劉弋博

（北京金隅程遠(yuǎn)房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，北京 100096）

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化水平的提高，高層建筑也在迅速向超高層建筑發(fā)展[1]。不同功能的高層建筑具有不同的結(jié)構(gòu)形式，這些結(jié)構(gòu)形式由不同的抗側(cè)力單元排列組合而成，具有不同的組成方式，在設(shè)計(jì)過程中的主要矛盾是結(jié)構(gòu)體系能否有足夠的強(qiáng)度來抵抗載荷[2]。

為滿足高層建筑低層商用活動的要求，需要建筑有較大的跨度，所以轉(zhuǎn)換梁業(yè)應(yīng)該具有相對大的跨度。轉(zhuǎn)換梁需要承擔(dān)上部分建筑的載荷，包括框架和剪力墻。當(dāng)建筑具有很多層數(shù)時，載荷較大會導(dǎo)致截面梁的尺寸過大，成為大截面梁。大截面梁在施工中存在混凝土水化熱過高的問題，內(nèi)外溫差會導(dǎo)致混凝土開裂，其載荷較大，腳手架的安全性也會下降，會造成坍塌事故。大截面梁由于尺寸較大，制作、運(yùn)輸和安裝都不夠方便。較大的跨度及較高的疊合梁自重將會引發(fā)施工過程中的各種問題，這是施工需要解決的難點(diǎn)。疊合梁的支撐系統(tǒng)要具有足夠的強(qiáng)度，并擁有足夠的承載能力。

1 現(xiàn)澆鋼筋混凝土疊合梁計(jì)算分析

疊合梁由于結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)較為明顯，已經(jīng)在高層民用建筑中得到了一定的應(yīng)用，主要表現(xiàn)在其具有較好的受力性能，和全預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)相比，疊合梁的整體結(jié)構(gòu)和抗震性能較好[3]?；炷怜B合結(jié)構(gòu)的二次受力特點(diǎn)減少了連接結(jié)構(gòu)制作截面的負(fù)彎矩和鋼筋的用量，降低了剛材的使用量和成本，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益[4]。但其也有一定的缺點(diǎn)，由于要進(jìn)行二次澆注，預(yù)制澆筑面和現(xiàn)澆筑面能否結(jié)合以及預(yù)制體和先澆筑體在很多方面的差異也會造成裂縫的出現(xiàn)，其中包括兩者強(qiáng)度等級上的差異，這會造成收縮尾差應(yīng)力的出現(xiàn)，進(jìn)而導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)[5]。

現(xiàn)澆鋼筋混凝土疊合梁在第一次澆筑成型的梁凝固硬化后，在其上面進(jìn)行第二次澆筑。整體截面示意圖如圖1 所示。

圖1 先澆鋼筋混凝土疊合梁截面示意圖

先澆截面的應(yīng)力圖以疊合截面為界，分為中和軸在上和在下2 種，示意圖如圖2 所示。當(dāng)先澆截面的截面高度較小時，應(yīng)力圖如圖2（a）、圖2（b）所示，先澆截面的受壓圖形會對疊合截面受拉圖形有影響。當(dāng)先澆截面高度較大時，先澆截面的受壓區(qū)處于疊合截面的受壓區(qū)內(nèi)，先澆截面對中和軸有影響，如圖2（c）所示。

根據(jù)材料力學(xué)可知，梁中鋼筋的應(yīng)力可由公式（1）計(jì)算。

式中：σs—鋼筋應(yīng)力（N/m2）；M—截面彎矩（N·m）；As—鋼筋配筋面積（m2）；h0—截面有效高度（m）；x—混凝土受壓區(qū)高度（m）。

由公式（1）可以看出，在受彎矩的情況下，先澆截面的高度如果保持不變，則第一階段作用載荷的增大將會導(dǎo)致疊合梁縱向受拉鋼筋的應(yīng)力隨之增大。由于先澆筑的梁承擔(dān)了載荷，第二階段澆筑的梁只需要承受疊合面上產(chǎn)生的壓應(yīng)力，所承受的力將會小于承受全部載荷的整澆梁，所以第二階段澆筑的混凝土存在應(yīng)力滯后的現(xiàn)象。

疊合梁和整澆梁一樣，都是在縱向受拉鋼筋進(jìn)入屈服階段后和后澆筑的混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變時被壓碎而造成破壞[6]。

在圖2（a）和圖2（b）中，中和軸在疊合面以上，雖然疊加截面的應(yīng)力圖、疊合截面的中和軸位于先澆截面的受壓區(qū)，但考慮疊合截面破壞仍是上部混凝土受壓造成的，下部中和軸對承載力沒有影響，因此上部中和軸是計(jì)算時考慮的重點(diǎn)，可按圖3 來確定中和軸高度。

圖2 疊合梁混凝土應(yīng)變圖形

圖3 應(yīng)變圖與應(yīng)力圖

當(dāng)中和軸在疊合面以下且澆筑截面的高度相對較大時，先澆截面部分受壓區(qū)位于疊合截面受壓區(qū)內(nèi)，先澆截面對截面的中和軸存在一定影響。中和軸可按圖4確定。將圖4（c）中現(xiàn)澆截面應(yīng)變圖形反向繪制出來即如圖4（a）所示。

對混凝土的應(yīng)力則存在2 種情況：1）疊合梁中先澆截面混凝土壓應(yīng)變εc1沒有達(dá)到抗壓強(qiáng)度應(yīng)變ε0且與后澆截面混凝土壓應(yīng)變εc2之和小于梁疊合后截面混凝土抗壓強(qiáng)度應(yīng)變ε0，即εc1＜ε0且εc1+εc2＜ε0。此時先澆截面受壓區(qū)混凝土達(dá)到的應(yīng)力為σc，疊合梁截面受壓區(qū)混凝土為fc，如圖4（c）所示。2）疊合梁中先澆截面混凝土壓應(yīng)變εc1達(dá)到抗壓強(qiáng)度應(yīng)變ε0且與后澆截面混凝土壓應(yīng)變εc2之和大于梁疊合后截面混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的應(yīng)變ε0，即εc1＞ε0且εc1+εc2＞ε0，如圖4（c）所示。

圖4 先澆截面較高時應(yīng)變與應(yīng)力圖

2 梁下支撐承載力分析

梁下支撐是必須要做的工作，它保障了疊合梁先澆筑截面施工時的安全，是施工的第一道防線[7]。主要有以下幾個方面主要包括如下方面：1）保障施工安全。在梁澆筑過程中，出于混凝土的質(zhì)量和澆筑過程中產(chǎn)生的振動等原因，梁很容易發(fā)生塌落或變形等事故。梁下支撐可以有效保障施工安全，避免梁的塌落和變形。2）保證梁的質(zhì)量。在梁澆筑過程中，如果沒有梁下支撐，混凝土可能會流出梁底部，導(dǎo)致梁底部的混凝土質(zhì)量下降，進(jìn)而影響梁的整體質(zhì)量。梁下支撐可以保證梁底部的混凝土質(zhì)量和整體質(zhì)量。3）保證施工進(jìn)度。如果沒有梁下支撐，梁的澆筑時間將延長，施工進(jìn)度會受到影響。而梁下支撐可以提高施工效率，縮短施工時間，保證施工進(jìn)度。 碗扣式腳手架是一種常用的建筑腳手架類型，它采用碗扣連接來固定立桿、橫桿和斜桿，進(jìn)而形成一個穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)。目前，我國對碗扣式腳手架的設(shè)計(jì)計(jì)算有以下規(guī)定：1）設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。腳手架的設(shè)計(jì)計(jì)算必須符合國家現(xiàn)行的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，例如《建筑施工腳手架安全技術(shù)規(guī)程》等。2）材料規(guī)定。腳手架所采用的材料必須符合國家現(xiàn)行的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，例如鋼管、鋼板等。3）計(jì)算方法。腳手架的設(shè)計(jì)計(jì)算必須采用靜力學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算時需要考慮腳手架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和剛度等因素。4）安全要求。腳手架的設(shè)計(jì)計(jì)算必須考慮安全因素，例如采取腳手架的防滑、防墜落等措施。目前我國對碗扣式腳手架的設(shè)計(jì)計(jì)算如公式（2）所示。

式中：γ0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；N——立桿的軸力設(shè)計(jì)值（N）；φ——軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)；λ——長細(xì)比，λ=l0/i；A——立桿的毛截面面積（m2）；f——鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N/m2）；l0——立桿計(jì)算長度（m）；i——截面回轉(zhuǎn)半徑（m）。

根據(jù)公式（2），立桿的橫截面是一個定值，軸力設(shè)計(jì)值N越大，立桿越容易發(fā)生失穩(wěn)。對軸力設(shè)計(jì)值的分析可以得知，可通過減少支撐上部的載荷來提高支撐的承載力。梁下支撐軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)是根據(jù)立桿長細(xì)比進(jìn)行取值的，長細(xì)比λ越大，穩(wěn)定系數(shù)φ越小，失穩(wěn)應(yīng)力越大，越容易失穩(wěn)。立桿計(jì)算長度的大小和支撐的步距有關(guān)，可通過減少支撐的步距來提高支撐的整體穩(wěn)定性。

現(xiàn)有梁截面為500m×1500m，共3 根立桿，采用疊合梁澆筑時，先澆筑1500m 梁高的下部分，等待混凝土100%凝固之后，再進(jìn)行上部分的澆筑。選擇不同梁下支撐跨距分別在不同步距和不同先澆截面高度上進(jìn)行梁下支撐穩(wěn)定性計(jì)算。疊合梁先澆截面高度選擇見表1。

表1 疊合梁現(xiàn)澆截面高度選擇

梁下支撐步距、跨距及先澆截面高度選擇見表2。

表2 梁下支撐步距、跨距及先澆截面高度選擇（m）

計(jì)算結(jié)果見表3~表6（帶有刪除線的數(shù)據(jù)不符合承載力的要求）。鋼材的屈服極限為205N/m2。0.9m 跨距下不存在不符合要求的數(shù)據(jù)，跨距為1.2m 時開始出現(xiàn)承載力超過205N/m2的情況和承載力不足的問題。隨著跨距的加大，承載力不足的占比越來越大。

表3 跨距為0.9m 時梁下支撐穩(wěn)定性計(jì)算（單位：N/m2）

表6 跨距為1.8m 時梁下支撐穩(wěn)定性計(jì)算（單位：N/m2）

3 總結(jié)

目前，疊合梁施工工藝的研究還在不斷發(fā)展，實(shí)踐與理論相互結(jié)合與完善使疊合梁的實(shí)用性和可操作性都在變得更強(qiáng)，也使疊合梁的施工工藝日趨成熟。裝配式建筑的不斷發(fā)展，使現(xiàn)澆疊合梁具有了更重要的意義。該文對疊合梁進(jìn)行了理論計(jì)算，介紹了梁在受力時會出現(xiàn)應(yīng)力超前的現(xiàn)象和疊合梁后澆混凝土受壓應(yīng)變滯后的受力特征。還介紹了疊合梁和梁下支撐的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，并對中和軸不同位置時相應(yīng)正截面承載力的計(jì)算公式進(jìn)行了推導(dǎo)。在施工中還可能會遇到其他動力載荷的情況，疊合梁施工的優(yōu)勢能否得到保障還需要進(jìn)一步研究。

表4 跨距為1.2m 時梁下支撐穩(wěn)定性計(jì)算（單位：N/m2）

表5 跨距為1.5m 時梁下支撐穩(wěn)定性計(jì)算（單位：N/m2）