大跨度空腹夾層板結(jié)構(gòu)支撐體系設(shè)計及分析

戴 磊

（中鐵十六局集團(tuán)有限公司 北京 100018）

1 引言

在工程建設(shè)過程中，對大跨度結(jié)構(gòu)的應(yīng)用主要是在工業(yè)建筑以及公共建筑中，其可以實現(xiàn)建筑單層到多層的發(fā)展，進(jìn)而提高建筑的利用率，并在一定基礎(chǔ)上節(jié)約了土地資源。這不僅促進(jìn)了相應(yīng)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益與社會效益完美結(jié)合，還在一定程度上推動了我國社會生態(tài)文明建設(shè)的發(fā)展［1-3］。

在實際工程施工作業(yè)中，空腹夾層板結(jié)構(gòu)作為一項新型的樓蓋結(jié)構(gòu)體系，在實際運(yùn)用過程中缺乏一定的經(jīng)驗，且結(jié)構(gòu)模板支撐體系較為復(fù)雜。因此，相關(guān)施工單位在具體的施工過程中必須深入分析，在此基礎(chǔ)上開展設(shè)計工作，以此來實現(xiàn)大跨度空腹夾層板結(jié)構(gòu)支撐體系作用的發(fā)揮。本文對大跨度空腹夾層板結(jié)構(gòu)特點及施工工藝進(jìn)行分析，設(shè)計出可以應(yīng)用于大跨度空腹夾層板結(jié)構(gòu)的支撐體系布置方案，再結(jié)合實際的工程項目來對支撐體系進(jìn)行受力計算，最后通過有限元分析驗證了支撐體系的可行性［4-5］。

2 工程概況

2．1 工程簡介

貴州省老干部活動改擴(kuò)建項目位于貴陽市云巖區(qū)宅吉路7號，毗鄰省政府大院。建筑平面長103.8 m，最寬46.8 m，地下兩層，地上5層。地上一層以上結(jié)構(gòu)體系為大跨度框架，大跨度樓蓋采用空腹夾層板，一層以上在7#～8#軸處設(shè)縫將結(jié)構(gòu)斷為A、B兩個計算單元。A區(qū)2、3層樓面結(jié)構(gòu)參數(shù)相同，采用正交斜放混凝土空腹夾層板結(jié)構(gòu)，最大跨度尺寸為23.40 m×39.0 m，該結(jié)構(gòu)為世界首例；A區(qū)4層為架空層，5層為U形鋼板組合空腹夾層板結(jié)構(gòu)，跨度為39 m×39 m。B區(qū)2、3、4層樓面結(jié)構(gòu)參數(shù)相同，采用正交正放空腹夾層板結(jié)構(gòu)，最大跨度為15.6 m×23.4 m；B區(qū)5層采用正交正放空腹夾層板結(jié)構(gòu)，最大跨度為31.2 m×39.0 m。

2．2 結(jié)構(gòu)特點

空腹夾層板結(jié)構(gòu)為大跨度無預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，且梁體中空，在大型公共建筑尤為適用，節(jié)省了大量土地及資源［6］?？崭箠A層板結(jié)構(gòu)為新型結(jié)構(gòu)體系，此結(jié)構(gòu)體系多用于建造多層大跨度工業(yè)與公共建筑，具有節(jié)約空間、節(jié)省材料、提高性能的顯著效果，達(dá)到了“循環(huán)經(jīng)濟(jì)三原則”要求。

2．3 施工難點

空腹夾層板結(jié)構(gòu)為新型工藝形式，與普通房建形式差別較大，目前尚無比較成熟的施工工藝，因此為本工程施工帶來了較多的難題。

（1）施工平臺及支架模板如何搭設(shè)安裝，以方便下肋鋼筋及混凝土施工。

（2）在城市無法連續(xù)供應(yīng)混凝土的情況下，如何確?？崭箠A層板部分混凝土的澆筑質(zhì)量。

3 支撐體系設(shè)計及分析

3．1 布置方案

多層大跨度空腹夾層板由上下肋、剪力鍵以及混凝土薄板構(gòu)成，其腹部中空。

以往空腹夾層板結(jié)構(gòu)施工時，均采用兩次搭設(shè)腳手架的施工方式：在現(xiàn)場搭設(shè)滿堂腳手架的情況下，第一次澆筑空腹夾層板的下部網(wǎng)格（即下肋）以及剪力鍵部分混凝土［7］。待混凝土初凝后，再搭設(shè)上部密肋網(wǎng)格板（即上肋和薄板）的模板及鋼筋，第二次澆筑上部網(wǎng)格板細(xì)石混凝土。由于薄板的模板并沒有搭設(shè)，因此在第一次澆筑下部網(wǎng)格混凝土?xí)r，需另搭設(shè)施工平臺，采用通常形式的施工平臺如圖1所示。人員施工工序繁瑣，易出現(xiàn)安全事故，且需在搭設(shè)上部支撐體系之前拆除上述施工平臺，施工成本較高。

圖1 通常形式的施工平臺

為保證施工時工人的人身安全，節(jié)約施工成本，本工程在施工時所有支架一次性搭設(shè)完成，支架立桿根據(jù)每層層高不同單獨設(shè)置，除下肋及剪力鍵立桿外，其余立桿搭設(shè)至薄板底面，采用下肋模板支撐利用短橫桿連接兩個立桿的形式。支架體系基本完成后，鋪設(shè)下肋底板模板，模板完成后，綁扎下肋鋼筋，安裝下肋側(cè)向模板。模板上口采用步步緊加固，中間處采用短橫桿連接至下肋兩側(cè)立桿形成橫向支撐加固形式，避免混凝土脹模。在澆筑混凝土前加固支架，每個剪力鍵下方及較大下肋單獨支撐鋼管，并與周圍立桿連接形成整體，確?；炷翝仓r支架體系的穩(wěn)定（見圖2）。

圖2 整體支架模板體系搭設(shè)示意

3．2 有限元分析

以貴州省老干部活動設(shè)施改擴(kuò)建項目A區(qū)為例，對多層大跨度空腹夾層板結(jié)構(gòu)的支撐體系進(jìn)行有限元驗證［8］。

3．2．1 有限元分析模型

在大跨度空腹夾層板結(jié)構(gòu)支撐體系設(shè)計中，采用有限元軟件SAP2000進(jìn)行整體分析計算。在實際的施工過程中，由于外界環(huán)境以及施工工序等一系列因素的影響，很可能導(dǎo)致施工材料在使用過程中出現(xiàn)變化。在施工環(huán)節(jié)中，澆筑工作完成之后，混凝土的齡期會出現(xiàn)相應(yīng)增長，而且其強(qiáng)度以及彈性模量也會有一定程度的增大，這對工程施工的后續(xù)工作有一定影響?；诖?，施工單位可以利用有限元分析，采用早齡期混凝土彈性模量的計算公式來對其實際的變化量進(jìn)行分析與記錄，從而確?；炷翝仓^程中性能的穩(wěn)定，進(jìn)而為后續(xù)的施工工作奠定良好基礎(chǔ)。

由于本工程跨度較大，支撐體系較為復(fù)雜，因此在建立有限元模型時，通過最大承載力相等原則對支撐體系進(jìn)行等效處理，從而忽略水平拉桿的影響。根據(jù)工程A區(qū)的實際情況，其有限元模型如圖3所示。

3．2．2 樓板受沖切承載力驗算

空腹夾層板部分薄板厚度均為h＝100 mm，取支撐立桿軸力最大值，即52.19 kN進(jìn)行驗算。本工程支撐立桿端部的方木尺寸為100×100 mm，厚度為12 mm。由《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中的計算公式可知，在局部荷載或集中反力作用下樓板的受沖切承載力驗算為：

由此可知，采用此種施工方式時，樓板受沖切承載力滿足要求。

3．2．3 空腹夾層板上下肋和剪力鍵內(nèi)力及配筋驗算

一層下肋軸力以及彎矩分布情況如圖4～圖5所示。內(nèi)力分布與設(shè)計相同，下肋邊節(jié)間處為壓力，中間節(jié)間為拉力；彎矩值一般情況下會出現(xiàn)相應(yīng)的變化，一般是由邊節(jié)間向中間呈現(xiàn)節(jié)間遞減的趨勢［9-11］。

圖3 A區(qū)有限元模型

圖4 一層下肋軸力圖

圖5 一層下肋彎矩圖

剪力鍵的剪力分布如圖6所示，與設(shè)計相同。越靠近肋的支座剪力鍵的剪力值越大，越往跨中剪力值越小。

由此可見支撐體系的搭設(shè)并未影響上下肋以及剪力鍵的內(nèi)力分布情況。

本工程下肋、剪力鍵混凝土強(qiáng)度等級為C40，上肋混凝土強(qiáng)度等級為C45；上下肋、剪力鍵設(shè)計時縱筋均采用HRB400級鋼筋，箍筋均采用HPB300級鋼筋。

（1）上下肋配筋驗算

以某局部位置下肋配筋為例進(jìn)行說明，有限元分析結(jié)果表明此處所需縱筋配筋面積2 887 mm2，而本工程設(shè)計中的下肋縱筋為612+625，則縱筋配筋面積為3 623 mm2＞2 887 mm2。在經(jīng)過計算驗證后，上下肋配筋均滿足要求［12］。

（2）剪力鍵配筋驗算

經(jīng)過分析與計算得知，在此過程中剪力鍵所需縱筋配筋面積最大為3 002 mm2，而縱筋最小配筋面積為4 572 mm2，在經(jīng)過比較分析后配筋滿足設(shè)計要求。

綜上所述，采用該支撐施工時夾層板設(shè)計滿足要求。

圖6 一層剪力鍵剪力分布

4 結(jié)束語

基于空腹夾層板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工難度大，采用了整體一次性搭設(shè)支架模板體系的措施，避免了二次搭設(shè)安全平臺，提高了施工效率，且經(jīng)濟(jì)效益尤為顯著。通過對大跨度空腹夾層板結(jié)構(gòu)支撐體系設(shè)計及分析，得出以下結(jié)論：

（1）在多層大跨度空腹夾層板結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工時，可采用扣件式滿堂腳手架的搭設(shè)方式。

（2）空腹夾層板支撐體系改進(jìn)技術(shù)的核心部分是根據(jù)受力分析計算，一次性搭設(shè)支架及模板，減少了二次搭拆安全施工平臺的工作量，且更有效地保證了人員的施工安全，大大節(jié)省了施工工期。

（3）滿堂腳手架支架體系一次性搭設(shè)完成，下肋支撐采用短橫桿連接兩個立桿的形式，板立桿直接搭設(shè)至板底，以方便施工，為混凝土澆筑留出足夠安全且方便的工作面。