關(guān)于混凝土疊合梁澆筑方案的研究

李旭 王東 孫武衛(wèi) 彭博 劉運(yùn)龍

(1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500； 2.云南博暉房地產(chǎn)開發(fā)有限公司 昆明 650500)

0 引言

隨著建筑行業(yè)的飛速發(fā)展，我國(guó)出現(xiàn)了大量主樓帶裙房的高層建筑，這樣的建筑一般設(shè)置轉(zhuǎn)換層在上下結(jié)構(gòu)功能發(fā)生變化的部位，由于梁式轉(zhuǎn)換層受力明確、設(shè)計(jì)和施工簡(jiǎn)單，使得其應(yīng)用最為廣泛[1]。為解決大體積混凝土梁施工問題，采用現(xiàn)澆二次受力疊合梁的施工方法[2]。王磊等[3]進(jìn)行疊合梁試驗(yàn)，結(jié)果表明疊合梁的極限承載能力比整澆梁低，但接近整澆梁的承載能力。常鵬等[4]經(jīng)過有限元模擬，得出疊合梁第一階段加荷產(chǎn)生的預(yù)壓區(qū)可抑制第二階段斜裂縫開展。王鵬等[5]經(jīng)過對(duì)疊合面混凝土應(yīng)力的仿真分析，推導(dǎo)出疊合面混凝土應(yīng)力的計(jì)算公式。

本文根據(jù)理論分析和有限元軟件模擬，對(duì)比整澆梁支撐體系的跨距和步距得以改進(jìn)，確定適宜的先澆高度，待混凝土養(yǎng)護(hù)齡期下的強(qiáng)度和剛度滿足要求后，可提前拆除梁下支撐，達(dá)到施工便利的同時(shí)，又能提高經(jīng)濟(jì)性。

1 工程概況

某集商場(chǎng)、辦公和住宅為一體的綜合建筑，地上22～24層，裙樓5層，地下1層，塔樓A、B座各22層，C座24層，第5層為結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。工程總建筑面積43 852.3 m2。結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)使用年限50年，耐火等級(jí)為一級(jí)。工程在第5層轉(zhuǎn)換層設(shè)置轉(zhuǎn)換梁截面尺寸為：500 mm×1 500 mm，梁全長(zhǎng) 9 m，鋼筋等級(jí)為HRB400，C40混凝土，澆筑完混凝土后養(yǎng)護(hù)28 d拆除梁下支撐，梁下支撐采用碗扣式腳手架，連墻件設(shè)置為二步三跨，由于支撐位于第5層，故不考慮風(fēng)荷載影響，梁底設(shè)3道支撐，間距0.3 m，支撐鋼管類型選擇Q235，尺寸φ48.3 mm×3.5 mm，支撐架自重8 kN/m2，模板自重1.5 kN/m2，施工均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值2 kN/m2。

2 梁下支撐計(jì)算方式

《建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ 166—2016)[6]規(guī)定，對(duì)碗扣式腳手架進(jìn)行計(jì)算，可根據(jù)計(jì)算公式(1)計(jì)算立桿的軸力設(shè)計(jì)值，然后可采用計(jì)算公式(2)對(duì)立桿進(jìn)行穩(wěn)定性的驗(yàn)算。

N=1.2(∑NGk1+∑NGk2)+1.4NQk

(1)

式中，NGk1為立桿由架體結(jié)構(gòu)及附件自重產(chǎn)生的軸力標(biāo)準(zhǔn)值總和；NGk2為模板支撐架立桿由模板及支撐梁自重和混凝土及鋼筋自重產(chǎn)生的軸力標(biāo)準(zhǔn)值總和；NQk為立桿由施工荷載產(chǎn)生的軸力標(biāo)準(zhǔn)值。

γ0N/φA≤f

(2)

式中，γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，腳手架安全等級(jí)為I取1.1，安全等級(jí)為II取1.0；N為立桿的軸力設(shè)計(jì)值，N；φ為軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)立桿長(zhǎng)細(xì)比λ按規(guī)范附錄C取值；A為立桿毛截面面積，mm2；f為立桿的鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2。

2.1 整體梁澆筑時(shí)梁下支撐承載力分析

碗扣式腳手架搭設(shè)要求立桿橫距1.2 m，根據(jù)腳手架荷載縱距可為1.2 m、1.5 m、1.8 m和2.4 m，步距為1.8 m和2.4 m。為了大體積混凝土梁整體澆筑的安全，跨距和步距都按0.9 m、1.2 m 和1.5 m考慮，不同跨距和步距組合下的單肢立桿軸力設(shè)計(jì)值和穩(wěn)定性結(jié)果如表1所示。

計(jì)算單肢立桿軸力設(shè)計(jì)值，由于梁下設(shè)有橫向間距為0.3 m的3道支撐，因此以立桿的縱橫向間距按0.9 m×0.3 m考慮，整體梁澆筑的鋼筋混凝土自重為30 kN/m3，則單肢立桿的軸力設(shè)計(jì)值N=1.2×(8+1.5+30×1.5)×0.9×0.3+1.4×2×0.9×0.3=18.41 kN。

驗(yàn)算立桿穩(wěn)定性，以跨距和步距均按0.9 m計(jì)，計(jì)算長(zhǎng)度l0=kμh=1.155×1.55×0.9=1.611 m，立桿計(jì)算長(zhǎng)度附件系數(shù)k取1.155，連墻件設(shè)置二步三跨的立桿計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)μ取1.55，λ=1.611×103/15.9=101.33，查《建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ 166—2016)附錄C得到穩(wěn)定性系數(shù)φ=0.570，求得σ=65.45 N/mm2。

從表1的數(shù)據(jù)可知：當(dāng)梁下支撐的跨距為1.2 m、步距為1.5 m和跨距為1.5 m、步距為1.5 m，立桿穩(wěn)定性的驗(yàn)算結(jié)果均超過了Q235鋼材的屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值205 N/mm2?？缇嗟脑龃髸?huì)導(dǎo)致單根立桿的軸力設(shè)計(jì)值隨之增大，不同步距的變化導(dǎo)致立桿長(zhǎng)徑比發(fā)生變化，造成軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性不同。要提高支撐整體的穩(wěn)定性，就要減小立桿的步距或減小支撐上部荷載，而減小支撐上部荷載可采用疊合梁分層澆筑法。

2.2 疊合梁分層澆筑時(shí)梁下支撐承載力分析

采用疊合梁分層澆筑時(shí)，本文選擇多個(gè)先澆截面高度進(jìn)行對(duì)比?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)(2015年版)中規(guī)定，先澆高度h1與梁總高度h之比h1/h≥0.4[7]。因此對(duì)應(yīng)1 500 mm的梁高，選擇先澆截面的高度為600 mm～900 mm，模數(shù)為100 mm。

由表1得出整體梁澆筑的梁下支撐，步距取0.9 m的立桿穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果與屈服強(qiáng)度值差距較大，因此采用疊合梁分層澆筑時(shí)，先澆梁高設(shè)置以下4種高度，采取梁下支撐跨距分別按 0.9 m、1.2 m和1.5 m，步距分別按1.2 m和1.5 m，計(jì)算立桿穩(wěn)定性的結(jié)果見表2。

表1 立桿穩(wěn)定性驗(yàn)算

表2 不同先澆高度立桿穩(wěn)定性驗(yàn)算 N/mm2

從表2的數(shù)據(jù)可知，先澆截面高度選擇4種高度，跨距取0.9 m、1.2 m和1.5 m與步距取1.2 m和1.5 m的各種組合，穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果均能夠滿足立桿屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值205 N/mm2。對(duì)比表1和表2的數(shù)據(jù)，跨距取1.5 m，步距取1.5 m，采用整體梁澆筑，應(yīng)力值為272.22 N/mm2，已經(jīng)發(fā)生失穩(wěn)；采用疊合梁澆筑，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值為130.23 ～173.43 N/mm2，相比屈服強(qiáng)度應(yīng)力減小了31.57 ～74.77 N/mm2。

3 疊合梁模型

3.1 建模目的及本構(gòu)關(guān)系

為得到混凝土疊合梁分兩層進(jìn)行澆筑在第一階段和第二階段分別出現(xiàn)變形的最大位移值，采用ANSYS中單元生死功能對(duì)疊合梁澆筑成型過程進(jìn)行模擬。模擬過程中設(shè)置相應(yīng)的兩個(gè)荷載步，第一個(gè)荷載步是對(duì)先澆梁的求解，第二個(gè)荷載步是對(duì)疊合梁的求解，最終可得到兩個(gè)階段下變形的最大位移值，作為分析是否存在安全隱患和提供改進(jìn)梁下支撐的條件。

本文模擬選取的混凝土本構(gòu)關(guān)系模型是Rüsch模型，相比較Hogenestad模型不同的部分是混凝土受壓時(shí)的下降段變?yōu)槠街倍?，混凝土單軸受壓應(yīng)力應(yīng)變采用MISO模型。鋼筋采用HRB400級(jí)鋼筋，受壓時(shí)鋼筋強(qiáng)度可視為無限大，受拉時(shí)經(jīng)歷彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段和頸縮階段四個(gè)階段，可采用多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型中的MKIN來描述鋼筋的本構(gòu)關(guān)系。

3.2 單元類型及模型選擇

使用ANSYS模擬現(xiàn)澆鋼筋混凝土疊合梁，首先要確定模擬混凝土和鋼筋的單元類型。用Link8單元模擬鋼筋，用Solid65單元模擬混凝土[8]。在使用Solid65模擬混凝土的時(shí)候，混凝土開裂的剪力傳遞系數(shù)βt=0.5，裂縫閉合的剪力傳遞系數(shù)βc=0.95，混凝土泊松比ν=0.2，破壞準(zhǔn)則采用Willam-Warnke五參數(shù)破壞準(zhǔn)則[9]，網(wǎng)格劃分大小為100 mm。

利用力學(xué)中結(jié)構(gòu)對(duì)稱受力的特點(diǎn)，取梁長(zhǎng)度為4.5 m、截面尺寸為250 mm×1 500 mm進(jìn)行分析。建立疊合梁模型的先澆筑截面高度可按表2中的梁高進(jìn)行選取，原設(shè)計(jì)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，考慮到分析不同混凝土等級(jí)對(duì)疊合梁的影響，因此增加C35和C45兩個(gè)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行疊合梁的數(shù)值分析。疊合梁建模將模型分為先澆部分和后澆部分，疊合面形式采用自然疊合面，彈簧剛度取1.574×107N/mm[10]。

3.3 模型及結(jié)果

疊合梁的模型如圖1所示，圖2所示為C40混凝土疊合梁先澆高度h1=600 mm的變形云圖。

圖1 疊合梁模型

由圖2的變形云圖中可以得出當(dāng)混凝土強(qiáng)度為C40，先澆高度為600 mm，第一階段最大位移為2.551 mm，第二階段最大位移為3.104 mm。按照同樣方法得出C35和C45混凝土在不同先澆高度情況下的最大位移，并繪制兩個(gè)階段下，不同混凝土強(qiáng)度和最大位移關(guān)系的線性圖，如圖3所示。

(a)第一階段

(b)第二階段

(a)第一階段位移

(b)第二階段位移

由圖3可知，最大位移隨著混凝土的強(qiáng)度提高而減小。由于第一階段的受荷發(fā)生了變形，在第二階段受荷以后，導(dǎo)致整個(gè)疊合梁的變形增大。從圖中可看出最大的位移是在第二階段，采用先澆截面為600 mm的C35混凝土疊合梁，位移處于安全范圍內(nèi)，沒有超過混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范所規(guī)定的L/250(9 000/250=36 mm)。

3.4 改進(jìn)梁下支撐拆除時(shí)間

以上的模擬是以28 d齡期的混凝土軸心抗壓強(qiáng)度為基礎(chǔ)進(jìn)行的，如要進(jìn)一步節(jié)省時(shí)間提前拆除梁下支撐，混凝土的強(qiáng)度不再是28 d齡期的混凝土軸心抗壓強(qiáng)度，以下內(nèi)容基于數(shù)值模擬分析對(duì)疊合梁不同先澆高度和拆除梁下支撐的時(shí)間進(jìn)行分析。通過試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)資料和文獻(xiàn)[11]可知，隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，混凝土的抗壓強(qiáng)度與彈性模量變化基本保持一致。按混凝土的強(qiáng)度和剛度同比例增長(zhǎng)考慮，C35、C40和C45混凝土抗壓強(qiáng)度百分比為80%～90%的養(yǎng)護(hù)齡期如下，C35：80%為12 d、90%為16 d；C40：80%為8 d、90%為14 d；C45：80%為 7 d、90%為12 d。

由疊合梁的變形分析可知，疊合梁的變形云圖在混凝土不同強(qiáng)度的情況下是相似的，選擇C35混凝土作為最不利分析情況的最大位移。疊合梁4種不同先澆截面高度在混凝土強(qiáng)度百分比逐漸增大的情況下，出現(xiàn)的變形位移分為第一階段和第二階段，并且隨著混凝土強(qiáng)度百分比的增大，變形位移呈現(xiàn)出不同的走勢(shì)。因此在兩個(gè)階段下，繪制混凝土強(qiáng)度百分比與位移的關(guān)系圖，如圖4所示。

(a)第一階段位移

(b)第二階段位移

由圖4可知，先澆截面高度小于700 mm 的疊合梁在混凝土達(dá)到軸心抗壓強(qiáng)度的90%后變形才趨于穩(wěn)定；先澆截面高度不小于700 mm 的疊合梁在混凝土達(dá)到軸心抗壓強(qiáng)度的80%后變形才趨于穩(wěn)定。因此，先澆截面高度小于700 mm的混凝土強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的90%后可以進(jìn)行拆除梁下支撐，C35混凝土為16 d、C40混凝土14 d、C45混凝土為12 d；先澆截面高度大于等于700 mm可以在混凝土強(qiáng)度達(dá)到軸心抗壓強(qiáng)度的80%后拆除梁下支撐，C35混凝土12 d、C40混凝土為8 d、C45混凝土為7 d。

4 結(jié)論

(1)對(duì)于大體積梁下支撐的跨距和步距，分別采用整體梁澆筑和疊合梁分層澆筑，選擇同樣的跨距和步距，采用整體梁澆筑時(shí)發(fā)生失穩(wěn)，而采用疊合梁分層澆筑，能夠達(dá)到立桿穩(wěn)定性的要求。

(2)以本文1 500 mm高的梁為例，跨距取1.5 m，步距取1.5 m，采用疊合梁分層澆筑，先澆高度范圍選擇在600～900 mm，立桿穩(wěn)定性滿足要求，實(shí)際工程中一般跨距和步距均按比計(jì)算值小的間距設(shè)置，故使安全性得以保障。

(3)采用疊合梁分層澆筑，對(duì)于梁的先澆截面高度和混凝土強(qiáng)度等級(jí)的不同，針對(duì)不同的情況，對(duì)梁下支撐的拆除時(shí)間也不同。通過分析后得出，1 500 mm高的疊合梁先澆截面高度范圍適宜選擇700～900 mm，在混凝土強(qiáng)度達(dá)到軸心抗壓強(qiáng)度的80%后，即C35混凝土12 d、C40混凝土為8 d、C45混凝土為7 d時(shí)，可拆除梁下支撐。