趙 領(lǐng) 志

(天津市房屋鑒定建筑設(shè)計(jì)院，天津 300381)

高巨型轉(zhuǎn)換梁疊合澆筑施工有限元分析

趙 領(lǐng) 志

(天津市房屋鑒定建筑設(shè)計(jì)院，天津 300381)

采用大型有限元軟件對(duì)馬來西亞某大樓高巨型梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的疊合澆筑施工過程進(jìn)行了計(jì)算分析，分別模擬對(duì)比了一次性澆筑完成及采用疊合澆筑依次澆筑的施工方法，研究了施工過程中轉(zhuǎn)換梁、模板支撐和下層梁板結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形情況，通過有限元計(jì)算的全過程施工模擬，提出采用疊合澆筑法施工時(shí)高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的模板支撐及下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工建議。

轉(zhuǎn)換梁，疊合澆筑，有限元，應(yīng)力分析，結(jié)構(gòu)變形

馬來西亞某大樓所設(shè)梁式轉(zhuǎn)換層位于結(jié)構(gòu)地上第4層，其高度達(dá)4.5 m，若采用一次性完成澆筑的方法，會(huì)給施工帶來很大的問題：首先，如此大量的商品混凝土供應(yīng)難以保證；其次，轉(zhuǎn)換層巨型構(gòu)件的自重過大，下部支撐若想安全傳遞上部荷載，橫縱間距將小于0.5 m，這樣密集的支撐布置方式是不易完成現(xiàn)場的安裝及檢驗(yàn)工作的；最后，如此大體積的混凝土施工需多次分層澆筑，連續(xù)施工時(shí)間過長。

綜上所述，針對(duì)具體的施工過程，采用大型通用有限元軟件ABAQUS建立精細(xì)化有限元模型，對(duì)轉(zhuǎn)換大梁采用疊合澆筑法的施工過程進(jìn)行模擬，采用有限元軟件對(duì)施工過程進(jìn)行分析的目的，一是為了驗(yàn)算結(jié)構(gòu)整體在施工過程中的安全性；二是找出施工過程中結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)部位，局部采取構(gòu)造措施等，對(duì)可能發(fā)生的問題進(jìn)行有效預(yù)防，確保施工過程的順利進(jìn)行。

1 有限元模型

本文以馬來西亞某大樓工程為例，通過大型通用有限元軟件ABAQUS來實(shí)現(xiàn)實(shí)際工程的模擬，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換梁高度為4.5 m，考慮到大體積混凝土澆筑的溫度控制、混凝土供給能力等因素，決定分3次完成轉(zhuǎn)換梁的澆筑工作，第一澆筑層高度為1 m，第二澆筑層高度為2 m，第三澆筑層高度為1.5 m。在施工過程中，梁下支撐只考慮疊合梁下部h1高度內(nèi)荷載，上部高度h2的自重和施工荷載由第一次澆筑的h1高度來承受，故按施工階段不加支撐的疊合梁受彎構(gòu)件計(jì)算，即b×h1=1 000×1 000的簡支梁計(jì)算。通過對(duì)此澆筑方案進(jìn)行受力驗(yàn)算，各次澆筑的轉(zhuǎn)換梁均能承受第二次澆筑梁的自重及施工荷載，結(jié)構(gòu)整體模型有限元網(wǎng)格劃分及轉(zhuǎn)換梁模板和支撐布置如圖1所示。

考慮到剛剛澆筑完成的混凝土依然具有部分流動(dòng)性或剛剛完成初凝，混凝土抗剪強(qiáng)度很低，可以忽略不計(jì)，因此在轉(zhuǎn)模型換梁底部的模板表面上直接施加大小為36 690 N/m2的面荷載。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)中的高巨型轉(zhuǎn)換梁自重非常大，屬于恒荷載起控制作用的，其計(jì)算公式為：1.35×1 m高鋼筋混凝土梁的自重+1.4×施工荷載×0.7。圖2即是荷載布置的示意圖，圖中箭頭指示出荷載作用的方向。除此之外，整個(gè)模型的部件均布置有自重荷載。

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 轉(zhuǎn)換梁首層澆筑

轉(zhuǎn)換梁首層澆筑高度為1 m，模型中使用的是φ48×3.5鋼管腳手架，其計(jì)算長度為2.402 m，通過計(jì)算并查閱GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，可知其軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)為0.331，將厚度低于16 mm的Q235鋼的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215 MPa乘以穩(wěn)定系數(shù)0.331，得到控制強(qiáng)度71.165 MPa。

圖3為轉(zhuǎn)換梁首層澆筑完成后支撐體系的應(yīng)力云圖，由圖3可以看出，支撐體系的MISES應(yīng)力最大為65.71 MPa，小于根據(jù)規(guī)范計(jì)算到的鋼管控制強(qiáng)度，在施工階段可以滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4和圖5分別為首層澆筑后下層樓板和混凝土梁的最大主應(yīng)力圖，從圖中可以看出，轉(zhuǎn)換梁首層澆筑后支撐下樓板的大部分區(qū)域混凝土的最大主應(yīng)力在1 MPa以下，柱下區(qū)域的樓板屬于施工中的薄弱區(qū)域，其主應(yīng)力也都在1 MPa左右，最大主應(yīng)力位置出現(xiàn)在前部電梯井附近，最大值為1.65 MPa，小于轉(zhuǎn)換梁混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.71 MPa，因此，轉(zhuǎn)換梁首層澆筑后樓板及混凝土梁在施工澆筑階段的安全性是可以得到保證的。

2.2 第二層澆筑

第二澆筑層高度為2 m，此時(shí)考慮第一澆筑層混凝土的承載能力，其彈性模量偏保守地乘以折減系數(shù)0.9，第二澆筑層以布置在第一澆筑層大小為70 440 N/m2的面荷載進(jìn)行模擬。

根據(jù)GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中的規(guī)定，當(dāng)預(yù)制層高度不足全截面高度40%時(shí)，澆筑疊合層時(shí)，不宜拆除模板下的支撐。經(jīng)過驗(yàn)算，本文預(yù)制可以獨(dú)自承擔(dān)上部混凝土荷載，但由于腳手架的剛度較大，支撐會(huì)抑制預(yù)制層的豎向變形，所以支撐所受壓力較首層澆筑時(shí)略有上升，絕大部分支撐的MISES應(yīng)力在56 MPa以下，如圖6所示，有個(gè)別MISES應(yīng)力超過70 MPa的支撐，由圖7可以看出，首層混凝土絕大部分的最大主應(yīng)力在1.8 MPa以下，不會(huì)產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，可能出現(xiàn)受拉破壞的部位集中在電梯井局部區(qū)域，可以在局部臨時(shí)增設(shè)支撐以及少量的構(gòu)造配筋分擔(dān)荷載，防止混凝土受拉破壞。如圖8所示，支撐下樓板所受最大主應(yīng)力最大值為1.60 MPa，小于抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，混凝土不會(huì)產(chǎn)生裂縫。

2.3 第三層澆筑

實(shí)際施工中第三層混凝土澆筑施工在第二層澆筑完成20 d后，澆筑高度為1.5 m，第一層混凝土已成形40 d，認(rèn)為混凝土強(qiáng)度已達(dá)標(biāo)準(zhǔn)值，故不再對(duì)其彈性模量進(jìn)行折減。根據(jù)本文前述的理論，彈性模量乘以折減系數(shù)0.9。此時(shí)第一、二澆筑層均被視為預(yù)制層，則預(yù)制層高度達(dá)3 m，為總截面高度4.5 m的67%，第三澆筑層施工前將轉(zhuǎn)換梁下部支撐全部拆除。

從圖9中可以看出，第一、二澆筑層的混凝土絕大部分最大主應(yīng)力在1.16 MPa以下，最大主應(yīng)力的最大值為1.51 MPa，小于其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1.71 MPa；如圖10所示，第一、二澆筑層的混凝土最小主應(yīng)力最大為6.85 MPa，小于其抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值14.3 MPa，因此，在第三澆筑層施工過程中，轉(zhuǎn)換層混凝土沒有發(fā)生破壞，柱群所受第三主應(yīng)力的最大值僅為5.69 MPa，如圖11所示，遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)其抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，結(jié)構(gòu)的安全性可以得到保證。

3 結(jié)語

轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)作為高層建筑的關(guān)鍵區(qū)域，實(shí)際受力狀態(tài)與設(shè)計(jì)、施工過程緊密聯(lián)系，通過ABAQUS軟件對(duì)馬來西亞某大廈高巨型轉(zhuǎn)換梁疊合澆筑施工全過程的模擬和分析，可以得出以下結(jié)論：1)高巨型轉(zhuǎn)換梁采用疊合澆筑法施工過程中混凝土和支撐系統(tǒng)在施工階段均可以滿足設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)整體的安全性可以得到保證。2)轉(zhuǎn)換梁首層澆筑高度及支撐的位置是施工安全的關(guān)鍵，柱下及電梯井等區(qū)域的下層樓板屬于施工中的薄弱區(qū)域，局部應(yīng)力可能達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，因此，應(yīng)在變化較大區(qū)域增加支撐數(shù)量并且增加構(gòu)造配筋。3)采用層疊澆筑法施工，為了優(yōu)化荷載傳遞，預(yù)制層高度達(dá)到總截面高度的67%時(shí)即可拆除部分或全部支撐，充分發(fā)揮先澆筑部分混凝土的承載能力。

[1] 李如男.型鋼混凝土梁式轉(zhuǎn)換層施工過程力學(xué)分析[J].低溫建筑技術(shù),2014(5):80-83.

[2] 蔣海波.轉(zhuǎn)換層厚板疊合澆筑施工分析[J].工程結(jié)構(gòu),2009,29(6):132-134.

[3] 楊 鵬.轉(zhuǎn)換層疊合澆筑法施工構(gòu)件的受力性能分析及受力裂縫控制[J].工程施工技術(shù),2009(4):111-115.

[4] 袁政強(qiáng)，支桂紅，向 皓.型鋼混凝土桁架轉(zhuǎn)換層的監(jiān)控與分析[J].后勤工程學(xué)院學(xué)報(bào),2011,27(2):1-6.

[5] 唐興榮.高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.

[6] 李光耀，楊成林.型鋼混凝土組合梁懸掛式支撐體系研究[J].施工技術(shù),2013,42(20):83-85.

[7] 湯美清.高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)施工技術(shù)分析[J].甘肅聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào),2011(1):59-61.

[8] 陳水泊.疊合澆筑法在高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層施工中的應(yīng)用[J].福建建設(shè)科技,2002(3):30-53.

Finite element analysis of superimposed pouring for the high-giant transfer beam

Zhao Lingzhi

(TianjinArchitecturalDesign&IdentificationInstitute,Tianjin300381,China)

A transfer floor of a high-giant building construction in Malaysia was simulated with finite element software to research the construction of superimposed pouring method. The two cases were calculated and analyzed, one-time puring completed and superimposed pouring. The internal force and deformation of structure, such as transfer beam, supporting system and structure under floor was calculated for comparison. According to the entire process simulation, the recommendations of design and construction for the high-giant building construction transfer floor was been proposed.

transfer beam, superimposed pouring, FEM, stress analysis, structural deformation

1009-6825(2015)16-0069-02

2015-03-27

趙領(lǐng)志(1976- )，男，高級(jí)工程師

TU761

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