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        裝配箱混凝土空心樓蓋施工技術及有限元分析

        2022-12-07 07:52:18陳莎丹
        科學技術創(chuàng)新 2022年34期
        關鍵詞:樓蓋空心底板

        陳莎丹

        (浙江省東陽市南方建筑工程有限公司,浙江 東陽 322100)

        目前建筑行業(yè)解決大跨度混凝土建筑剛度不足、結構開裂問題的常用方法有三種,其一是施加預應力使樓蓋產(chǎn)生反向內(nèi)力,達到抵消彎沉、防止開裂的效果,但是增加了工程量;其二是使用由高強度輕質(zhì)材料組成截面形式的樓蓋,在減輕自重的同時又能提高剛度,但是成本較高;其三是將上述兩種技術的優(yōu)勢相結合,其中應用效果較好的是裝配箱混凝土空心樓蓋。當然,要想真正發(fā)揮裝配箱混凝土空心樓蓋的應用效果,必須要落實精細化的施工管理。在工程設計環(huán)節(jié),借助于特定的軟件開展有限元分析,對施工參數(shù)進行優(yōu)化,完善設計方案;在工程施工環(huán)節(jié),從模板工程、鋼筋工程以及混凝土工程等各處細節(jié)上加強技術控制,保證工程高質(zhì)量建設完成。

        1 工程概況

        某博物館總建筑面積47 056.1 m2,總高度24.8 m,共6 層。其中負1 層為地下室,地上5 層。該建筑主體部分為鋼筋混凝土框架結構,耐火等級II 級,抗震設防烈度8 級。根據(jù)功能不同,分為大廳、展覽區(qū)、辦公區(qū)、休息區(qū)四部分。其中,大廳與展覽區(qū)上方屋蓋統(tǒng)一采用裝配箱混凝土空心樓蓋體系。前者跨度為35.5 m×7.2 m,后者跨度為43.3 m×10.5 m。受力鋼筋選擇HRB400,混凝土強度等級為C40,預制裝配箱的頂板與底板上,均布置φ4 mm 雙向冷拔鋼絲網(wǎng)。裝配箱混凝土空心樓蓋主要由3 部分組成,分別是裝配箱、鋼筋骨架、密肋空腔樓蓋。

        2 裝配箱混凝土空心樓蓋的施工技術

        2.1 施工準備

        組成預制裝配箱的所有構件都必須執(zhí)行嚴格的進場檢驗。檢驗人員除了要核對構件的數(shù)量、類型、規(guī)格外,還要檢查產(chǎn)品有無生銹、裂縫等質(zhì)量問題,對于存在瑕疵的不得使用。裝配箱構件入場后,使用起重機完成吊裝。為保證吊裝作業(yè)的穩(wěn)定性和安全性,需要提前在地面上放置兩條直徑為60 mm 的鋼管,將2條鋼管分別置于裝配箱構件的左右兩側(cè)、距離邊緣100 mm 的位置[1]。然后使用鋼絲繩分別連接鋼管,最后啟動起重機將裝配箱構件緩緩吊起。整個吊裝裝置見圖1。

        2.2 施工流程

        完成現(xiàn)場施工準備工作后,開始鋪設底板模板,并依次完成模板檢查、布設裝配箱位置線、粘貼密封膠條等一系列工作,整個施工流程見圖2。

        2.2.1 布設模板,標記裝配箱位置線

        本次工程中經(jīng)過計算確定起拱高度為總跨度的1/500。底板模板鋪設完畢后,進行質(zhì)量驗收。確保模板對齊,接縫處無明顯裂縫,在通過驗收的底模板上彈出肋梁邊線,作為下一步放置裝配箱時的參考。彈線作業(yè)前,施工人員還需要重新核對軸線尺寸,經(jīng)檢查不存在問題后再進行彈線。使用記號筆在裝配箱暗箱所在位置劃線,提高箱體放置精度。

        2.2.2 粘貼密封膠條,涂刷脫模劑

        本次施工中,選擇已經(jīng)彈出的肋梁邊線作為參照物,垂直該線向內(nèi)移動25 mm,粘貼海綿雙面膠條[2]。海綿膠條填塞完成后,檢查底模板與箱體底板固定是否牢固,經(jīng)檢查確定符合施工要求后,在底模板與箱體底板上分別涂刷脫模劑。涂刷前注意清潔模板、底板表面的雜物,保證干凈后再使用毛刷蘸取適量的脫模劑,按照相同的方向涂刷。注意防止出現(xiàn)脫模劑流掛的現(xiàn)象,每個作業(yè)面均勻涂刷2 次,然后進行下一步驟的施工。

        2.2.3 安裝箱體底板,綁扎鋼筋

        由于裝配箱的底板和頂板受力情況不同,因此的箱體配筋布置也有所差異?,F(xiàn)場布設鋼筋時必須要根據(jù)圖紙,分別綁扎頂、底板的鋼筋,見圖3。

        現(xiàn)場施工按照先綁扎鋼筋、后放置板體的順序,要求所有板必須對準已經(jīng)畫好的標記線。吊裝的裝配箱構件在下放時,在塔吊操作人員和現(xiàn)場施工人員的溝通、配合下勻速、準確放置。底部的外邊緣需要與肋梁邊緣線完全重合。裝配箱就位前,施工人員再次檢查密封膠條是否牢固,以及有無破壞情況。

        裝配箱的底板、底板外伸筋與肋梁之間通常選擇綁扎方式固定。對于外伸到肋梁底筋下方的底板鋼筋,必須要采取向內(nèi)折彎處理,并且折彎半徑需要嚴格設計要求,避免彎曲度過大而導致肋梁主筋移位。為保證裝配箱混凝土構件的性能達標,需要在肋梁主筋、箍筋安裝時,設置一定厚度的保護層。其中,垂直方向上的保護層厚度較大,為25 mm;側(cè)向保護層的厚度偏小,為10 mm[3]。在肋梁鋼筋安裝作業(yè)中,要求將底板預留錨固鋼筋與肋梁主筋牢牢固定,兩者的構造見圖4。

        2.2.4 放置側(cè)壁,澆筑混凝土

        本次工程中使用的裝配箱側(cè)壁為玻鎂板,其主要成分為高純氧化鎂、優(yōu)質(zhì)氯化鎂、抗堿玻纖布等,在實際應用中表現(xiàn)出良好耐火性、耐腐蝕性。工程中使用的玻鎂板主要有2 種型號,即2 440 mm×1 820 mm×12 mm 和1 820×900 mm×6 mm。其主要性能參數(shù)見表1。

        表1 玻鎂板的性能參數(shù)

        側(cè)壁安裝結束后,根據(jù)裝配箱的施工圖紙,繼續(xù)進行頂板安裝。現(xiàn)場施工人員注意檢查頂板預留鋼筋是否平直,然后使用工具將預留鋼筋做成向下的彎鉤,并與肋梁主筋連接、固定。整個裝配箱的樓蓋施工順序見圖5。

        2.2.5 混凝土的養(yǎng)護與模板的拆除

        根據(jù)設計好的配合比現(xiàn)場制備混凝土,混凝土經(jīng)檢查無質(zhì)量問題后開始澆筑作業(yè)。按照垂直于主龍骨的方向有序澆筑,肋梁位置處的混凝土在澆筑厚度達到50 cm 后,立即使用插入式振搗器予以振搗。振搗作業(yè)中注意必要觸碰到裝配箱的底板與側(cè)壁。為避免混凝土水分過快蒸發(fā)出現(xiàn)干縮裂縫,應當在澆筑至標高后使用塑料薄膜進行覆蓋。然后進行不少于28 d的養(yǎng)護,養(yǎng)護期結束后檢查混凝土性能,等到實測強度達到設計強度的95%以上后即可拆除模板[4]。模板的拆除作業(yè)必須遵循“先支后拆、后支先拆,先拆不承重、后拆承重”的原則,保證混凝土結構的穩(wěn)定性。

        3 裝配箱混凝土空心樓蓋的有限元分析

        3.1 基于ANSYS 軟件的模型構建

        本次工程選擇土木行業(yè)常用的有限元分析軟件ANSYS 進行模型構建并展開分析。其中,構建模型主要分為3 步:

        第一步是定義單元類型。選擇ANSYS 軟件中的Solid70 單元,該單元適用于巖石、混凝土等抗壓能力遠大于抗拉能力的材料開發(fā),根據(jù)設計需要能夠模擬混凝土自身以及混凝土內(nèi)部鋼筋的拉裂、壓潰情況。從Solid70 單元中選擇整體式配筋模型,在該模型中鋼筋被均勻分布到整個單元中,因此可以將單元看做成連續(xù)的、均勻的材料。在此基礎上選擇以下公式表示該單元的剛度矩陣[K]:

        上式中,[B]和[D]分別表示混凝土與鋼筋對單元剛度的貢獻??紤]到鋼筋在等效分布下,其彈性模量(E)會根據(jù)應力狀態(tài)的改變而改變,因此上式中[D]可以通過下式求得:

        上式中ρx、ρy、ρz分別表示鋼筋在x、y、z 方向上的配筋率。

        第二步是定義材料參數(shù)。根據(jù)施工設計方案輸入材料參數(shù),例如長跨、短跨的數(shù)值,樓蓋結構的高度,以及裝配箱尺寸、肋梁的截面尺寸等。

        第三步在前兩步的基礎上構建模型??蛇x擇的模型構建方法有映射網(wǎng)格劃分法、自由網(wǎng)格劃分法。

        本文選擇后一種,可適用于一些結構比較復雜的模型,保證網(wǎng)格劃分滿足拓撲關系,提高模型精度。劃分網(wǎng)格后,還要賦予各單元的屬性,并設置邊界條件以及施加荷載。

        3.2 模型的有限元分析

        在模型上施加一個4 kN/m2的均布面荷載,模擬裝配箱混凝土空心樓蓋在正常使用狀態(tài)下的受力情況??梢园l(fā)現(xiàn)該模型各處部位在垂直方向上發(fā)生位移。其中,最大位移出現(xiàn)在跨中位置,位移量20.3 mm;最小位移出現(xiàn)在柱位置,位移量-2.6 mm。參考《混凝土結構設計規(guī)范》(GB50010-2010),樓蓋等受彎構件實際跨度>9 m 時,其垂直方向的位移極限不得超過L/300。本次工程中最大跨度78.8 m,所以該模型在垂直方向上允許的最大位移為78.8/300=0.263 m,即26.3 mm,而模擬分析中最大位移量為20.3 mm<26.3 mm,故該裝配箱混凝土空心樓蓋在正常使用狀態(tài)下的垂直位移符合規(guī)定中的安全要求[5]。

        4 結論

        現(xiàn)代大跨度建筑中使用裝配箱混凝土空心樓蓋,具有減輕結構自重、保證結構穩(wěn)定、提高施工效率等一系列優(yōu)點,因此得到了廣泛使用。在正式施工前,應使用ANSYS 軟件構建裝配箱混凝土空心樓蓋的三維模型并展開受力分析,根據(jù)分析結果優(yōu)化結構和參數(shù),在此基礎上完善施工方案。在實際施工中,還應強化質(zhì)量控制,圍繞整個施工流程,對其中的裝配箱底板與頂板安裝、混凝土澆筑與養(yǎng)護等關鍵工序,加強技術管控,才能確保裝配箱混凝土空心樓蓋的高質(zhì)量施工完成。

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