單向疊合板開裂影響因素及堆放方案優(yōu)化研究

邊廣生，寇展華，李偉

（1．山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250101；2．中鐵十局集團(tuán)建筑工程有限公司，山東 濟(jì)南250101）

0 引言

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)稱裝配式結(jié)構(gòu)，是以預(yù)制構(gòu)件為主要受力構(gòu)件經(jīng)裝配、連接而成的混凝土結(jié)構(gòu)［1］。裝配式建筑技術(shù)具有設(shè)計(jì)多樣化、功能科技化、生產(chǎn)工廠化和施工裝配化等特點(diǎn)使其具有諸多優(yōu)勢(shì)［2］。美國(guó)、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家裝配式技術(shù)已經(jīng)十分完善［3］。相比之下，我國(guó)裝配式技術(shù)尚處于相對(duì)落后的階段，實(shí)施過程中，還存在著諸多問題和技術(shù)難題，因此備受研究者的關(guān)注［4］。陳華柱等對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板進(jìn)行研究，并結(jié)合工程實(shí)例，總結(jié)了疊合板的安裝施工技術(shù)質(zhì)量要求及現(xiàn)場(chǎng)要求［5］；吳方伯等對(duì)預(yù)制帶肋薄板混凝土疊合板進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)研究了預(yù)制薄板的極限承載力、剛度及抗裂性能［6］；黃海林等對(duì)三種類型的肋底板疊合板進(jìn)行受彎性能靜載對(duì)比試驗(yàn)，提出了預(yù)制帶肋底板混凝土疊合板的開裂彎矩和極限彎矩計(jì)算式［7］；陳適才等對(duì)高軸壓預(yù)制梁－柱－疊合板裝配邊節(jié)點(diǎn)試件在低周反復(fù)荷載作用下的抗震性能進(jìn)行研究，并與相同構(gòu)件參數(shù)的整體現(xiàn)澆式試件進(jìn)行對(duì)比［8］；劉香等研制出一種新型預(yù)制帶肋鋼筋桁架疊合板，并對(duì)其進(jìn)行靜力加載試驗(yàn)及有限元分析，得到該新型疊合板的受力特征、裂縫開展規(guī)律、破壞形態(tài)和在施工階段預(yù)制底板的受力性能［9］；張鵬等對(duì)一種新型吊具進(jìn)行說明與研究［10］；楊海文等對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)的安裝技術(shù)進(jìn)行研究［11］。但鮮有涉及關(guān)于單向疊合板在堆放過程中其長(zhǎng)寬比及支點(diǎn)形式對(duì)其開裂影響的研究。文章針對(duì)實(shí)際工程中板件在堆放環(huán)節(jié)出現(xiàn)裂縫的問題，通過理論計(jì)算與有限元分析相結(jié)合的方法，對(duì)單向疊合板的長(zhǎng)寬比及支點(diǎn)形式對(duì)其開裂的影響進(jìn)行研究，得出構(gòu)件的理想尺寸及支點(diǎn)形式，為深化設(shè)計(jì)階段構(gòu)件的拆分提供了理論依據(jù)，并針對(duì)疊合板的無(wú)序堆放問題，提出了較為完善的解決方案。

1 工程概況

濟(jì)南某項(xiàng)目是經(jīng)十路沿線住宅用地，占地面積103870 m2，建筑面積 422744 m2，1＃、2＃、9＃、10＃住宅樓的梁、柱采用現(xiàn)澆形式，樓板采用疊合板。疊合板由山東省一裝配式預(yù)制構(gòu)件工廠進(jìn)行生產(chǎn)并投入使用。

項(xiàng)目開始之初，單向鋼筋桁架混凝土疊合板在堆放環(huán)節(jié)出現(xiàn)了大量問題：構(gòu)件的尺寸與支點(diǎn)形式對(duì)構(gòu)件的開裂彎矩與板內(nèi)最大彎矩均有影響，設(shè)計(jì)人員缺乏對(duì)單向疊合板的理論研究及參照標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致疊合板開裂現(xiàn)象頻發(fā)、質(zhì)量達(dá)不到要求；疊合板在堆放環(huán)節(jié)沒有完善的方案，在堆放時(shí)發(fā)生損壞以及裝車過程中出現(xiàn)翻找及二次翻運(yùn)板件的現(xiàn)象，運(yùn)輸效率極低。經(jīng)過對(duì)疊合板的尺寸及支點(diǎn)形式進(jìn)行分析與研究并且制定了完善的堆放方案，較好地解決了疊合板在生產(chǎn)與堆放環(huán)節(jié)中遇到的問題，為之后項(xiàng)目的順利進(jìn)行奠定了良好的基礎(chǔ)。

2 單向疊合板開裂影響因素分析

疊合板生產(chǎn)完成后，質(zhì)檢人員復(fù)檢時(shí)發(fā)現(xiàn)有些板件的底部出現(xiàn)沿寬度方向的裂縫，影響板件質(zhì)量。技術(shù)人員針對(duì)此問題對(duì)疊合板的尺寸與墊木形式對(duì)板件產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，得出相應(yīng)結(jié)論，改善了施工工藝。

2．1 疊合板尺寸的影響

2．1．1 理論計(jì)算

根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的開裂彎矩由式（1）～（5）［12］表示為

式中：Mcr為受彎構(gòu)件開裂彎矩計(jì)算值，kN·m；γ為混凝土構(gòu)件的截面抵抗矩塑性影響系數(shù)；γm為混凝土構(gòu)件的截面抵抗矩塑性影響系數(shù)基本值，對(duì)于矩形截面取1．55；W0為試驗(yàn)樓板按實(shí)際尺寸計(jì)算的換算截面受拉邊緣的截面抵抗矩，mm3；I0為換算截面慣性矩，mm4；y0為換算截面重心軸距受拉邊緣的距離，mm；x0為混凝土的受壓區(qū)高度，mm；b為矩形截面寬度或T形、I形截面的腹板寬度，mm；h、h0分別為截面高度和截面的有效高度，mm；As為受拉區(qū)縱向普通鋼筋的截面面積，mm2；n為受拉區(qū)縱向普通鋼筋的根數(shù)。

取不同的疊合板尺寸進(jìn)行計(jì)算，以1200 mm×4000 mm疊合板為例，其荷載標(biāo)準(zhǔn)值為4．2 kN／m，計(jì)算得最大彎矩為1．680 kN·m，彎矩圖如圖1所示。

圖1 板件彎矩圖 ／（kN·m）

對(duì)相同尺寸下疊合板的開裂彎矩值進(jìn)行計(jì)算。取as＝20mm；n＝14；As＝201mm2。將板件尺寸及荷載數(shù)值代入式（2）～（5）計(jì)算得：γ＝（0．7＋201×（40－30．03）2＝72104586．95 mm4；W0＝2403486．2 mm3。

將以上數(shù)值帶入式（1）計(jì)算得疊合板的開裂彎矩值Mcr＝1．15×W0×1．43＝3953 kN·m。以1．2的系數(shù)對(duì)計(jì)算的開裂彎矩值進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的開裂彎矩值為3．3 kN·m。

2．1．2 有限元分析

用 ANSYS Workbench 15．0對(duì)截面尺寸為1200 mm×4000 mm的疊合板進(jìn)行有限元分析，疊合板采用實(shí)體單元，在疊合板內(nèi)部切割出鋼筋的位置，疊合板材料為混凝土，鋼筋材料為Q235，支座位置設(shè)置在距離板件邊緣0．2L處（圖2中綠色部位模擬木方與疊合板接觸面），板件模型如圖2所示，支座位置處用Frictionless Support命令模擬鉸接。

對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為50 mm，應(yīng)力云圖如圖3所示，板底邊緣跨中位置處正彎矩最大為0．667 MPa，向兩側(cè)依次減小，在支座位置處，板頂負(fù)彎矩最大，應(yīng)力云圖與理論計(jì)算的板件彎矩圖相似。

對(duì)截面尺寸分別為1200mm×4000mm、1200mm×5000mm、1200mm×6000mm、1200mm×7000mm、1200 mm×8000 mm的5種疊合板進(jìn)行理論計(jì)算與有限元分析，每種板件理論計(jì)算的最大應(yīng)力值、有限元分析的最大應(yīng)力值以及板件開裂應(yīng)力值如圖4所示。

圖2 疊合板模型圖

圖3 點(diǎn)狀支撐疊合板應(yīng)力云圖

圖4 板件應(yīng)力值分布圖

隨著板件長(zhǎng)度的增加，板件跨中最大應(yīng)力值呈上升趨勢(shì)，理論計(jì)算與有限元計(jì)算數(shù)值曲線走勢(shì)相吻合，數(shù)值最大誤差約為8．3%，最小誤差約為1．9%，平均誤差＜5%，理論計(jì)算與實(shí)際情況較為吻合。板件的開裂應(yīng)力值不會(huì)隨著板件長(zhǎng)度的改變而改變，應(yīng)力值約為1．41 MPa。考慮到建筑模數(shù)的原因，滿足構(gòu)件不開裂要求的長(zhǎng)寬比應(yīng)介于3∶1～6∶1為宜。

2．2 疊合板支點(diǎn)形式對(duì)板件開裂的影響

文章2．1節(jié)在距離板件邊緣0．2L處放置4根200 mm×50 mm×100 mm的木方作為板件的支撐，木方與板件的接觸面積相對(duì)較小，可看作4點(diǎn)支撐形式。將支撐形式由4點(diǎn)支撐變?yōu)闂l形支撐，用有限元軟件模擬2根距離板件邊緣0．2L處并垂直于板長(zhǎng)方向的通長(zhǎng)木方作為板件的支撐，木方與板件的接觸面為2根50 mm的條形帶，板件的應(yīng)力云圖如圖5所示，點(diǎn)狀支撐與條形支撐板件跨中最大應(yīng)力值對(duì)比如圖6所示。

圖5 條形支撐板件應(yīng)力云圖

圖6 點(diǎn)狀與條形支撐最大應(yīng)力對(duì)比圖

隨著板件長(zhǎng)度的增加，2種支撐形式的跨中最大應(yīng)力值數(shù)值曲線走向基本一致，條形支撐的最大應(yīng)力值比點(diǎn)狀支撐高約為10%，實(shí)際堆放過程中選擇點(diǎn)狀支撐為宜。

3 疊合板堆放方案優(yōu)化

在裝配式混凝土建筑的施工過程中，預(yù)制構(gòu)件需要提前生產(chǎn)預(yù)制［13］，構(gòu)件預(yù)制完成后不可能即刻進(jìn)行安裝，需要在預(yù)制工廠中進(jìn)行堆放。

3．1 問題分析

（1）堆放場(chǎng)地規(guī)劃不合理、疊合板堆放雜亂無(wú)章，當(dāng)需要運(yùn)輸某些特定型號(hào)的板件時(shí)，需要大量的翻找、二次翻運(yùn)，不僅耗時(shí)而且耗力。

（2）交通道路規(guī)劃不合理導(dǎo)致運(yùn)輸車輛進(jìn)出困難，影響構(gòu)件的運(yùn)輸與安裝、影響工期，導(dǎo)致成本增加。

3．2 優(yōu)化措施

（1）根據(jù)預(yù)制工廠的建筑平面圖，劃分堆放場(chǎng)地并規(guī)劃道路。堆放場(chǎng)地主要道路設(shè)置為單行道路，寬度至少為貨車寬度的2倍，其出入口設(shè)置在預(yù)制工廠的主道路上。堆放的各個(gè)區(qū)域按網(wǎng)格進(jìn)行劃分，堆垛間相距2 m設(shè)置為次要道路［14］，方便工人對(duì)各個(gè)構(gòu)件的護(hù)理、檢測(cè)和預(yù)防構(gòu)件之間發(fā)生碰撞。預(yù)制工廠堆放場(chǎng)地吊運(yùn)以航吊為主，汽車吊為輔［15］，汽車吊在各個(gè)位置的起吊范圍累積可以覆蓋整個(gè)堆放場(chǎng)地。

（2）制定合理的堆放方案，將堆放場(chǎng)地劃分出各個(gè)區(qū)域，以放置不同型號(hào)的構(gòu)件，并在各個(gè)區(qū)域設(shè)立指示牌，標(biāo)明此區(qū)域放置構(gòu)件的型號(hào)。堆放方式主要有：

①相同型號(hào)的構(gòu)件堆放在一起，即一種型號(hào)為1垛，這種堆放方式的優(yōu)勢(shì)是：構(gòu)件完全相同，堆放時(shí)，墊木垂直方向在一條直線上，各個(gè)構(gòu)件的墊木均在最有利位置。但運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)需要運(yùn)送一個(gè)安裝區(qū)域的構(gòu)件，不可能為一種類型構(gòu)件，這就需要車輛輾轉(zhuǎn)多個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行吊裝，較為麻煩。

②同一安裝區(qū)域的構(gòu)件堆放在一起即一個(gè)區(qū)域?yàn)?垛或2垛，堆放時(shí)小構(gòu)件在下，大構(gòu)件在上，這樣裝車時(shí)就可以使得大構(gòu)件在下，小構(gòu)件在上。這種堆放方式的優(yōu)勢(shì)是：需要特定區(qū)域的構(gòu)件就可以去指定的地點(diǎn)進(jìn)行裝車，不需要輾轉(zhuǎn)多個(gè)地點(diǎn)去“湊齊”構(gòu)件，節(jié)省勞動(dòng)力、節(jié)約時(shí)間和成本。但不同型號(hào)的構(gòu)件的尺寸不同，墊木放置的最有利位置不同，堆放時(shí)，墊木在垂直方向需要在同一直線上，需要對(duì)上、下層構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算無(wú)誤后方可堆放。

實(shí)際工程中采用第一種方式進(jìn)行堆放，經(jīng)實(shí)踐證明，這種堆放方式的裝車速率相較于無(wú)序堆放提升了5倍。

4 結(jié)論

通過預(yù)制廠區(qū)的施工實(shí)踐，針對(duì)堆放過程中板件開裂以及無(wú)序堆放的問題進(jìn)行分析與研究，得出以下結(jié)論：

（1）寬度不變的情況下，板件跨中最大應(yīng)力值隨著板件長(zhǎng)度的增加而增加。對(duì)于同種板件，其長(zhǎng)邊邊緣跨中應(yīng)力值最大，向兩側(cè)依次遞減，板件應(yīng)力云圖與理論計(jì)算的彎矩圖形狀相似。板件的開裂應(yīng)力值不會(huì)隨著板件長(zhǎng)度的增加而變化，基本為一定值，考慮建筑模數(shù)的因素，單向疊合板的長(zhǎng)寬比應(yīng)控制在3∶1～6∶1為宜。

（2）支點(diǎn)形式為距離板件邊緣0．2L處垂直于板件長(zhǎng)度方向的條形支撐時(shí)，板件跨中最大應(yīng)力值相比于點(diǎn)狀支撐時(shí)提升了10%，在實(shí)際堆放過程中，宜選擇點(diǎn)狀支撐的支點(diǎn)形式。

（3）對(duì)疊合板的堆放場(chǎng)地進(jìn)行網(wǎng)格化劃分，出入口設(shè)置在工廠的主要道路上，并在各個(gè)區(qū)域設(shè)立指示牌。構(gòu)件堆放時(shí)，同種型號(hào)的構(gòu)件堆放在同一區(qū)域，而同一安裝區(qū)域的不同型號(hào)構(gòu)件堆放在相鄰區(qū)域。此種堆放方式的運(yùn)輸效率相較于無(wú)序堆放提升了5倍。