大型工業廠房鋼筋混凝土柱半裝配化工藝研發及應用研究

王建剛，張 清，李智軍，張心玥，劉媛瑩，梅 源

(1.陜西建工第五建設集團有限公司，陜西 西安 710032；2.西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055)

目前，我國正大力推廣綠色施工理念[1]，推進建筑工業化，裝配式結構的應用愈加廣泛[2].但裝配式建筑施工中存在的安全風險較大，對施工過程中的質量及安全控制具有較高的要求，目前,對于裝配式結構施工的標準規范尚不完善，施工工藝也有待進一步開發及普及.

近年來已有部分學者對裝配式結構施工中的新工藝進行了研究[3].Jose等[4]提出一種在柱端連接鋼筋的梁柱節點，在循環荷載作用下進行試驗，將預制柱連接結果與現澆混凝土結構連接結果進行比較后發現，兩種構件的受力性能基本相同，可以采用預制柱-梁連接方式.Saeed等[5]研究了兩種新型的預制梁和預制混凝土柱之間的抗彎連接件，一種為倒置E型截面螺栓連接，另一種為箱形截面焊接連接，并驗證了兩種預制連接的性能與相應的整體連接的性能相近.Yang等[6]進行了預制H型鋼混合梁的極限抗彎承載力試驗，分別采用了兩端鉸支和固支的邊界條件，試驗結果表明該構件具有較高的極限承載力和較好的延性，可作為剛性節點.張艷霞等[7]提出了一種整體芯筒式全螺栓連接方式，并對螺栓拉力、柱腳應變等力學性能進行了現場監測，證實了其設計方法的可行性.劉付均等[8]提出了一種免模裝配一體化鋼筋混凝土結構體系用于解決裝配式結構中存在的連接整體性及安全性等問題.張晉元等[9]對裝配式混凝土柱柱節點進行了設計，其預制柱拼接處的鎖具-鎖和齒槽狀構造改善了縱筋應力的傳遞，有效提高了柱的受剪承載力.張愛林等[10]提出了一種裝配式梁柱-柱法蘭連接節點，從而對梁端的塑性鉸位置進行控制，來保證梁柱等構件保持在彈性的階段.哈芬公司推出了裝配式結構中預埋在預制混凝土柱內的新型柱腳螺栓連接裝置[11].但隨著裝配式結構應用的展開，如節點連接質量不佳、造價較高、施工安全隱患較大等問題也逐漸顯露.

在大型工業廠房中，高大截面獨立柱的施工是影響工程整體施工的關鍵.若對高大截面獨立柱進行場外預制再進行現場裝配，由于其自重大致使運輸及吊裝困難，且裝配各個環節極易疊加風險導致事故發生[12]；若進行現場澆筑施工，柱模板的支設難度較大[13]，且使用過程中模板也易發生彎曲變形，影響鋼筋混凝土柱的垂直度，施工質量難以保障.為解決上述問題，本文提出了一種現澆鋼筋混凝土柱半裝配化工藝.

1 工程概況

如圖1所示，該重型高科技精密電子廠房工程占地面積10 6553 m2，建筑面積295 122 m2，建筑高度23.9 m，建筑層數3層.電子廠房結構形式為SRC復合結構(見圖2)，核心區總跨度96 m，由三排1.4 m×1.4 m箱型鋼管混凝土柱支撐兩跨屋面鋼桁架結構，鋼管混凝土柱之間為現澆混凝土柱及預制混凝土梁、柱，支持區豎向構件為型鋼混凝土柱(SRC柱)，水平構件為鋼梁與鋼筋桁架樓承板，樓面為現澆混凝土面層，其中現澆混凝土柱采用了半裝配化工藝.

圖1 SRC復合結構工業廠房示意圖Fig.1 Schematic diagram of Samsung SRC composite structure industrial plant

圖2 廠房結構標準段剖面圖Fig.2 Section of standard section of plant structure

2 現澆鋼筋混凝土柱半裝配化工藝設計

2.1 工藝流程設計

現澆鋼筋混凝土柱半裝配化工藝通過對傳統現澆混凝土柱工藝的創新，優化設計基礎鋼筋排布，利用柱模板鋼托架使柱模板與柱鋼筋籠組裝為一起，整體吊裝直插入預留柱基礎并進行加固校正，再進行混凝土現場澆筑，其工藝流程圖見圖3.

圖3 半裝配化工藝流程Fig.3 Semi assembly process

2.2 關鍵工序施工控制方法

2.2.1 筏板柱坑設計與施工

在基礎墊層上依據軸線定位框架柱位置及預留相應框架柱位置邊界線預埋精軋螺紋鋼筋定位線，并進行標識.隨后按照框架柱標識線安裝預留柱下沉基礎的筏板鋼筋定位支架，使用M12膨脹螺栓固定.再將基礎筏板鋼筋安放于定位支架上的定位卡槽內，進行基礎筏板鋼筋綁扎.然后采用快易收口網、60 mm×80 mm菱形鋼板網以及Φ16@250的鋼筋綁扎在筏板鋼筋定位支架外側，進行基礎筏板混凝土攔截，并在柱下沉基礎四角預埋8根精軋螺紋鋼，與基礎筏板鋼筋焊接固定.

基礎筏板施工時，進行模板定位底座設計(見圖6)，預埋固定模板底座預埋件(見圖7)，預埋件采用1.3 m的Φ32的精軋螺紋鋼，預埋深度為入筏板內80 cm，漏出筏板面50 cm，用于固定模板底座.模板底座依據位置安放后采用2根[16#槽鋼背面對焊用螺母固定于預埋精軋螺紋鋼筋上，以固定模板底座，底座安裝完畢后再次復核底座的安裝位置及標高.

圖4 鋼筋定位支架設計Fig.4 Design of steel bar positioning support

圖5 筏板鋼筋綁扎施工Fig.5 Binding construction of raft reinforcement

圖6 模板定位底座設計Fig.6 Design of template positioning base

圖7 模板定位底座安裝Fig.7 Installation of template positioning base

2.2.2 柱鋼筋籠與模板一體化設計、加工及拼裝

如圖8所示，在場外加工廠集中進行柱鋼筋籠綁扎，按照施工圖紙及柱鋼筋優化設計圖紙進行柱鋼筋下料加工，借助柱鋼筋籠綁扎操作平臺先將柱一面主筋擺放在操作平臺上表面，依次穿入柱箍筋并按照間距排布，依次與柱主筋進行綁扎，后依次穿入其余面的柱主筋并與箍筋綁扎，柱鋼筋保護層使用L40×40×3 mm角鐵制作，間距2 500 mm布置.依照柱大小將角鐵先對焊成兩個L形，套入鋼筋籠后進行對焊，焊點用Φ12鋼筋進行補強.

圖8 柱鋼筋籠綁扎制作Fig.8 Binding and fabrication of column reinforcement cage

現澆混凝土柱模板采用2塊L型定型鋼模板(見圖9、10)，在專業加工廠集中加工后運至現場.模板所用材料材質均為Q235級鋼，具體設計參數見表1.操作平臺采用50 mm方管進行焊接制作，加工操作架三角支撐，與鋼模板螺栓連接使用.模板長度為11.03 m，每塊模板采用M20×60螺栓連接.

表1 柱模板設計參數Tab.1 Design parameters of column formwork

圖9 柱模板截面設計細部尺寸Fig.9 Detail size of column formwork section design

圖10 柱模板加工Fig.10 Processing of column formwork

模板與鋼筋籠拼裝時，將第一塊模板安放于模板支架上并固定，將鋼筋籠平穩吊運，安放于模板上，鋼筋籠吊裝采用專用吊具進行，鋼筋籠吊放于第一塊模板上并固定后吊裝第二塊L型模板，與第一塊模板進行拼裝(見圖11).柱鋼筋籠與鋼模板連接頂部采用定制鋼托架，鋼托架與模板螺栓連接固定，柱鋼筋籠主筋頂部套絲45.5 mm，加工與柱主筋同規格、同型號鋼筋絲桿，絲桿采用300 mm長Φ36的鋼筋兩頭套絲，一頭套絲150 mm，另一頭套絲45.5 mm，柱主筋與絲桿采用Φ36套筒連接固定，絲桿另一頭采用套筒加墊片卡在鋼托架上，使柱子鋼筋籠與鋼模整體固定，拼裝形成整體.在鋼筋籠一角位置安裝混凝土澆筑串筒，混凝土澆筑串筒選用9 m長Φ200鋼管制作，每間隔50 cm三面依次向上留設150 mm×150 mm孔洞.

圖11 鋼筋籠與模板拼裝Fig.11 Assembly of reinforcement cage and formwork

2.2.3 柱鋼筋籠與模板運輸及整體安裝

利用平板車將拼裝好的鋼筋籠和模板運至現場，柱鋼筋籠與模板的整體安裝設計如圖12所示，鋼筋籠與模板整體吊裝選用130 t履帶吊與75 t汽車吊配合使用(見圖13).汽車吊的起吊點位于柱模板底部吊耳位置，履帶吊吊點位于模板頂部吊耳位置，履帶吊與汽車吊配合同時平穩起吊，待模板水平吊離地面高度約2 m后，起吊模板底部的汽車吊停止起吊并向起吊模板頂部履帶吊旋轉靠近，起吊模板頂部履帶吊繼續起吊使模板與鋼筋籠整體豎立，后對中預留柱位置進行安裝.吊裝完成后安裝模板斜向支撐及拉設攬風繩，借助模板斜向支撐、纜風繩及模板底座再次校正模板的垂直度及柱頂部標高，復核無誤后固定.

圖12 柱鋼筋籠與模板整體安裝設計Fig.12 Integral installation design of column reinforcement cage and formwork

圖13 柱鋼筋籠與模板整體吊裝施工Fig.13 Integral hoisting construction of column reinforcement cage and formwork

2.2.4 混凝土澆筑與振搗

提前一天澆筑現澆柱底部筏板預留口位置混凝土，澆筑時由現澆柱筏板預留口對角同時進行澆筑，澆筑高度同筏板頂面齊平，并振搗密實，收面成型.第二天待底部混凝土凝固后，拆除柱鋼筋籠與模板頂部固定托架，安裝操作平臺，操作平臺與柱模板采用螺栓連接，采用曲臂車配合汽車吊進行安裝.安裝完畢后進行柱混凝土澆筑.如圖14所示，柱混凝土澆筑選用37 m臂架泵車進行，由于框柱高度較高混凝土澆筑時落差較大，在混凝土澆筑時借用預先埋入的串筒進行放料，每根柱澆筑混凝土配備2條長12 m的振搗棒進行振搗，每次澆筑高度約80 cm時停止放料進行振搗，由柱角對角進行下棒振搗，每次振搗時長約20 s，澆筑混凝土后串筒埋入柱內.

圖14 柱混凝土澆筑Fig.14 Pouring construction of column concrete

2.2.5 模板拆除與養護

柱混凝土澆筑完成后，待柱混凝土強度達到要求且能保證柱表面及棱角不因拆模而受損壞后再進行柱模板拆除[14]，柱模板拆除的順序和方法遵循自上而下的原則，先拆除混凝土操作架與柱加固件，再拆除柱兩個角的模板連接件，柱模板脫離柱混凝土面后利用汽車吊吊拆，即模板拆除中也為兩張整模，拆除中利用吊車進行單張整模吊拆.柱混凝土養護采用覆蓋保濕的養護方法，采用雙層PE薄膜將柱纏繞保濕養護(見圖15).

圖15 柱混凝土保濕養護Fig.15 Curing of column concrete

3 基于數值分析的半裝配化施工質量與安全控制

該半裝配化現澆混凝土柱為高大截面柱，在場外進行加工和拼裝，并運輸至現場進行安裝和混凝土澆筑，為防止現場施工過程中柱的變形過大，建立了有限元模型進行數值分析，保障施工時的質量和安全.首先對采用半裝配化工藝的現澆柱進行模板側壓力計算.采用插入式振動器且澆筑速度不大于10 m/h，混凝土塌落度不大于180 mm時，新澆筑混凝土對模板的側壓力的標準值，可按照下列公式分別計算[15]，并應取其中較小值.

(1)

F=γcH

(2)

其中：F為新澆筑混凝土對模板的最大側壓力(kN/m2)；γc為混凝土的重力密度(kN/m3)；V為混凝土的澆筑速度(m/h)；t0為新澆混凝土的初凝時間(h)；β1為外加劑影響修正系數；β2為混凝土坍落度影響修正系數；H為混凝土側壓力計算位置處至新澆混凝土頂面的總高度(m).

由公式(1)得

=65.4 kN/m2

由公式(2)得：

F=25 kN/m3×10 m

=250 kN/m2

取其中較小值，即取F=65.4 kN/m2

由振搗產生的荷載F按6.5 kN/m2計算，傾倒混凝土時產生的水平荷載值F按4 kN/m2計算，施工人員荷載2.5 kN/m2，荷載分項系數按表2取值.

表2 荷載分項系數取值表Tab.2 Value table of partial load factor

則總荷載為

F總=65.4×1.2+6.5×1.4+4×1.4+2.5×1.4

=96.68 kN/m2

高大截面柱進行混凝土澆筑時模板的變形是影響安全的重要因素，因此，使用了midas civil 2015進行混凝土澆筑時柱鋼模板的受力性能分析，建立的有限元模型如圖16所示，柱模板所用材料為Q235鋼，面板為8 mm鋼板，橫向使用[10#加強，背楞采用[16#，法蘭采用12 mm鋼板封側槽口，對拉桿件長30 mm.模板上部的四個對拉桿件布置間距為750 mm，其余對拉桿件布置間距為500 mm.模板長度設為11.05 m，柱截面尺寸為1.4 m×1.4 m，模板側壓力使用上述計算值.

圖16 柱模板有限元模型Fig.16 Numerical model of column formwork

柱模板的變形情況如圖17所示，在采用半裝配化工藝后進行混凝土澆筑，柱模板四面都有一定程度的變形.因上部的對拉桿件布置間距較大，下部的對拉桿件布置間距較小，模板的上部變形較下部變形相對較大，但模板的整體變形量最大值僅為0.4 mm，滿足《建筑施工模板安全技術規范》中對模板變形量容許值的要求.

圖17 柱模板整體變形云圖Fig.17 Integral deformation nephogram of column formwork

對混凝土澆筑后柱模板面板和拉桿的應力進行數值分析后，得到柱模板拉桿受到的最大剪應力為103 MPa(見圖18)，柱模板面板受到的最大應力為17 MPa(見圖19).根據《鋼結構設計標準》中的規定，在鋼材抗拉、抗壓和抗彎時，厚度或直徑小于16 mm的Q235鋼的強度設計值為215 MPa[16]，因此，數值模擬值遠小于規范的規定值，滿足安全性要求.

圖18 柱模板對拉桿件應力云圖Fig.18 Stress nephogram of column formwork tie rod

圖19 柱模板面板應力云圖Fig.19 Stress nephogram of column formwork panel

通過對現澆鋼筋混凝土柱半裝配化工藝進行數值計算與分析，柱鋼模板是安全可靠的，承載力及變形均在規范控制范圍內，強度計算滿足規范要求，施工時的質量與安全能夠得到保證.

4 結論

(1)本文提出了一種現澆鋼筋混凝土柱半裝配化工藝，并對其工藝流程進行了詳細的闡述，通過數值分析對其合理性進行了驗證并成功應用于工程實際;

(2)現澆鋼筋混凝土柱半裝配化工藝解決了在工業廠房中進行高大截面現澆混凝土柱施工時存在的施工空間小、模板支設難度大、安全風險高等問題，為類似高大截面現澆鋼筋混凝土柱的施工提供了工程經驗;

(3)現澆鋼筋混凝土柱半裝配化工藝的應用減少了施工材料的投入與消耗，施工成本略有降低且縮短了施工工期，施工質量有所提升，具有良好的推廣前景.