傳力架式施工電梯基礎(chǔ)的研究與應(yīng)用

劉 尚，宋千軍，金學(xué)勝

（中建四局第六建筑工程有限公司，江蘇 蘇州 215121）

0 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，私家車的數(shù)量在急劇增長，地下車庫規(guī)模不斷增大，地下空間幾乎把整個(gè)建筑場地占據(jù)。作為高層建筑施工必不可少的施工電梯，其基礎(chǔ)就無法再和以前一樣，直接安裝在地基基礎(chǔ)上，而必須安裝在地庫頂板上。施工電梯在施工使用過程中，會對地庫頂板產(chǎn)生一定的擾動影響，而一般地庫頂板在設(shè)計(jì)過程中，不會考慮施工附加荷載，如果在施工過程中不采取一定的加固措施，極有可能造成地庫開裂、滲漏等質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)［1］，甚至可能產(chǎn)生地庫坍塌等安全隱患。按以往的加固方式，施工電梯的鋼筋混凝土基礎(chǔ)置于地庫頂板上，在地庫頂板以下搭設(shè)滿堂架回頂。按照此種方式加固存在以下缺點(diǎn)。①地庫頂板上需單獨(dú)施工電梯基礎(chǔ)，電梯基礎(chǔ)的厚度加上電梯門檻的高度會在電梯入口處形成較大高低差，需施工一條跨度較長的坡道用于材料運(yùn)輸，人工費(fèi)時(shí)費(fèi)力，施工效率較低；②滿堂架加固安全系數(shù)不高，對于施工電梯標(biāo)準(zhǔn)節(jié)傳遞下來的集中力，滿堂架并不能很好地卸載，地庫頂板開裂滲漏現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。③滿堂架回頂范圍較大，對后續(xù)的砌筑和抹灰等工序影響較大，不利于地庫施工的順利開展。為了克服傳統(tǒng)滿堂架回頂加固施工電梯基礎(chǔ)的弊端，研究了一種傳力架式施工電梯基礎(chǔ)，取消了地庫頂板上的電梯基礎(chǔ)以及地下室的鋼管回頂架，利用 4 根型鋼立柱及角鋼綴材焊接形成的格構(gòu)柱，將施工電梯荷載傳遞至地庫底板，4 根立柱與施工電梯地腳螺栓對中同時(shí)和地庫頂板頂緊，保證豎向荷載傳遞在一條直線上不發(fā)生偏心。同時(shí)，施工電梯標(biāo)準(zhǔn)節(jié)附墻采用非常規(guī)的短肢附墻，在電梯安裝位置避免了單獨(dú)搭設(shè)外腳手架進(jìn)料平臺，施工電梯的人員及貨物可直接進(jìn)入樓層內(nèi)。地庫頂板采用傳力架回頂加固，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)高，卸載效果好，對原結(jié)構(gòu)影響較小（見圖 1），同時(shí)，施工電梯標(biāo)準(zhǔn)節(jié)附墻采用非常規(guī)的短肢附墻，在電梯安裝位置避免了單獨(dú)搭設(shè)外腳手架進(jìn)料平臺，具有較好的社會經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 傳力架詳圖

1 有限元分析

1.1 力學(xué)及結(jié)構(gòu)參數(shù)

傳力架施工電梯安裝技術(shù)的力學(xué)性能，以蘇州相城萬科項(xiàng)目為背景，利用大型有限元分析軟件 ABAQUS 對該項(xiàng)目傳力架回頂施工電梯的力學(xué)性能進(jìn)行實(shí)體建模分析。

1.1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

X 方向梁參數(shù)：截面尺寸：400 mm×700 mm，下部縱筋：325+222，上部縱筋：822 6/2；

Y 方向梁參數(shù)：截面尺寸：400 mm×700 mm，下部縱筋：1020 3/7，上部縱筋：622/220；

柱構(gòu)件參數(shù)：截面尺寸：400 mm×500 mm，角筋：420，中部筋為 220 和 214；

本工程地庫頂板頂標(biāo)高為-1.300 m，地庫底板頂標(biāo)高為-4.900 m，X 方向跨度為 5 200 mm，Y 方向跨度為5 300 mm。

1.1.2 電梯及相關(guān)荷載參數(shù)（見表 1）

表1 電梯及相關(guān)荷載參數(shù)

1.1.3 格構(gòu)柱傳力架相關(guān)參數(shù)（見表 2）

表2 格構(gòu)柱傳力架相關(guān)參數(shù)

1.1.4 荷載計(jì)算

依據(jù)工程施工圖紙、施工升降機(jī)說明書、施工升降機(jī)施工與安全使用要求［2-4］，計(jì)算荷載如下。

導(dǎo)軌架重（共需 67 節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)重 170 kg）：170 kg×67=11 390 kg；

施工升降機(jī)自重標(biāo)準(zhǔn)值：Pk=（（1 600×2+1 480 +0×2+0+11 390）+2 000×2）×10/1 000=200.7 kN；

施工升降機(jī)自重：p=（1.2×（1 600×2+1 480+0× 2+0+11 390）+1.4×2 000×2）×10/1 000=248.84 kN；

P=n×p=1×248.84=248.84 kN；

P=2.1×p=2.1×248.84=522.564 kN。

1.2 有限元模型的建立

1.2.1 鋼材本構(gòu)關(guān)系

ABAQUS 有限元分析時(shí)，鋼材本構(gòu)模型采用簡化的雙線性強(qiáng)化模型，在循環(huán)荷載作用下采用隨動強(qiáng)化模型（Kinematic），采用 Mises 屈服準(zhǔn)則，鋼材的彈性模量取為 E=2.06×105N/mm2，泊松比 μ=0.3，其他參數(shù)如表 3 所示。

表3 鋼材性能參數(shù)

1.2.2 混凝土本構(gòu)關(guān)系

混凝土的材料本構(gòu)選用損傷塑性模型，本構(gòu)關(guān)系曲線采用丁發(fā)興［5］等提出的適用于不同等級的混凝土單軸受力情況下的本構(gòu)關(guān)系，采用 Mises 屈服準(zhǔn)則，混凝土的彈性模量取為 E=3×104N/mm2，泊松比 μ=0.2，質(zhì)量密度為 2.36×10-6kg/mm3，圖 2 為本構(gòu)模型關(guān)系曲線。

圖2 混凝土本構(gòu)曲線

模型除鋼筋外所有構(gòu)件均采用實(shí)體單元，為了避免因網(wǎng)格劃分不夠密而帶來的沙漏問題，選用 8 節(jié)點(diǎn)六面體非協(xié)調(diào)單元（C3D8I），它能夠在滿足計(jì)算精度的條件下大大減小計(jì)算量［6］，鋼筋只考慮拉壓不考慮受彎，采用桁架單元。連接節(jié)點(diǎn)中，焊接截面均采用綁定接觸（tie）連接，格構(gòu)柱頂面與地庫頂板底面建立有限滑移接觸。格構(gòu)柱及框架柱柱腳通過耦合約束所有自由度以模擬剛接，將柱底面所有自由度耦合到一點(diǎn)，并約束全部自由度。鋼筋與混凝土之間建立 embedded 約束連接，將框架鋼筋全部埋入框架混凝土，模擬鋼筋混凝土之間的咬合作用。有限元模型如圖 3 所示。

圖3 有限元模型圖

1.3 有限元分析結(jié)果

1.3.1 應(yīng)力分析結(jié)果

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)鋼筋應(yīng)力最大的區(qū)域集中在電梯核心區(qū)域（見圖 4）。鋼筋應(yīng)力最大值僅為15.9 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼筋屈服強(qiáng)度，所有的鋼筋均處于彈性階段。格構(gòu)柱傳力架的最大應(yīng)力為 50 MPa，主要集中在角鋼與立柱連接節(jié)點(diǎn)處（見圖 5），立柱整體應(yīng)力為16 MPa 左右，未到達(dá)鋼材屈服強(qiáng)度，格構(gòu)柱未出現(xiàn)塑性損傷。

圖4 鋼筋網(wǎng)片應(yīng)力分布圖

圖5 格構(gòu)柱傳力架應(yīng)力分布圖

1.3.2 混凝土損傷分析結(jié)果

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，混凝土框架的最大塑性主應(yīng)變、混凝土受壓損傷、混凝土受拉損傷均為 0，說明混凝土框架處在彈性受力狀態(tài)，未出現(xiàn)開裂及壓潰現(xiàn)象（見圖 6～圖 8）。

圖6 最大塑性主應(yīng)變

圖7 混凝土受壓損傷

圖8 混凝土受拉損傷

1.3.3 框架豎向位移分析結(jié)果

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，混凝土框架板中豎向位移最大，達(dá)到了 1.2 mm，根據(jù)位移時(shí)間曲線，整個(gè)加載過程混凝土框架中心的位移呈線性變化，未出現(xiàn)斜率突變現(xiàn)象（見圖 9、圖 10），說明自荷載施加至荷載達(dá)到使用荷載時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)一直處于彈性狀態(tài)。說明采用格構(gòu)柱傳力架回頂，結(jié)構(gòu)的受力效果好，不會影響結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和安全。

圖9 混凝土豎向位移云圖

圖10 混凝土框架中心點(diǎn)豎向位移曲線

1.3.4 格構(gòu)柱傳力架及混凝土框架承擔(dān)荷載分析結(jié)果

格構(gòu)柱傳力架及鋼筋混凝土框架在荷載逐漸施加的過程中，均呈線性增長，整個(gè)施加過程中，所有結(jié)構(gòu)均處于完全彈性狀態(tài)。整個(gè)彈性加載過程中，格構(gòu)柱承擔(dān)荷載占總施工電梯荷載的 34 % 左右，鋼筋混凝土框架承擔(dān)總荷載的 66 % 左右（見圖 11、圖 12），主要原因是鋼筋混凝土整體剛度遠(yuǎn)大于格構(gòu)柱傳力架，且鋼筋混凝土框架始終處在彈性狀態(tài)，未出現(xiàn)塑性損傷及剛度退化現(xiàn)象，大部分荷載均由鋼筋混凝土框架承擔(dān)。

圖11 施工電梯荷載結(jié)構(gòu)分擔(dān)情況

圖12 格構(gòu)柱承擔(dān)荷載占總荷載比例

2 施工工藝

2.1 施工準(zhǔn)備

在施工準(zhǔn)備階段要準(zhǔn)備好電焊機(jī)、切割機(jī)、卷尺、扳手、錘子、手推車、膨脹螺栓、電鉆機(jī)以及傳力架鋼材等材料設(shè)備，并配備施工員 3 人。

2.2 測量定位

地庫頂板模板支設(shè)完成后進(jìn)行測量定位，為保證測量定位準(zhǔn)確，所有參與測量的人員必須經(jīng)過崗前培訓(xùn)后才能上崗。測量定位完成后應(yīng)進(jìn)行自檢及專人復(fù)核，減少測量中的偶然誤差，提高精度。

2.3 預(yù)埋傳力架工字鋼及施工電梯地腳螺栓

地庫頂板鋼筋綁扎完成之后（見圖 13），根據(jù)測量定位在傳力架工字鋼對應(yīng)的頂板底模處開出與工字鋼大小相同的洞口，將傳力架工字鋼伸進(jìn)底模，同時(shí)將施工電梯的地腳螺栓預(yù)埋（見圖 14），地腳螺栓應(yīng)勾住板底筋，然后將地腳螺栓與工字鋼焊接。為了保證焊接節(jié)點(diǎn)傳力可靠，焊縫長度應(yīng)滿足一定的要求，傳力架工字鋼應(yīng)至少伸進(jìn)混凝土頂板 8 cm。預(yù)埋完成之后，采用密封膠條密封工字鋼與模板交接處縫隙，防止混凝土澆筑過程中出現(xiàn)漏漿。

圖13 模板支設(shè)及鋼筋綁扎

圖14 預(yù)埋地腳螺栓

2.4 地庫頂板混凝土澆筑

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及規(guī)范要求進(jìn)行地庫頂板的混凝土澆筑，澆筑完成后及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，待混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，拆除模板（見圖 15）。

圖15 混凝土澆筑及模板拆除

2.5 傳力架的搭設(shè)與連接

地庫頂板支設(shè)時(shí)所搭設(shè)滿堂架拆除后，進(jìn)行傳力架的搭設(shè)與連接。傳力架為長方體構(gòu)件，其主要組成為立柱、墊板、腹桿、角撐，墊板上預(yù)留 6 個(gè)膨脹螺栓孔。四根立柱通過水平腹桿以及斜腹桿連接成為一個(gè)整體格構(gòu)式鋼柱傳力架，立柱采用 16 號工字鋼，水平腹桿和斜腹桿采用 L 50×3，傳力架安裝如圖 16 所示。

圖16 傳力架支設(shè)加工完成

立柱與腹桿之間全部采用焊接連接。墊板厚度為10 mm，焊接在四根立柱底端，焊接后的每一邊皆比立桿截面長 30 mm，墊板通過 6 個(gè)膨脹螺栓與地庫底板相連，連接前需用鉆孔機(jī)對地庫底板進(jìn)行鉆孔。

2.6 傳力架角撐的焊接

地庫頂板混凝土澆筑完成模板拆除后焊接傳力架角撐。傳力架角撐的主要作用是增大傳力架與地庫頂板接觸面積，傳遞施工電梯荷載。角撐的一肢與立柱焊接，另一肢與地庫頂板頂緊。角撐采用 L50×3，具體做法如圖 16 所示。

2.7 電梯標(biāo)準(zhǔn)節(jié)安裝

傳力架角撐焊接完成后，進(jìn)行電梯標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的安裝，首先將最底部標(biāo)準(zhǔn)節(jié)與預(yù)埋地腳螺栓連接，然后依次安裝上部標(biāo)準(zhǔn)節(jié)。安裝過程中應(yīng)嚴(yán)格控制標(biāo)準(zhǔn)節(jié)垂直度，保證所有標(biāo)準(zhǔn)節(jié)及傳力架形心均在同一垂線上。安裝完成后的整體效果圖如圖 17 所示。

圖17 電梯標(biāo)準(zhǔn)節(jié)安裝

3 效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

蘇地 2013-G-40 號地塊三期工程共 9 棟高層采用傳力架式施工電梯基礎(chǔ)，共減少了 9 個(gè)鋼筋混凝土基礎(chǔ)，9 個(gè)鋼管支撐架回頂和 9 個(gè)的進(jìn)料坡道，9 個(gè)進(jìn)料平臺，節(jié)約了大量人工、材料費(fèi)用，共取得經(jīng)濟(jì)效益 36.27 萬元。

3.2 社會效益

傳力架式施工電梯基礎(chǔ)施工技術(shù)，取消了地庫頂板上二次施工的鋼筋混凝土電梯基礎(chǔ)，簡化了施工步驟，施工效率高，地庫頂板基本無裂縫滲漏等質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)問題，質(zhì)量感官效果好，社會效益顯著。

3.3 綠色施工效益

該施工技術(shù)取消了電梯基礎(chǔ)及大坡度進(jìn)料平臺，節(jié)約了大量建筑材料，同時(shí)避免了電梯基礎(chǔ)的二次打鑿，實(shí)現(xiàn)了節(jié)地、節(jié)材、環(huán)保的綠色施工要求。

4 結(jié)論

1）傳力架式施工電梯基礎(chǔ)，傳力效果好，整個(gè)加載過程中，所有受力構(gòu)件均處于彈性狀態(tài)，施工電梯荷載對地庫結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響較小，格構(gòu)柱傳力架承擔(dān)的豎向荷載占總荷載的 34 %。

2）傳力架式施工電梯基礎(chǔ)在地下室占地面積小，對后續(xù)工序的施工影響較小。

3）傳力架式施工電梯基礎(chǔ)施工技術(shù)，取消了地庫頂板上二次施工的鋼筋混凝土電梯基礎(chǔ)及進(jìn)料平臺，簡化了施工步驟，施工效率高，節(jié)約了大量人工、材料費(fèi)用，同時(shí)避免了電梯基礎(chǔ)的二次打鑿，實(shí)現(xiàn)了節(jié)地、節(jié)材、環(huán)保的綠色施工要求，經(jīng)濟(jì)社會效益顯著。