裝配式鋼結(jié)構建筑施工關鍵技術研究

摘要：以某裝配式鋼結(jié)構高層建筑為研究背景，探討了鋼構件制作以及裝配式鋼結(jié)構建筑的施工技術，并通過有限元分析軟件進行建模分析，對比了一次性加載法和逐層加載法的計算結(jié)果、鋼柱豎向變形和鋼柱預找平值，為后續(xù)類似工程提供參考。

關鍵詞：裝配式鋼結(jié)構建筑；施工技術；有限元模擬

0" "引言

裝配式建筑是指通過預制主要部件并加以集成打造而成的建筑[1]。當前，裝配式建筑已經(jīng)得到了廣泛的推廣使用，但作為其中的一種重要結(jié)構形式，裝配式鋼結(jié)構并未在眾多裝配式建筑中占據(jù)較高比例。2019年，住房和城鄉(xiāng)建設部強調(diào)[2]，要在全國有序推進裝配式鋼結(jié)構住宅，以此推進我國裝配式鋼結(jié)構體系的發(fā)展。

裝配式鋼結(jié)構建筑有較多優(yōu)點，但其在推廣使用時仍有不少問題，最為主要的則是裝配式鋼結(jié)構建筑的施工技術尚且不夠成熟。本文以某裝配式鋼結(jié)構高層建筑為研究背景，探討了鋼構件制作以及裝配式鋼結(jié)構建筑的施工技術，并通過有限元分析軟件進行建模分析，對比了一次性加載法和逐層加載法的計算結(jié)果、鋼柱豎向變形和鋼柱預找平值。

1" "工程概況

某裝配式鋼結(jié)構高層公共建筑的建筑總面積為51603m2，地上和地下的面積分別為37565m2和14038m2，地上部分使用的是框架-支撐結(jié)構體系，地下部分使用的是框剪結(jié)構體系。建筑結(jié)構有二級安全等級，8度抗震烈度，設計使用年限50年，耐火等級一級。選用Q355作為結(jié)構材質(zhì)。

2" "構件制作

制作鋼構件的難點在于確保鋼板的焊接質(zhì)量。在鋼結(jié)構中，焊接是其主要連接形式，但焊接結(jié)構對于裂紋較為敏感，一旦有裂紋出現(xiàn)就容易出現(xiàn)擴展[3]，因此控制焊接質(zhì)量對于確保構件安全而言非常重要。一般情況下，裂紋多通過兩端對開孔或補焊的方式進行處理。

3" "主體結(jié)構施工

3.1" " 安裝鋼柱

根據(jù)現(xiàn)場吊裝需要和具體條件選取吊裝設備。吊裝鋼柱到指定位置后，通過臨時螺栓進行連接板和鋼柱耳板的連接，采用倒鏈等調(diào)節(jié)措施，并輔以全站儀初步校正鋼柱。

在設置鋼柱吊點時，除了需結(jié)合方便施工和穩(wěn)定的要求進行考慮之外，還需避免鋼柱施工時出現(xiàn)變形。一般情況下，多通過焊接在鋼柱上的連接耳板完成吊裝施工。使用Q355B鋼板進行耳板制作，板厚度為20mm，若鋼柱質(zhì)量過大，則需計算后再確定耳板板厚。鋼柱吊裝施工如圖1所示。

校正鋼柱包含調(diào)整鋼柱垂直度以及扭度，當前主要通過無纜風繩法進行校正。將千斤頂安裝到鋼柱身上，通過千斤頂和經(jīng)緯儀的相互配合調(diào)整鋼柱垂直度。在確保柱釘軸線偏移滿足要求后，將柱身耳板螺栓擰緊，通過撬棍等調(diào)整扭轉(zhuǎn)。在調(diào)整完之后，將臨時耳板割除，并進行鋼柱的焊接。

3.2" " 安裝鋼梁

安裝完相鄰鋼柱之后，需及時進行相鄰鋼柱間鋼梁的安裝，以使二者形成穩(wěn)定體系。若受限于現(xiàn)場條件無法及時施工，則需通過纜風繩固定鋼柱，避免鋼柱出現(xiàn)變形。鋼柱的安裝順序為先主梁后次梁，若一節(jié)鋼柱有兩層，則需要在完成下一層鋼梁的安裝之后，再進行上一層鋼梁的安裝。在工廠加工鋼梁時需預留吊裝孔，以用作施工吊點。每施工完一個區(qū)域，及時完成樓層梁的施工，以便于安裝下一區(qū)域[4]。

將鋼梁吊裝到指定位置之后，需要及時夾好連接板，再擰緊連接螺栓。鋼梁一般可通過螺孔進行吊裝，若鋼梁質(zhì)量過大，則需在制作鋼梁時進行吊耳焊接，以作為吊裝時的輔助工具。

3.3" " 樓板施工

3.3.1" "鋼筋桁架樓承板施工

鋼筋桁架樓承板在工廠預制而成，多數(shù)情況下由三榀桁架組成一塊樓承板?；谑┕l件和便于施工的角度考慮，將桁架樓承板運輸?shù)浆F(xiàn)場并確保檢驗合格后，應將其合理堆放到指定位置，并進行標記。

在吊裝施工時，將U型卡口木制托板條設置到樓承板底部和上部位置，通過兩個吊裝帶吊裝樓承板，以利于平衡。在吊裝樓承板到指定位置之后，需及時開展鋪設施工。樓承板鋪設之前，需將堵縫角鋼焊接到鋼梁兩側(cè)，以免鋼梁兩側(cè)出現(xiàn)漏漿情況[5]。堵縫角鋼焊接如圖2所示。

結(jié)合排版圖，根據(jù)排版方向確定堵縫角鋼上的第一條位置基準線，在鋼梁翼緣上確定鋼筋桁架起始基準線。按照所得到的基準線確定樓承板的安裝位置，并以此進行安裝。若所安裝樓承板不滿足寬度標準要求，則需根據(jù)設計需要在工廠進行切割。在安裝樓承板時，需同步進行鋼梁栓釘?shù)暮附印?/p>

3.3.2" "混凝土疊合板施工

在支撐體系安裝之前做好施工方案，并校核支撐體系的強度和剛度。在水平方向上，必須確保澆筑后的樓板平整度滿足要求。當前主要有木模板和鋁模板兩種支撐體系，在具體設計時應按照便于施工、性能較優(yōu)的原則選取。

作為水平構件，混凝土疊合板適合使用平吊方式進行吊裝。必要時可通過計算，確定吊裝位置、吊點量和方式。多數(shù)條件下將吊點設置到四角，以確保均勻受力。吊裝到設計位置前，需在距離約300mm的位置稍作停頓，并結(jié)合圖紙進行定位。

在混凝土澆筑之前需清理好表面，將疊合面雜物和灰塵清掃干凈，并灑水濕潤。在清理干凈疊合面之后，才可進行疊合板混凝土的澆筑?；炷烈瞬捎脧闹虚g到兩邊連續(xù)澆筑的方式進行施工。通過平板振搗器開展振搗，在澆筑完混凝土之后，通過塑料薄膜開展養(yǎng)護施工，一般養(yǎng)護時間應在7天以上。

4" "工程模型建立

以項目東樓為背景，通過有限元分析軟件進行建模。模型材料與截面參數(shù)以設計方案為準，采用梁單元進行建模，并通過擴展功能建立鋼管混凝土柱，通過桁架單元建立矩形支撐。模型所用單元共有3794個，立面圖如圖3所示。

約束空間6個方向自由度，將其作為模型底部邊界條件。剛性連接以約束節(jié)點的方式進行定義。假定樓板平面的剛度無限大，不考慮梁剛度受樓板的影響。施工模擬時，主要考慮重力荷載、附加恒載和活載等作用[6]。

5" "施工模擬分析

5.1" " 一次性加載與逐層加載結(jié)果對比

對比一次性加載和逐層加載的位移和應力變化情況，限于篇幅，本文僅給出結(jié)論。

5.1.1" "最大位移對比

在一次性加載工況下，從底層到頂層位移不斷增加，且在頂層出現(xiàn)位移最大值。而在逐層加載工況下，位移表現(xiàn)為中間大兩端小的變化規(guī)律，在結(jié)構中間層出現(xiàn)最大位移。一次性加載的工況下的最大位移值為47.55mm，逐層加載的工況下的最大位移值為24.04mm，兩者相差49.42%。

由此可以看出，兩種工況有不可忽略的差距。一次性加載施工時，未對逐層找平施工造成的影響進行考慮，不符合真實的施工狀況。該種差距形成原因主要有兩方面：一方面，是一次性加載時，各層荷載導致本層和下層出現(xiàn)變形也會導致上層出現(xiàn)變形；另一方面，是各層標高未補償下層樓層，從而影響到標高的實際值和設計值。

5.1.2" "梁單元應力對比

梁單元在一次性加載時的最大應力為180.5N/mm2，逐層加載時的最大應力為153.7N/mm2。分析認為，一次性加載對構件內(nèi)力做出的估計過大，使得計算結(jié)果偏大。鑒于據(jù)此設計會引起材料浪費，建議將逐層加載模型中成橋之后的內(nèi)力分析結(jié)果予以考慮。

5.1.3" "主體鋼結(jié)構支座反力對比

支座反力的比較如表1所示。從表1可以看出，兩種工況下的結(jié)構支座反力有著顯著差異，其中，140號節(jié)點彎矩對比差高達69.43%。分析認為，可能是因為基數(shù)過小，在一次性加載時彎矩值僅為35kN/m的，為此產(chǎn)生較大的對比差。相比于一次性加載工況，逐層加載施工下支座反力和彎矩值偏小，逐層加載的施工方式更加符合實際施工狀態(tài)。

5.2" " 鋼管混凝土柱豎向變形對比

豎向變形過大會使得結(jié)構出現(xiàn)附加應力，從而導致墻板出現(xiàn)裂縫、幕墻管道損壞等，因此研究鋼管混凝土豎向變形有一定的必要性。選取代表性較強的四根鋼管混凝土柱做研究對象，提取軟件計算結(jié)果進行對比，限于篇幅，本文僅列出部分數(shù)據(jù)。

柱1豎向變形對比如圖4所示。研究結(jié)果表明，4根柱在逐層加載工況下，所產(chǎn)生的豎向變形的變化趨勢表現(xiàn)為魚腹型，與一次性加載工況對比，兩者有2倍左右的均差。在逐層加載的工況下，柱2所產(chǎn)生的最大豎向變形值最小，柱4作為中柱出現(xiàn)豎向方向變形最大值。

綜上，兩種施工工況下的鋼柱最大豎向變形值的產(chǎn)生位置有所不同，且截面最大柱的豎向變形相對較小，中柱則存在較大的豎向變形值。因此，在施工時應加強對中柱和邊柱豎向位移的監(jiān)測，并及時開展找平施工。而針對截面較大的柱，因其豎向位移較小，簡單進行監(jiān)測即可。

5.3" " 豎向構件預找平值計算與分析

對豎向構件預找平值計算，限于篇幅，本文僅列出部分數(shù)據(jù)。柱1預找平值如圖5所示。研究結(jié)果表明，隨著樓層號的不斷增加，4根柱的預找平值均表現(xiàn)出不斷減小的規(guī)律，說明在結(jié)構底部樓層各柱預找平值較大，且隨著樓層的不斷增高不斷減小，結(jié)構最頂層預調(diào)平值最小，不需要找平。柱1和柱2的預找平值小于0.6mm，為便于施工，可以不開展找平工作。柱3和柱4的預找平值相對較大，但每層找平數(shù)值較小，建議在制作構件時分段調(diào)整構件下料長度。

6" "結(jié)語

本文以某裝配式鋼結(jié)構建筑為背景開展研究，分析總結(jié)了該裝配式鋼結(jié)構建筑的構件制作和施工工藝，通過有限元模擬的方式，對比了一次加載法和逐層加載法下各指標差異情況，對施工模擬必要性做出了驗證，并探討了各鋼柱豎向變形以及預找平值，可為類似施工提供參考。

參考文獻

[1] 王錚，張慶周.裝配式 PC 構件生產(chǎn)加工階段增量成本控制[J].北京力學會第26屆學術年會論文集，2020.

[2] 童春華.住房和城鄉(xiāng)建設部建筑市場監(jiān)管司下發(fā)通知要求做好建筑市場監(jiān)管信息系統(tǒng)連接試點工作[J].中國勘察設計，2013（1）：18-18.

[3] 金凌志，廉德銘，李麗，等.鋼筋桁架超高性能混凝土疊合板受彎性能試驗研究[J].工業(yè)建筑，2020，50（3）：69-75.

[4] 萬勇.裝配式鋼筋桁架樓承板施工技術與工藝[J].城市建筑，2016（35）：76-77.

[5] 李宗志，王東，鄧成邦，等.橫向鋼筋對鋼筋桁架樓承板的影響研究[J].中國水運，2020 （7）：155-157.

[6] 彭軍.裝配式鋼結(jié)構住宅關鍵技術研究與工程實踐[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2017.