劉弋博

（北京金隅程遠房地產(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)計過程中的主要矛盾是結(jié)構(gòu)體系能否有足夠的強度來抵抗載荷[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。疊合梁的支撐系統(tǒng)要具有足夠的強度，并擁有足夠的承載能力。

1 現(xiàn)澆鋼筋混凝土疊合梁計算分析

疊合梁由于結(jié)構(gòu)的優(yōu)點較為明顯，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)的二次受力特點減少了連接結(jié)構(gòu)制作截面的負彎矩和鋼筋的用量，降低了剛材的使用量和成本，具有很好的經(jīng)濟效益[4]。但其也有一定的缺點，由于要進行二次澆注，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)，其中包括兩者強度等級上的差異，這會造成收縮尾差應(yīng)力的出現(xiàn)，進而導(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入屈服階段后和后澆筑的混凝土達到極限壓應(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算時考慮的重點，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沒有達到抗壓強度應(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達到抗壓強度應(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度設(shè)計值的應(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）保證施工進度。如果沒有梁下支撐，梁的澆筑時間將延長，施工進度會受到影響。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)計計算有以下規(guī)定：1）設(shè)計標(biāo)準。腳手架的設(shè)計計算必須符合國家現(xiàn)行的相關(guān)標(biāo)準，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，例如鋼管、鋼板等。3）計算方法。腳手架的設(shè)計計算必須采用靜力學(xué)方法進行計算，計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)計計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)計計算如公式（2）所示。

式中：γ0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；N——立桿的軸力設(shè)計值（N）；φ——軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)；λ——長細比，λ=l0/i；A——立桿的毛截面面積（m2）；f——鋼材的強度設(shè)計值（N/m2）；l0——立桿計算長度（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)計值N越大，立桿越容易發(fā)生失穩(wěn)。對軸力設(shè)計值的分析可以得知，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)立桿長細比進行取值的，長細比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行梁下支撐穩(wěn)定性計算。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)定性計算（單位：N/m2）

表6 跨距為1.8m 時梁下支撐穩(wěn)定性計算（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，實踐與理論相互結(jié)合與完善使疊合梁的實用性和可操作性都在變得更強，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。該文對疊合梁進行了理論計算，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)計計算方法，并對中和軸不同位置時相應(yīng)正截面承載力的計算公式進行了推導(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一步研究。

表4 跨距為1.2m 時梁下支撐穩(wěn)定性計算（單位：N/m2）

表5 跨距為1.5m 時梁下支撐穩(wěn)定性計算（單位：N/m2）