侯義芬 李 志 邵志兵 葉文啟

中天建設(shè)集團(tuán)有限公司 浙江 杭州 310008

在建筑結(jié)構(gòu)中，一般將凸窗的窗戶安裝在上下兩塊挑出的鋼筋混凝土板之間。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中，一般將挑板、窗兩側(cè)墻垛甚至結(jié)構(gòu)墻、梁相組合，不同的預(yù)制組合形成了不同的預(yù)制凸窗做法[1]。在裝配式建筑發(fā)展初期，出于對預(yù)制構(gòu)件成本的考慮，平板式預(yù)制凸窗是比較常見的預(yù)制凸窗做法。但在實際施工中，平板式預(yù)制凸窗存在著模板無法拆卸再利用、現(xiàn)澆混凝土工作量大以及工業(yè)化程度低等問題。本文結(jié)合現(xiàn)場實際案例，對平板式預(yù)制凸窗進(jìn)行優(yōu)化研究，在解決已有問題的同時，對新發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行積極的探索，直至得到最優(yōu)的預(yù)制凸窗形式。同時，利用有限元軟件Abaqus對優(yōu)化后的凸窗形式進(jìn)行受力分析，驗證其受力是否安全可靠，為后續(xù)項目提供參考。

1 平板式預(yù)制凸窗

1.1 構(gòu)造及節(jié)點形式

當(dāng)凸窗的建筑立面與普通窗洞墻相同時，可以將此處的預(yù)制構(gòu)件做成平板式預(yù)制凸窗。平板式預(yù)制凸窗的構(gòu)造形式為：構(gòu)件甩出上下挑板鋼筋，上下挑板現(xiàn)場進(jìn)行支模澆筑（圖1）。平板式預(yù)制凸窗通過甩出上下挑板鋼筋并錨固在內(nèi)部的現(xiàn)澆梁中受力，其節(jié)點形式如圖2所示。

圖1 平板式預(yù)制凸窗

圖2 平板式預(yù)制凸窗連接節(jié)點

1.2 問題分析

采用平板式預(yù)制凸窗，上下挑板需要現(xiàn)場進(jìn)行支模并澆筑混凝土。預(yù)制凸窗安裝完成后，下挑板位置形成了一個封閉的空間，該位置用于下挑板底部及現(xiàn)澆梁內(nèi)側(cè)支模的木模和鋼管無法拆卸，造成了大量周轉(zhuǎn)材料的浪費。平板式預(yù)制凸窗現(xiàn)場施工如圖3所示。

圖3 平板式預(yù)制凸窗現(xiàn)場施工

2 組合式預(yù)制凸窗

針對平板式預(yù)制凸窗存在的下挑板底部及現(xiàn)澆梁內(nèi)側(cè)模板、鋼管無法取出而造成的材料浪費問題，對平板式預(yù)制凸窗進(jìn)行設(shè)計形式的優(yōu)化，可以優(yōu)化為組合式預(yù)制凸窗。

2.1 構(gòu)造及節(jié)點形式

組合式預(yù)制凸窗是在平板式預(yù)制凸窗的基礎(chǔ)上進(jìn)行部分修改：把下挑板位置伸出鋼筋改為預(yù)留牛腿，下挑板單獨在工廠預(yù)制加工，上挑板位置維持預(yù)留鋼筋不變（圖4）。組合式預(yù)制凸窗通過甩出上挑板鋼筋并錨固在內(nèi)部現(xiàn)澆梁中受力，而下挑板不伸出鋼筋，僅擱置于預(yù)制凸窗和現(xiàn)澆梁的牛腿上，節(jié)點形式如圖5所示。

圖4 組合式預(yù)制凸窗

圖5 組合式預(yù)制凸窗連接節(jié)點

2.2 優(yōu)化內(nèi)容

采用組合式預(yù)制凸窗，下挑板是在工廠里預(yù)制完成的，無需現(xiàn)場進(jìn)行支模澆筑；同時，預(yù)制下挑板在同層結(jié)構(gòu)混凝土澆筑完成后再進(jìn)行安裝，避免了現(xiàn)澆梁內(nèi)側(cè)模板無法取出的情況。因此，組合式預(yù)制凸窗解決了平板式預(yù)制凸窗模板及鋼管無法取出的問題，避免了周轉(zhuǎn)材料的浪費。組合式預(yù)制凸窗現(xiàn)場施工如圖6所示。

圖6 組合式預(yù)制凸窗現(xiàn)場施工

2.3 受力分析

利用有限元軟件Abaqus對優(yōu)化后的組合式預(yù)制凸窗進(jìn)行受力分析。

1）模型介紹。凸窗質(zhì)量為6.5 t，混凝土強(qiáng)度為C30，其上挑板的頂筋和底筋均為φ10 mm@150 mm，HRB400。在模型中，混凝土采用C3D8R實體單元，鋼筋采用T3D2桁架單元[2]。同時，把預(yù)制凸窗簡化為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)單元，通過耦合作用，對該結(jié)構(gòu)單元施加重力場（圖7），分析上挑板與現(xiàn)澆梁的受力情況。

圖7 組合式預(yù)制凸窗模型

2）結(jié)果分析。通過Abaqus對模型進(jìn)行受力計算，結(jié)果如下：應(yīng)力和應(yīng)變集中在凸窗上挑板與現(xiàn)澆梁的上表面交界處，鋼筋的最大應(yīng)力為132.2 MPa，達(dá)到屈服強(qiáng)度的33.1%。應(yīng)力和應(yīng)變分布情況分別如圖8、圖9所示。通過分析可知：組合式預(yù)制凸窗的受力和變形均滿足要求，是安全可靠的。

圖8 組合式預(yù)制凸窗鋼筋應(yīng)力

圖9 組合式預(yù)制凸窗混凝土應(yīng)變

2.4 尚存問題

組合式預(yù)制凸窗雖然解決了平板式預(yù)制凸窗存在的模板及鋼管無法拆卸再利用的問題，但是其上挑板仍需現(xiàn)場進(jìn)行支模澆筑混凝土，且下挑板擱置處的現(xiàn)澆梁內(nèi)側(cè)還需增設(shè)相應(yīng)的牛腿，從而增加了現(xiàn)澆梁的支模難度。同時，預(yù)制下挑板還要在工廠里單獨進(jìn)行預(yù)制，后期還要進(jìn)行二次安裝，增加了現(xiàn)場安裝的工作量。

3 上下挑板式預(yù)制凸窗

針對組合式預(yù)制凸窗存在的上挑板現(xiàn)場支模澆筑混凝土，現(xiàn)澆梁增設(shè)牛腿以及下挑板二次安裝的問題，對組合式預(yù)制凸窗進(jìn)行設(shè)計形式的優(yōu)化，可以優(yōu)化為上下挑板式預(yù)制凸窗。

3.1 構(gòu)造及節(jié)點形式

上下挑板式預(yù)制凸窗的構(gòu)造形式為：外側(cè)窗洞墻連同上下挑板整體預(yù)制，上下層挑板間墻體現(xiàn)場后砌（圖10）。上下挑板式預(yù)制凸窗通過預(yù)制上下挑板甩出鋼筋錨固在內(nèi)部現(xiàn)澆梁中受力，其節(jié)點形式如圖11所示[3]。

圖10 上下挑板式預(yù)制凸窗

圖11 上下挑板式預(yù)制凸窗連接節(jié)點

3.2 優(yōu)化內(nèi)容

采用上下挑板式預(yù)制凸窗，其上下挑板是和外側(cè)墻體一起預(yù)制成形的，因此，它相比組合式預(yù)制凸窗減少了上挑板支?，F(xiàn)澆混凝土以及下挑板二次安裝的工作量，現(xiàn)澆梁內(nèi)側(cè)也不需要額外增設(shè)牛腿。同時，它和組合式預(yù)制凸窗一樣，能夠保證現(xiàn)澆梁內(nèi)側(cè)模板的拆卸再利用。上下挑板式預(yù)制凸窗現(xiàn)場施工如圖12所示。

圖12 上下挑板式預(yù)制凸窗現(xiàn)場施工

3.3 受力分析

1）模型介紹。在組合式預(yù)制凸窗的模型基礎(chǔ)上，增加下挑板，下挑板的配筋與上挑板相同，模型中的其余參數(shù)保持不變。

2）結(jié)果分析。通過對模型進(jìn)行受力分析，結(jié)果如下：應(yīng)力和應(yīng)變集中在凸窗上、下挑板與現(xiàn)澆梁的上表面交界處，鋼筋的最大應(yīng)力為22.3 MPa，達(dá)到屈服強(qiáng)度的5.6%。應(yīng)力和應(yīng)變分布情況分別如圖13、圖14所示。通過分析可得：上下挑板式預(yù)制凸窗的受力和變形均滿足要求，是安全可靠的，且其應(yīng)力和應(yīng)變遠(yuǎn)小于組合式預(yù)制凸窗。

圖13 上下挑板式預(yù)制凸窗鋼筋應(yīng)力

圖14 上下挑板式預(yù)制凸窗混凝土應(yīng)變

3.4 尚存問題

上下挑板式預(yù)制凸窗雖然解決了組合式預(yù)制凸窗上述所說的施工問題，但是限制了其外側(cè)墻體的構(gòu)造做法。為了保證現(xiàn)澆梁內(nèi)側(cè)的模板能夠拆卸再利用，上下層挑板之間的墻體必須采用二次后砌的做法。因此，待一次結(jié)構(gòu)完成之后，現(xiàn)場還需對上下層挑板之間的墻體進(jìn)行二次砌筑，不僅影響現(xiàn)場施工效率，而且也不符合高度集成的裝配式工業(yè)化發(fā)展方向。

4 PCF式預(yù)制凸窗

針對上下挑板式預(yù)制凸窗存在的上下層挑板之間墻體需二次后砌的問題，對上下挑板式預(yù)制凸窗進(jìn)行設(shè)計形式的優(yōu)化，可以優(yōu)化為PCF式預(yù)制凸窗。

4.1 構(gòu)造及節(jié)點形式

PCF式預(yù)制凸窗，是在上下挑板式預(yù)制凸窗的基礎(chǔ)上，在凸窗上下挑板位置增加上下外葉，形成一塊整體預(yù)制的立體構(gòu)件（圖15）。PCF式預(yù)制凸窗和上下挑板式預(yù)制凸窗均通過預(yù)制上下挑板甩出鋼筋錨固在內(nèi)部現(xiàn)澆梁中，兩種預(yù)制凸窗的受力形式相同，因此，不再對PCF式預(yù)制凸窗進(jìn)行受力分析。PCF式預(yù)制凸窗的連接節(jié)點形式如圖16所示。

圖15 PCF式預(yù)制凸窗

圖16 PCF式預(yù)制凸窗連接節(jié)點

4.2 優(yōu)化內(nèi)容

采用PCF式預(yù)制凸窗，上下挑板位置的外葉充當(dāng)了內(nèi)部現(xiàn)澆梁的模板，因此，現(xiàn)場既不需要支設(shè)上下挑板的模板，也不需要支設(shè)現(xiàn)澆梁內(nèi)側(cè)的模板，也就不存在模板無法取出的情況。在此基礎(chǔ)上，PCF式預(yù)制凸窗可以將外側(cè)墻體整體預(yù)制，解決了上下挑板式預(yù)制凸窗還需二次砌筑外側(cè)墻體的問題，減少了現(xiàn)場后做的工作量，提升了現(xiàn)場的施工效率。同時，PCF式預(yù)制凸窗是高度集成化的預(yù)制構(gòu)件，它大大減少了現(xiàn)場的“濕”作業(yè)，把各部件放在工廠里進(jìn)行集成加工，與裝配式工業(yè)化發(fā)展方向相契合。PCF式預(yù)制凸窗現(xiàn)場施工如圖17所示。

圖17 PCF式預(yù)制凸窗現(xiàn)場施工

5 結(jié)語

本文結(jié)合現(xiàn)場實際施工案例，對平板式預(yù)制凸窗的做法進(jìn)行層層優(yōu)化，并利用有限元軟件Abaqus對優(yōu)化后的做法進(jìn)行受力分析，得出以下結(jié)論：

1）平板式預(yù)制凸窗因其在施工中存在材料浪費、現(xiàn)場工作量大等弊端，已經(jīng)不能滿足裝配式工業(yè)化的發(fā)展需求。

2）根據(jù)受力計算可得：3種優(yōu)化后的預(yù)制凸窗形式，其受力和變形均滿足要求，但相比組合式預(yù)制凸窗，上下挑板式預(yù)制凸窗和PCF式預(yù)制凸窗受力更加合理。

3）通過對平板式預(yù)制凸窗的層層優(yōu)化研究，確定最優(yōu)的預(yù)制凸窗形式為PCF式預(yù)制凸窗。該形式的凸窗規(guī)避了其他類型凸窗存在的各類問題，同時也是高度集成化的預(yù)制構(gòu)件，能夠大大減少現(xiàn)場的施工作業(yè)，提升現(xiàn)場施工效率。同時，它也與裝配式工業(yè)化發(fā)展方向相契合。

通過對凸窗預(yù)制形式的優(yōu)化研究，可以為后續(xù)項目預(yù)制凸窗的設(shè)計提供參考。