洞墙板加垫块前后应力基本没有变化，考虑到全开洞墙板底部面积较小，底部受力较为集中，所以橡胶垫块起到的缓冲作用较小，最大应力值为0.62 MPa。其余两块墙板均有不同程度的应力减小，中间开洞墙板最大应力值为1.1 MPa，完全开洞墙板最大应力值为1.6 MPa。可推断，如果将垫块材料替换为更高强度的缓冲材料，预制墙板所受最大应力仍能继续减少［16］。

3.2.3 墙板运输放置层数影响

针对三种墙板建立单层运输数值分析，研究在运输过程中墙板放置层数对预制构件应力分布的影响，相应的应力云图如图11 所示。

图11 预制墙板应力云图（墙板单层放置）Fig.11 Stress cloud maps of different prefabricated wall panels (single-layer placement)

由图11 可以看出，层数堆叠运输对预制墙板应力也会产生影响。不开洞墙板的最大应力值为0.75 MPa，中间开洞墙板最大应力值为1.25 MPa，完全开洞墙板最大应力值为1.67 MPa。由于模拟中，将双层运输外层墙板与钢架底部设置为几何体与几何体之间仅沿Z 轴，即竖向方向移动，因此每个墙板产生的作用力都施加在钢架上，两层墙板之间作用力较小，为理想模型设置，所以在模拟中双层运输与单层运输的应力差距不大。但是考虑实际情况，构件本身具有重力作用，以及堆叠后的摩擦力等因素，堆叠越高，墙板受力越大，越易造成破损，因此宜在墙板堆叠面铺设海绵等缓冲物，减少构件破损。

通过参数化分析可得；
加速度突变对应力的影响比加置垫块和层数堆叠更大。运输途中尤其要避免车辆猛加速或者急刹车，尽可能匀速前进。

本文基于三种常用的预制混凝土构件，开展构件运输全过程受力测试，对比分析不同预制混凝土构件在运输中不同位置的应力、应变变化，结合数值模拟和参数化分析，得出以下结论：

（1）不同构造的预制构件，在运输过程中的受力有所不同。开洞构件应力变化高于不开洞构件，且应力变化与开洞面积呈正相关。

（2）开洞处的应力高于周围不开洞的部位。构件下部应力高于上部，且构件底部与钢架接触处受力最大。

（3）相比较加置垫块和堆叠层数，加速度对构件应力变化影响最大。建议车辆运输途中，尽可能匀速行驶，避免猛加速和急刹车，遇到紧急情况时，也应尽量避免加速度突变超过8 m/s2。

（4）建议在预制构件与运输钢架接触位置加垫高弹性的高强缓冲材料，如橡胶、木块及泡沫板等，可以显著降低预制构件应力突变，减少构件损坏。应避免构件多层堆叠，少量堆叠时也需安放软支座。

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