企口疊合梁在裝配式建筑中的應用與思考

劉 軍，楊 松

(1.中建八局深圳科創發展有限公司,廣東 深圳 518000; 2.中建八局南方公司設計研究院,廣東 深圳 518000)

0 引言

早在1994年曾有學者對企口連接進行了研究,得出了企口干式連接[1]的特點。魏文暉等[2]對單齒柱和企口梁連接節點進行了研究,發現了該節點具有良好的抗震性能。馬文浩等[3]對端部設鋼企口的預制梁進行了分析,提出了企口擱置處采用加勁板補強的建議。隨著裝配式政策和技術的大力推廣,大量重載物流園倉儲項目引入企口做法裝配式建造技術。如先張法預應力預制整澆混凝土框架體系[4-5]預制疊合梁中采用企口梁[6-9]做法,采用高強鋼筋及預應力技術節省了材料用量,優化了節點做法,提高了施工便利性,也縮短建造工期。企口疊合梁快速發展的同時也帶來較多安全問題,我們需要引起重視,因此有必要開展對企口疊合梁的研究與復盤。

1 項目概況

國貿物流海口倉儲項目位于海口保稅區老城開發區,建設用地面積約為7萬m2,規劃總建筑面積約為12.2萬m2,由A,B兩棟倉庫、裝卸平臺及盤道等組成。其中A,B棟為裝配式鋼結構建筑,卸貨平臺及盤道采用“先張+后張”預應力技術,層高為12 m。卸貨平臺模型與現場如圖1所示。

本工程抗震設防烈度為8度(0.2g),設計地震分組為第二組,抗震設防類別丙類,50年基本風壓0.75 kN/m2,本工程樓面活載設計值見表1。

表1 樓面活載取值 kN/m2

在施工巡場中發現預應力疊合次梁擱置長度偏小,引起了工程師對預應力疊合梁企口部位安全的擔憂和思考,圖2為預應力企口疊合梁擱置長度的實況。

2 汽車吊樓面作業分析

2.1 樓面等效均布活荷載分析

本工程擬采用75 t汽車吊上二層樓面作業,吊裝第三層大跨度預應力疊合框架梁(倒T梁)(見圖3),截面為T850×2 300,其單拼質量約31 t,具體參數見表2。

表2 汽車吊參數

75 t汽車吊在二層樓面行走時支腿收起,前輪單輪輪壓為5 t,荷載作用面為200 mm×300 mm;后輪雙輪輪壓為6.5 t,荷載作用面為200 mm×600 mm。

當荷載作用面長邊平行于板跨時,簡支板上荷載的有效分布寬度如圖4所示。

樓板局部荷載的有效分布寬度b可由式(1)—式(4)[10]計算:

當bcx≥bcy,bcy≤0.6l,bcx≤l時:

b=bcy+0.7l

(1)

當bcx≥bcy,0.6l≤bcy≤l,bcx≤l時:

b=0.6bcy+0.94l

(2)

bcx=btx+2s+h

(3)

bcy=bty+2s+h

(4)

樓板上局部荷載的等效均布荷載可由式(5)計算:

qe=8Mmax/(bl2)

(5)

其中,l為板的跨度;bcx為荷載作用面平行于板跨的計算寬度;bcy為荷載作用面垂直于板跨的計算寬度;btx為荷載作用面平行于板跨的寬度(輪胎接地寬度);bty為荷載作用面垂直于板跨的寬度(輪胎接地長度);s為墊層的厚度,取10 mm;h為板的厚度;Mmax為樓板的最大彎矩。

75 t汽車吊樓面作業時樓面等效均布活載計算結果如表3所示。

表3 樓面等效均布活載

由上述可知:75 t汽車吊上樓面作業時,樓面等效均布活載約為35.1 kN/m2,前輪與后輪荷載符合荷載作用面長邊垂直于板跨的情況,本工程設計卸貨平臺樓面活荷載為40 kN/m2,故75 t汽車吊上樓面作業行走安全[11]。

2.2 汽車吊支腿反力分析

本工程最不利工況為汽車吊吊裝倒T主梁(長度24.3 m),由預制尺寸為250 mm×1 650 mm雙拼而成,單拼構件自重31 t,含吊鉤32 t,采用50 mm×400 mm×500 mm矩形管,材質為Q355B,作為汽車吊支腿承壓面,前腿搭設在次梁上,后腿壓在主梁上。剛性支撐方案示意圖如圖5所示。

汽車吊上二層樓面吊裝作業時,支腿通過鋼梁轉換到預制次梁上,支腿荷載可由式(6)計算:

N=∑P/4±[M·(cosα/2a+sinα/2b)]

(6)

其中,∑P為吊車自重及預制梁自重,樓面吊裝時,吊車自重為46 t,配重為22.4 t,最重主梁含吊索具32 t,吊裝時整體質量100.4 t;M為起重力矩;α為起重臂與車身夾角;a為支腿縱向距離,a=6.31 m;b為支腿橫向距離,b=7.7 m。

根據不同吊裝角度,對最不利工況下支腿反力進行計算,汽車吊在樓面吊裝次梁作業時,最不利為工況3和工況4(工況3與工況4為對稱關系),結果詳見表4。

表4 不同工況下支腿反力

2.3 樓面作業最不利工況分析

工況3是吊裝就位前某個時間段,此時單個支腿最大荷載N1撐在次梁上,另一支腿N3支撐在主梁上,支腿位于1根次梁上時為最不利情況,考慮1.3的動力放大系數。偏于保守計算,吊車支腿壓力按集中力,次梁按兩端簡支計算,工況3如圖6所示。

工況4是起吊回撤某個時間段,此時單個支腿最大荷載N1和N2撐在次梁上,考慮折算一半到主梁上,N3和N4撐在主梁上,考慮1.3的動力系數,實際采用50 mm×400 mm×500 mm矩形管將支腿反力傳遞至主梁上,工況4如圖7所示。

依據工況3與工況4計算簡圖可以得到如下數據,如表5所示。

表5 最不利工況分析結果

根據以上分析可知:1)工況3時平臺二層企口疊合次梁扣除恒載外設計抗彎承載力MR>M,故企口疊合次梁滿足施工時的支腿荷載承載能力要求。2)工況4時平臺二層主梁扣除恒載外設計抗彎承載力MR>M,且余量較大,滿足施工時的支腿荷載承載能力要求。3)實際吊裝中支腿下方墊50 mm×400 mm×500 mm矩形鋼管,鋼梁架于兩根次梁上,單個支腿荷載會根據支腿位置情況分配到兩根次梁上,次梁受到的集中力會偏小。

3 企口疊合梁施工中的思考

預制企口疊合次梁間距為2.8 m,標準跨度11.5 m,截面250 mm×1 080 mm,疊合后挑頭總高為580 mm,計算活荷載28 kN/m2,施工階段梁端剪力設計值Fv=200 kN,使用階段梁端最大剪力設計值Fv=800 kN,理論設計擱置長度180 mm,根據現場實際施工情況,按最小擱置100 mm進行驗算,預應力疊合主梁、次梁見圖8。

3.1 擱置點局壓分析

企口疊合梁預制部分混凝土強度等級均為C50,企口疊合次梁參數詳見表6。

表6 企口疊合次梁局壓參數

考慮可能存在的不利因素,承壓系數取0.9,由局壓公式可知:長度為11.5 m的企口疊合次梁擱置長度大于100 mm時,擱置點局壓承載力滿足規范要求。

3.2 結合面接縫抗剪分析

根據75 t汽車吊,次梁附近最大支腿力(考慮動力系數1.3)為650 kN,保守考慮該支點力全部由一根次梁承擔,集中力距離梁端4.8 m,荷載簡圖如圖9所示。

由圖9可知吊裝三層平臺預制梁時,次梁一端產生的最大剪力為492 kN。考慮吊機上二層樓面吊裝時,可由式(7)[12-13]驗算梁端結合面1截面抗剪安全性:

Vu=0.07fcAcl+1.65Asd(fcfy)0.5

(7)

其中,Acl為疊合梁端截面后澆混凝土疊合層截面面積;fc為混凝土軸心抗壓強度;fy為垂直穿過結合面鋼筋抗拉強度設計值;Asd為垂直穿過結合面所有鋼筋的截面面積。

考慮到三層平臺吊裝時,二層平臺強度不得低于設計強度的75%[14],垂直穿過結合面鋼筋的截面面積僅計入現澆層內縱筋。因挑頭底承壓承載力N1=520 kN,由上式可知梁端接縫抗剪承載力設計值Vu=303 kN,總的抗剪承載力設計值V=303+520=823 kN遠大于492 kN;故汽車吊上樓面作業安裝三層預制梁時,二層預制次梁端部抗剪承載力滿足要求。

3.3 疊合梁截面抗剪分析

因存在預制與后澆結合面,按圖示斷面1(如圖10所示)進行端部不利截面的正截面抗剪驗算,不考慮預制梁端粗糙面對界面抗剪的有利作用,僅考慮疊合層的混凝土、穿過該計算截面的鋼筋及梁端底部擱置點的支撐力。

擱置長度大于100 mm時,滿足正常使用階段的安全要求,但承載力富余較少,建議對擱置長度為100 mm～150 mm的梁,梁側板內或箍筋內增加附加抗剪鋼筋,抗剪鋼筋穿過主梁伸出15d。

按圖示斷面3進行端部不利截面斜截面計算,挑頭內已增設鋼板抗剪件,可按型鋼混凝土梁計算式(8)[15]考慮。

V=0.7ftbh0+fyvAsvh0/s+0.58fatwhw

(8)

其中,b為梁截面寬度;h0為梁截面有效高度;Asv為箍筋全截面面積;tw為鋼板厚度;hw為鋼板寬度;ft為混凝土軸心抗拉強度設計值;fyv為箍筋抗拉強度設計值;fa為型鋼抗拉強度設計值。

由式(9)可知疊合梁斜截面抗剪承載力滿足設計要求,挑頭抗剪承載力不受擱置長度變化的影響。

3.4 疊合梁端部補強措施

預制次梁在主梁上擱置長度約為100 mm～150 mm時,為使其在施工階段和使用階段均滿足要求,宜對梁端進行抗剪補強處理,企口疊合次梁詳圖如圖11所示。

為彌補擱置不足所產生的承載力下降,擬采取以下補強措施:1)考慮到部分梁端在支墩上產生偏置,在修補支墩缺口后可能存在接觸面受力不均勻的情況,建議每個次梁端頭附加抗剪鋼筋。抗剪鋼筋配置在預制次梁疊合面及兩側各200 mm寬的樓板內,應橫跨主梁并伸入次梁或樓板不小于400 mm。2)當局壓不滿足時,由于梁端預應力的作用,防治局部脆裂可以在疊合梁企口處底部增設鋼板[16],截面為-400×250×20,施工便利對構件無損傷。

4 結語

企口疊合梁在裝配式建筑中的應用越來越廣泛,文章以國貿物流海口倉儲項目為例,從汽車吊樓面作業分析到企口疊合梁施工中的思考分析得出:1)大型汽車吊上樓面作業須引起設計、施工的重視,重點關注汽車吊行走和吊裝時不同工況下對梁板的受力影響,必要時可采取有效的臨時補強措施。2)企口疊合次梁底筋采用不入支座內的做法,便于生產、運輸和吊裝。為保證接縫的抗剪要求,構件加工時須做好粗糙面或鍵槽,疊合梁現澆層宜附加抗剪鋼筋。抗剪鋼筋配置在預制次梁疊合面及兩側各200 mm寬的樓板內,應橫跨主梁并伸入次梁或樓板不小于400 mm。3)由于梁端預應力的作用,防治局部脆裂在梁端采用設置墊塊(鋼板)是一種較好的解決局壓措施,其施工便利性好且無損傷。進一步為企口疊合梁在裝配式工程應用提供數據支撐。