李志高,趙偉華,賈英杰
(1.建華建材(中國)有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江212000;2.北京交通大學土木建筑工程學院,北京100044)
該工程位于鄱陽湖濕地草原體驗區(qū)西山島,由江西省某研究院統(tǒng)一規(guī)劃和設計,采用輕型預制裝配式圓環(huán)形或圓柱形建筑設計,項目代號“圓夢小屋”。由于項目位于旅游區(qū),因此建筑部件需滿足人工搬運的重量限制、外立面的混凝土材質(zhì)體現(xiàn)、快速拼裝、安全可靠等要求。建華建材(中國)有限公司根據(jù)設計要求,參考國內(nèi)外類似項目的經(jīng)驗,結(jié)合自身生產(chǎn)能力,提供了一種多環(huán)式超高強度混凝土裝配式設計方案。文章就該方案的結(jié)構(gòu)形式、設計計算及試驗情況作簡要介紹。
“圓夢小屋”為多個圓形筒狀結(jié)構(gòu)組成的具有景觀效果的建筑物。由于該建筑位于山區(qū),施工中無法使用大型設備進場安裝,需將其拆分成足夠小的單片構(gòu)件以便于人工搬運,因此每片質(zhì)量不能超過60 kg且應易于施工安裝,而傳統(tǒng)的鋼筋混凝土構(gòu)件無法滿足上述要求,只有采用強度更高的超高強混凝土(以下簡稱UHPC)材料,才有可能制成較輕薄的構(gòu)件。UHPC采用最大密實理論模型進行混凝土配合比設計,原材料分別采用級配石英砂、硅酸鹽水泥及自主研發(fā)的UHPC專用摻合料、鋼纖維等,養(yǎng)護工藝采用90°C蒸汽養(yǎng)護48 h。經(jīng)實際測試,該UHPC的軸心抗壓強度 fc>130 MPa,抗折強度ff>18 MPa,軸心抗拉強度 ft>6.0 MPa,混凝土彈性模量Ec>48 GPa,氯離子擴散系數(shù)(RCM法)為1.8×10-14m2/s,90 d碳化深度為0。
另外,為了保證居住品質(zhì)的要求,小屋單管內(nèi)直徑不小于2 800 mm,進深6 000 mm。另外,為了體現(xiàn)景觀效果,小屋采用“2+1”的疊放組合形式。
經(jīng)測算,“圓夢小屋”單管內(nèi)直徑取2 900 mm,每管沿縱向劃分為12環(huán),每環(huán)長500 mm,在圓周方向上將圓環(huán)拆分為6片,每片弧長約1 535 mm。為了滿足重量要求、利用UHPC的高強度性能,環(huán)片的主要厚度設計為30 mm。單環(huán)截面尺寸如圖1所示。
圖1 單環(huán)截面尺寸
連接方面,環(huán)片之間通過鋼板和螺栓連接。為了便于環(huán)片在橫向和縱向上的連接以及增加成環(huán)后的整體剛度,連接點處的混凝土增厚至60 mm,形成加強肋(圖2)。縱向環(huán)與環(huán)之間也采用鋼板和螺栓連接,為了防止通縫的出現(xiàn),相鄰環(huán)之間沿環(huán)軸線旋轉(zhuǎn)30°,使小屋的環(huán)片形成齒形交錯的排布形式,如圖3所示。
圖2 單片尺寸示意
圖3 單管環(huán)片縱向組合示意
“2+1”組合拼裝時,下部兩環(huán)使用鋼制支座固定在地面上。支座托架為90°弧長的鋼板,與環(huán)片之間通過橡膠墊片壓緊在一起。上部單環(huán)與下部兩環(huán)之間通過支架組合在一起,支架與環(huán)片之間通過設置橡膠墊進行緩沖。如圖4所示。
圖4 “2+1”的組合形式
由于該方案結(jié)構(gòu)的特殊性,在初步設計時,通過有限元法對小屋單管進行結(jié)構(gòu)分析,進而確認UHPC混凝土力學性能指標能否滿足設計要求。有限元計算使用ANSYS軟件,采用實體建模的方式對結(jié)構(gòu)的整體變形、局部應力進行計算分析。
小屋單管環(huán)片采用UHPC混凝土材料,有限元計算中使用彈性本構(gòu)模型。材料彈性模量為4.5×104MPa、泊松比為0.2、密度為2.5×103kg/m3。
連接用螺栓、鋼板及支座、支架均為Q235B鋼材,采用彈性本構(gòu)模型。材料彈性模量2.0×105MPa、泊松比為0.3[1]、密度為7.85×103kg/m3。
橡膠墊片為超彈性材料,采用Mooney-Rivlin兩參數(shù)模型本構(gòu)[2],C10=0.52 MPa,C01=0.13 MPa。
建模尺寸與設計方案相同。為了降低建模的難度,螺栓與鋼板采用一體化建模,簡化了螺栓形式。
簡化后的螺栓模型省略了絲牙,因此螺栓與環(huán)片之間采用Bonded[3]接觸,假設兩者之間緊密連接,不會發(fā)生滑移和分離。
組裝完成的“圓夢小屋”為圓型截面,在荷載作用下環(huán)片之間會產(chǎn)生擠壓力,實際施工時環(huán)片之間縫隙使用水泥砂漿填充。因此在有限元計算時,環(huán)片之間的接觸面采用No Separation接觸,使環(huán)片之間可產(chǎn)生法向應力也可發(fā)生小滑移。
橡膠墊作為緩沖部件,與支座之間采用Bonded接觸,假設兩者之間不發(fā)生分離和滑移,與環(huán)片之間采用Rough接觸,若兩者之間有較大的摩擦力,即可發(fā)生微小的滑移。
計算荷載包括自重及外荷載兩種。自重荷載由材料密度和重力加速度經(jīng)程序自動計算得到,施加在整體模型上。外荷載情況較復雜,按照小屋“2+1”的組合形式,根據(jù)相關規(guī)范及業(yè)主的要求得到小 屋的荷載組合,見表1。
表1 小屋荷載取值
為了便于計算和施加荷載,按單管環(huán)片的等效最大彎矩,將“2+1”模式下的荷載組合轉(zhuǎn)換為最不利狀態(tài)單管的等效外荷載,經(jīng)計算得到單管頂部等效外荷載為60 kN。有限元模型計算中采用Force荷載直接施加在單管頂部。
支座底面采用Fixed Support邊界條件,約束所有自由度。計算過程共分為6個荷載步:第1個荷載步施加自重荷載,第2~6荷載步按每步增加12 kN逐漸增大外荷載,最終總荷載值達到60 kN。
在自重荷載作用下,小屋產(chǎn)生整體向下的變形,最大位移1.83 mm,位于管片的最上部,中間管片的變形比兩端管片的變形略小。
施加外荷載后,變形趨勢與自重荷載作用下變形基本一致。隨著荷載的增加位移逐漸增大,當荷載達到60 kN時,向下最大位移達到了8.74 mm。水平方向上的位移變形表現(xiàn)出了明顯的對稱性,小屋左右兩側(cè)各產(chǎn)生了4.99 mm的最大位移,最大處位于小屋水平中線靠上的位置。
小屋管片所受最大主應力約5.0 MPa,小于UHPC混凝土的極限抗拉強度。最大主應力的最大值位于支座附近管片的內(nèi)側(cè)加強肋處,同時頂部管片內(nèi)側(cè)所受拉應力也較大。
為了驗證計算結(jié)果的可靠性和實際結(jié)構(gòu)的安全性,建華建材(中國)有限公司對“圓夢小屋”的承載能力進行了試驗驗證。試驗體為足尺寸單管小屋,材料、尺寸及組裝方式均與設計方案一致。
由于管片結(jié)構(gòu)實際性能未知,出于安全需要,在試驗準備時采用鋼管腳手架對結(jié)構(gòu)內(nèi)部及周圍進行了支擋圍護。試驗中以堆放沙袋作為荷載的施加方式,堆放于小屋頂部的腳手架圍欄內(nèi)。
試驗測量指標為小屋管環(huán)外圍豎向尺寸及水平尺寸,同時在小屋縱向中間位置測量其橫向水平變形。初始加載荷載為每級0.6 kN/m2,做觀察后增加至每級1.2 kN/m2,每級加載后進行數(shù)據(jù)測量和記錄。
試驗中,前期每級加載后小屋的整體豎向變形及水平變形均在1 mm左右。當加載至5.4 kN/m2時,每級的豎向變形和水平變形增大到2~3 mm,加載至6.0 kN/m2、總荷載達到60 kN時,局部管片(兩側(cè)各一片)出現(xiàn)了細微水平裂縫,小屋頂部管片內(nèi)側(cè)鋼片外由漏漿形成的混凝土薄皮出現(xiàn)掉皮現(xiàn)象,加載過程中有響聲,停止加載結(jié)束試驗。試驗記錄見表2。
表2 “圓夢小屋”載荷試驗加載記錄
(1)有限元計算結(jié)果顯示,在自重及60 kN外荷載作用下,小屋在豎向上共發(fā)生8.74 mm的最大位移變形,橫向上共產(chǎn)生9.8 mm的最大位移變形。而載荷試驗結(jié)果表明,在自重及60 kN的堆載作用下,小屋在豎向上的最大位移變形平均值為9.5 mm,水平向的最大位移變形平均值為13 mm。通過對比有限元計算值和試驗結(jié)果,兩者擬合度較高,有限元模型比較好地反映了小屋結(jié)構(gòu)的實際性能。
(2)載荷試驗加載后的變形量及隔天后的測量結(jié)果顯示,小屋帶載狀態(tài)下變形量并未進一步增大。大部分UHPC管片外側(cè)無裂縫出現(xiàn),直接放置沙袋的管片區(qū)域也未出現(xiàn)肉眼可見的裂縫,表現(xiàn)出了較好的強度及抵抗變形的能力。
(3)有限元計算結(jié)果顯示,連接鋼板及螺栓在荷載作用下遠未達到屈服強度。載荷試驗中也未見其產(chǎn)生明顯的變形,各環(huán)拼接縫未見明顯加寬。
(4)有限元計算及試驗結(jié)果顯示,“圓夢小屋”的設計方案安全可行。在本次計算及試驗的基礎上,將會對“圓夢小屋”的設計進行進一步改進,以滿足不同使用功能和環(huán)境場地的項目需求。