裝配箱混凝土空心樓蓋施工技術(shù)及有限元分析

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(jié)構(gòu)開裂問題的常用方法有三種，其一是施加預(yù)應(yīng)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(shù)的優(yōu)勢相結(jié)合，其中應(yīng)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(yīng)用效果，必須要落實精細化的施工管理。在工程設(shè)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(shè)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(shù)控制，保證工程高質(zhì)量建設(shè)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(jié)構(gòu)，耐火等級II 級，抗震設(shè)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(yù)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(shù)

2.1 施工準備

組成預(yù)制裝配箱的所有構(gòu)件都必須執(zhí)行嚴格的進場檢驗。檢驗人員除了要核對構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)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(shè)底板模板，并依次完成模板檢查、布設(shè)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(shè)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(shè)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。現(xiàn)場布設(shè)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(gòu)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(shè)計要求，避免彎曲度過大而導(dǎo)致肋梁主筋移位。為保證裝配箱混凝土構(gòu)件的性能達標，需要在肋梁主筋、箍筋安裝時，設(shè)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(yù)留錨固鋼筋與肋梁主筋牢牢固定，兩者的構(gòu)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(yīng)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(jié)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(yù)留鋼筋是否平直，然后使用工具將預(yù)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(shè)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(yīng)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(jié)束后檢查混凝土性能，等到實測強度達到設(shè)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(gòu)建并展開分析。其中，構(gòu)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(shè)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(chǔ)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。考慮到鋼筋在等效分布下，其彈性模量（E）會根據(jù)應(yīng)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(shè)計方案輸入材料參數(shù)，例如長跨、短跨的數(shù)值，樓蓋結(jié)構(gòu)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(chǔ)上構(gòu)建模型。可選擇的模型構(gòu)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(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的模型，保證網(wǎng)格劃分滿足拓撲關(guān)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(shè)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。可以發(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(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010），樓蓋等受彎構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)自重、保證結(jié)構(gòu)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(yīng)使用ANSYS 軟件構(gòu)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(jié)果優(yōu)化結(jié)構(gòu)和參數(shù)，在此基礎(chǔ)上完善施工方案。在實際施工中，還應(yīng)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(guān)鍵工序，加強技術(shù)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。