王仕琪
(廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州510010)
某項(xiàng)目生活區(qū)主要建筑物有宿舍樓、綜合樓等,其建筑用途與常規(guī)住宅、辦公樓相同,層高為3.0~3.5 m。考慮施工工期要求及當(dāng)?shù)厥┕に?,采用預(yù)裝配式進(jìn)行設(shè)計(jì),整體采用柱-梁式框架結(jié)構(gòu)。框架柱采用全高整體預(yù)制,梁采用半預(yù)制疊合受力梁,樓板采用標(biāo)準(zhǔn)做法的鋼筋桁架混凝土疊合板。
目前各地裝配式建筑采用的柱主要整體預(yù)制混凝土柱、鋼管柱等。整體預(yù)制混凝土柱自重大,吊裝相當(dāng)困難,上下柱分節(jié)連接時(shí),依靠注漿錨固的方式使之連接,其構(gòu)件承載力性能大打折扣,也使其地震等不可預(yù)計(jì)災(zāi)害下,增加危險(xiǎn)因素。而鋼管柱造價(jià)則較高,其使用過程中,必須定期維護(hù)及檢修,使得其應(yīng)用于高層住宅時(shí),其可行性降低,也不符合使用要求[1]。
對此本工程創(chuàng)新性地采用一種裝配式帶鋼連接件的預(yù)制混凝土柱,通過相鄰節(jié)預(yù)制混凝土柱之間的裝配來實(shí)現(xiàn)多節(jié)預(yù)制混凝土柱之間的快速連接。本裝配式帶鋼連接件的預(yù)制混凝土柱,由鋼連接件的框架結(jié)構(gòu)和澆筑在連接處中的混凝土組成,鋼連接件包括埋在預(yù)制混凝土柱中的箱型鋼管及焊接在箱型鋼管四邊的牛腿角鋼(見圖1)。
圖1 帶鋼連接件的預(yù)制混凝土柱的結(jié)構(gòu)形式Fig.1 Structural Form of Prefabricated Concrete Column with Steel Connector (mm)
其中,梁下端箱型鋼管豎向穿插預(yù)制鋼筋混凝土梁,梁下端箱型鋼管的上部從預(yù)制鋼筋混凝土梁伸出,頂端具有上部柱連接環(huán)板,梁下端箱型鋼管的中部側(cè)面焊接有牛腿,用于連接預(yù)制鋼筋混凝土梁,梁下端箱型鋼管的下部插入鋼筋骨架內(nèi)。梁上端箱型鋼管位于預(yù)制混凝土柱的下部,梁上端箱型鋼管的上部插入鋼筋骨架內(nèi),底端具有下部柱連接環(huán)板,下部柱連接環(huán)板用于與下一節(jié)的預(yù)制混凝土柱的上部柱連接環(huán)板相連接,從而實(shí)現(xiàn)上下相鄰的兩節(jié)預(yù)制混凝土柱之間的裝配連接,上下端均設(shè)置有梁箱型鋼管中心開設(shè)的混凝土灌漿孔以及側(cè)面開設(shè)的混凝土灌漿槽組成的灌漿通道,連接完成后在灌漿孔注漿以實(shí)現(xiàn)混凝土澆筑通道的連通,由此實(shí)現(xiàn)多節(jié)預(yù)制混凝土柱的快速連接。
采用大型非線性有限元分析軟件ABAQUS 對上述帶鋼連接件的預(yù)制混凝土柱進(jìn)行計(jì)算分析(見圖2)[2-8],模擬該帶鋼連接件的預(yù)制混凝土柱在現(xiàn)場預(yù)制構(gòu)件安裝完成后的受力工況(工況1),以及正常使用工況(工況2)下的受力情況[9-10]。其中型鋼采用殼單元模擬,混凝土采用損傷模型實(shí)體單元模擬;混凝土強(qiáng)度等級、柱截面尺寸(400 mm×400 mm)、等均按結(jié)構(gòu)施工圖進(jìn)行建立。
圖2 ABAQUS有限元模型Fig.2 ABAQUS Finite Element Model
根據(jù)有限元軟件的分析結(jié)果(見圖3~圖4),在現(xiàn)場預(yù)制構(gòu)件安裝完成后的工況下(自重工況),預(yù)制混凝土柱中的鋼構(gòu)件,最大MISES 應(yīng)力為36.9 N/mm2,遠(yuǎn)低于Q355 型鋼的設(shè)計(jì)應(yīng)力,柱身混凝土未出現(xiàn)受壓損傷,構(gòu)件處于安全受力階段。在正常使用階段(1.3 恒+1.5 活),預(yù)制混凝土柱中的鋼構(gòu)件最大MIS?ES 應(yīng)力為182.4 N/mm2,柱鋼筋的最大MISES 應(yīng)力為93.7 N/mm2,仍低于Q355 型鋼及三級鋼筋的設(shè)計(jì)應(yīng)力,預(yù)制混凝土柱仍處于合理受力階段。
圖3 工況1下型鋼的應(yīng)力和混凝土受壓損傷剖面Fig.3 Stress of Section Steel and Profile of Concrete Compression Damage under Condition 1
圖4 工況2下型鋼和鋼筋的應(yīng)力Fig.4 Stress of Section Steel and Reinforcement under Condition 2
從分析結(jié)果可以看出,帶鋼連接件的預(yù)制混凝土柱受力性能滿足要求,通過型鋼參與受力,進(jìn)一步提高框架柱的受力性能;同時(shí)通過預(yù)制構(gòu)件時(shí)預(yù)留鋼連接件,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場裝配施工時(shí)的快速連接,提高施工裝配速度,進(jìn)一步推動(dòng)建筑產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。
上述帶鋼連接件的預(yù)制混凝土柱的施工方法,其特征在于包括以下步驟:
⑴步驟一:預(yù)先在工廠制備預(yù)制混凝土柱的各拼裝件,將需要拼接的預(yù)制混凝土柱的柱連接環(huán)板焊接到相應(yīng)的箱型鋼管上;主要包括豎直設(shè)置的空心筒形的鋼筋骨架,將梁下端箱型鋼管的下部插入鋼筋骨架內(nèi),該箱型鋼管具有與鋼筋骨架相貫通的混凝土灌漿通道;梁上端箱型鋼管的上部插入鋼筋骨架1內(nèi),底端焊接有下部柱連接環(huán)板,上下部的環(huán)板均為矩形環(huán)板,并開設(shè)有螺栓孔。
⑵步驟二:將步驟一制備的各預(yù)制混凝土柱的拼裝件運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場進(jìn)行安裝定位并拼接固定,形成預(yù)制混凝土柱的鋼框架結(jié)構(gòu),完成框架結(jié)構(gòu)的施工。
⑶步驟三:將混凝土澆注到框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)腔中,形成帶有鋼連接件的預(yù)制混凝土柱。
該預(yù)制混凝土柱結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)固,通過相鄰節(jié)預(yù)制混凝土柱之間的裝配來實(shí)現(xiàn)多節(jié)預(yù)制混凝土柱之間的快速連接,上下端連接構(gòu)件的箱型鋼管的尺寸可根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果選擇,根據(jù)也可將其通長布置,參與受力,進(jìn)一步提高框架柱的性能。采用裝配式連接方式能夠免支撐施工,施工方便,可以大大減少施工時(shí)間,縮短施工周期。
二次澆注鋼構(gòu)架混凝土梁在本工程的裝配式施工中成功運(yùn)用,取得了較好的成果,其組合特性使其可根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)布置方案,進(jìn)行靈活分段。在裝配式中使用可以有效加速建設(shè)速度,減低建設(shè)成本??稍谄渌こ添?xiàng)目中作為參考。