大型工業(yè)廠房鋼筋混凝土柱半裝配化工藝研發(fā)及應(yīng)用研究

王建剛，張 清，李智軍，張心玥，劉媛瑩，梅 源

(1.陜西建工第五建設(shè)集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710032；2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

目前，我國(guó)正大力推廣綠色施工理念[1]，推進(jìn)建筑工業(yè)化，裝配式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用愈加廣泛[2].但裝配式建筑施工中存在的安全風(fēng)險(xiǎn)較大，對(duì)施工過(guò)程中的質(zhì)量及安全控制具有較高的要求，目前,對(duì)于裝配式結(jié)構(gòu)施工的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范尚不完善，施工工藝也有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)及普及.

近年來(lái)已有部分學(xué)者對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)施工中的新工藝進(jìn)行了研究[3].Jose等[4]提出一種在柱端連接鋼筋的梁柱節(jié)點(diǎn)，在循環(huán)荷載作用下進(jìn)行試驗(yàn)，將預(yù)制柱連接結(jié)果與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)連接結(jié)果進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，兩種構(gòu)件的受力性能基本相同，可以采用預(yù)制柱-梁連接方式.Saeed等[5]研究了兩種新型的預(yù)制梁和預(yù)制混凝土柱之間的抗彎連接件，一種為倒置E型截面螺栓連接，另一種為箱形截面焊接連接，并驗(yàn)證了兩種預(yù)制連接的性能與相應(yīng)的整體連接的性能相近.Yang等[6]進(jìn)行了預(yù)制H型鋼混合梁的極限抗彎承載力試驗(yàn)，分別采用了兩端鉸支和固支的邊界條件，試驗(yàn)結(jié)果表明該構(gòu)件具有較高的極限承載力和較好的延性，可作為剛性節(jié)點(diǎn).張艷霞等[7]提出了一種整體芯筒式全螺栓連接方式，并對(duì)螺栓拉力、柱腳應(yīng)變等力學(xué)性能進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，證實(shí)了其設(shè)計(jì)方法的可行性.劉付均等[8]提出了一種免模裝配一體化鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系用于解決裝配式結(jié)構(gòu)中存在的連接整體性及安全性等問(wèn)題.張晉元等[9]對(duì)裝配式混凝土柱柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其預(yù)制柱拼接處的鎖具-鎖和齒槽狀構(gòu)造改善了縱筋應(yīng)力的傳遞，有效提高了柱的受剪承載力.張愛(ài)林等[10]提出了一種裝配式梁柱-柱法蘭連接節(jié)點(diǎn)，從而對(duì)梁端的塑性鉸位置進(jìn)行控制，來(lái)保證梁柱等構(gòu)件保持在彈性的階段.哈芬公司推出了裝配式結(jié)構(gòu)中預(yù)埋在預(yù)制混凝土柱內(nèi)的新型柱腳螺栓連接裝置[11].但隨著裝配式結(jié)構(gòu)應(yīng)用的展開(kāi)，如節(jié)點(diǎn)連接質(zhì)量不佳、造價(jià)較高、施工安全隱患較大等問(wèn)題也逐漸顯露.

在大型工業(yè)廠房中，高大截面獨(dú)立柱的施工是影響工程整體施工的關(guān)鍵.若對(duì)高大截面獨(dú)立柱進(jìn)行場(chǎng)外預(yù)制再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)裝配，由于其自重大致使運(yùn)輸及吊裝困難，且裝配各個(gè)環(huán)節(jié)極易疊加風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)致事故發(fā)生[12]；若進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)澆筑施工，柱模板的支設(shè)難度較大[13]，且使用過(guò)程中模板也易發(fā)生彎曲變形，影響鋼筋混凝土柱的垂直度，施工質(zhì)量難以保障.為解決上述問(wèn)題，本文提出了一種現(xiàn)澆鋼筋混凝土柱半裝配化工藝.

1 工程概況

如圖1所示，該重型高科技精密電子廠房工程占地面積10 6553 m2，建筑面積295 122 m2，建筑高度23.9 m，建筑層數(shù)3層.電子廠房結(jié)構(gòu)形式為SRC復(fù)合結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)，核心區(qū)總跨度96 m，由三排1.4 m×1.4 m箱型鋼管混凝土柱支撐兩跨屋面鋼桁架結(jié)構(gòu)，鋼管混凝土柱之間為現(xiàn)澆混凝土柱及預(yù)制混凝土梁、柱，支持區(qū)豎向構(gòu)件為型鋼混凝土柱(SRC柱)，水平構(gòu)件為鋼梁與鋼筋桁架樓承板，樓面為現(xiàn)澆混凝土面層，其中現(xiàn)澆混凝土柱采用了半裝配化工藝.

圖1 SRC復(fù)合結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房示意圖Fig.1 Schematic diagram of Samsung SRC composite structure industrial plant

圖2 廠房結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段剖面圖Fig.2 Section of standard section of plant structure

2 現(xiàn)澆鋼筋混凝土柱半裝配化工藝設(shè)計(jì)

2.1 工藝流程設(shè)計(jì)

現(xiàn)澆鋼筋混凝土柱半裝配化工藝通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土柱工藝的創(chuàng)新，優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)鋼筋排布，利用柱模板鋼托架使柱模板與柱鋼筋籠組裝為一起，整體吊裝直插入預(yù)留柱基礎(chǔ)并進(jìn)行加固校正，再進(jìn)行混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑，其工藝流程圖見(jiàn)圖3.

圖3 半裝配化工藝流程Fig.3 Semi assembly process

2.2 關(guān)鍵工序施工控制方法

2.2.1 筏板柱坑設(shè)計(jì)與施工

在基礎(chǔ)墊層上依據(jù)軸線定位框架柱位置及預(yù)留相應(yīng)框架柱位置邊界線預(yù)埋精軋螺紋鋼筋定位線，并進(jìn)行標(biāo)識(shí).隨后按照框架柱標(biāo)識(shí)線安裝預(yù)留柱下沉基礎(chǔ)的筏板鋼筋定位支架，使用M12膨脹螺栓固定.再將基礎(chǔ)筏板鋼筋安放于定位支架上的定位卡槽內(nèi)，進(jìn)行基礎(chǔ)筏板鋼筋綁扎.然后采用快易收口網(wǎng)、60 mm×80 mm菱形鋼板網(wǎng)以及Φ16@250的鋼筋綁扎在筏板鋼筋定位支架外側(cè)，進(jìn)行基礎(chǔ)筏板混凝土攔截，并在柱下沉基礎(chǔ)四角預(yù)埋8根精軋螺紋鋼，與基礎(chǔ)筏板鋼筋焊接固定.

基礎(chǔ)筏板施工時(shí)，進(jìn)行模板定位底座設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖6)，預(yù)埋固定模板底座預(yù)埋件(見(jiàn)圖7)，預(yù)埋件采用1.3 m的Φ32的精軋螺紋鋼，預(yù)埋深度為入筏板內(nèi)80 cm，漏出筏板面50 cm，用于固定模板底座.模板底座依據(jù)位置安放后采用2根[16#槽鋼背面對(duì)焊用螺母固定于預(yù)埋精軋螺紋鋼筋上，以固定模板底座，底座安裝完畢后再次復(fù)核底座的安裝位置及標(biāo)高.

圖4 鋼筋定位支架設(shè)計(jì)Fig.4 Design of steel bar positioning support

圖5 筏板鋼筋綁扎施工Fig.5 Binding construction of raft reinforcement

圖6 模板定位底座設(shè)計(jì)Fig.6 Design of template positioning base

圖7 模板定位底座安裝Fig.7 Installation of template positioning base

2.2.2 柱鋼筋籠與模板一體化設(shè)計(jì)、加工及拼裝

如圖8所示，在場(chǎng)外加工廠集中進(jìn)行柱鋼筋籠綁扎，按照施工圖紙及柱鋼筋優(yōu)化設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行柱鋼筋下料加工，借助柱鋼筋籠綁扎操作平臺(tái)先將柱一面主筋擺放在操作平臺(tái)上表面，依次穿入柱箍筋并按照間距排布，依次與柱主筋進(jìn)行綁扎，后依次穿入其余面的柱主筋并與箍筋綁扎，柱鋼筋保護(hù)層使用L40×40×3 mm角鐵制作，間距2 500 mm布置.依照柱大小將角鐵先對(duì)焊成兩個(gè)L形，套入鋼筋籠后進(jìn)行對(duì)焊，焊點(diǎn)用Φ12鋼筋進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng).

圖8 柱鋼筋籠綁扎制作Fig.8 Binding and fabrication of column reinforcement cage

現(xiàn)澆混凝土柱模板采用2塊L型定型鋼模板(見(jiàn)圖9、10)，在專(zhuān)業(yè)加工廠集中加工后運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng).模板所用材料材質(zhì)均為Q235級(jí)鋼，具體設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1.操作平臺(tái)采用50 mm方管進(jìn)行焊接制作，加工操作架三角支撐，與鋼模板螺栓連接使用.模板長(zhǎng)度為11.03 m，每塊模板采用M20×60螺栓連接.

表1 柱模板設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of column formwork

圖9 柱模板截面設(shè)計(jì)細(xì)部尺寸Fig.9 Detail size of column formwork section design

圖10 柱模板加工Fig.10 Processing of column formwork

模板與鋼筋籠拼裝時(shí)，將第一塊模板安放于模板支架上并固定，將鋼筋籠平穩(wěn)吊運(yùn)，安放于模板上，鋼筋籠吊裝采用專(zhuān)用吊具進(jìn)行，鋼筋籠吊放于第一塊模板上并固定后吊裝第二塊L型模板，與第一塊模板進(jìn)行拼裝(見(jiàn)圖11).柱鋼筋籠與鋼模板連接頂部采用定制鋼托架，鋼托架與模板螺栓連接固定，柱鋼筋籠主筋頂部套絲45.5 mm，加工與柱主筋同規(guī)格、同型號(hào)鋼筋絲桿，絲桿采用300 mm長(zhǎng)Φ36的鋼筋兩頭套絲，一頭套絲150 mm，另一頭套絲45.5 mm，柱主筋與絲桿采用Φ36套筒連接固定，絲桿另一頭采用套筒加墊片卡在鋼托架上，使柱子鋼筋籠與鋼模整體固定，拼裝形成整體.在鋼筋籠一角位置安裝混凝土澆筑串筒，混凝土澆筑串筒選用9 m長(zhǎng)Φ200鋼管制作，每間隔50 cm三面依次向上留設(shè)150 mm×150 mm孔洞.

圖11 鋼筋籠與模板拼裝Fig.11 Assembly of reinforcement cage and formwork

2.2.3 柱鋼筋籠與模板運(yùn)輸及整體安裝

利用平板車(chē)將拼裝好的鋼筋籠和模板運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，柱鋼筋籠與模板的整體安裝設(shè)計(jì)如圖12所示，鋼筋籠與模板整體吊裝選用130 t履帶吊與75 t汽車(chē)吊配合使用(見(jiàn)圖13).汽車(chē)吊的起吊點(diǎn)位于柱模板底部吊耳位置，履帶吊吊點(diǎn)位于模板頂部吊耳位置，履帶吊與汽車(chē)吊配合同時(shí)平穩(wěn)起吊，待模板水平吊離地面高度約2 m后，起吊模板底部的汽車(chē)吊停止起吊并向起吊模板頂部履帶吊旋轉(zhuǎn)靠近，起吊模板頂部履帶吊繼續(xù)起吊使模板與鋼筋籠整體豎立，后對(duì)中預(yù)留柱位置進(jìn)行安裝.吊裝完成后安裝模板斜向支撐及拉設(shè)攬風(fēng)繩，借助模板斜向支撐、纜風(fēng)繩及模板底座再次校正模板的垂直度及柱頂部標(biāo)高，復(fù)核無(wú)誤后固定.

圖12 柱鋼筋籠與模板整體安裝設(shè)計(jì)Fig.12 Integral installation design of column reinforcement cage and formwork

圖13 柱鋼筋籠與模板整體吊裝施工Fig.13 Integral hoisting construction of column reinforcement cage and formwork

2.2.4 混凝土澆筑與振搗

提前一天澆筑現(xiàn)澆柱底部筏板預(yù)留口位置混凝土，澆筑時(shí)由現(xiàn)澆柱筏板預(yù)留口對(duì)角同時(shí)進(jìn)行澆筑，澆筑高度同筏板頂面齊平，并振搗密實(shí)，收面成型.第二天待底部混凝土凝固后，拆除柱鋼筋籠與模板頂部固定托架，安裝操作平臺(tái)，操作平臺(tái)與柱模板采用螺栓連接，采用曲臂車(chē)配合汽車(chē)吊進(jìn)行安裝.安裝完畢后進(jìn)行柱混凝土澆筑.如圖14所示，柱混凝土澆筑選用37 m臂架泵車(chē)進(jìn)行，由于框柱高度較高混凝土澆筑時(shí)落差較大，在混凝土澆筑時(shí)借用預(yù)先埋入的串筒進(jìn)行放料，每根柱澆筑混凝土配備2條長(zhǎng)12 m的振搗棒進(jìn)行振搗，每次澆筑高度約80 cm時(shí)停止放料進(jìn)行振搗，由柱角對(duì)角進(jìn)行下棒振搗，每次振搗時(shí)長(zhǎng)約20 s，澆筑混凝土后串筒埋入柱內(nèi).

圖14 柱混凝土澆筑Fig.14 Pouring construction of column concrete

2.2.5 模板拆除與養(yǎng)護(hù)

柱混凝土澆筑完成后，待柱混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求且能保證柱表面及棱角不因拆模而受損壞后再進(jìn)行柱模板拆除[14]，柱模板拆除的順序和方法遵循自上而下的原則，先拆除混凝土操作架與柱加固件，再拆除柱兩個(gè)角的模板連接件，柱模板脫離柱混凝土面后利用汽車(chē)吊吊拆，即模板拆除中也為兩張整模，拆除中利用吊車(chē)進(jìn)行單張整模吊拆.柱混凝土養(yǎng)護(hù)采用覆蓋保濕的養(yǎng)護(hù)方法，采用雙層PE薄膜將柱纏繞保濕養(yǎng)護(hù)(見(jiàn)圖15).

圖15 柱混凝土保濕養(yǎng)護(hù)Fig.15 Curing of column concrete

3 基于數(shù)值分析的半裝配化施工質(zhì)量與安全控制

該半裝配化現(xiàn)澆混凝土柱為高大截面柱，在場(chǎng)外進(jìn)行加工和拼裝，并運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝和混凝土澆筑，為防止現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中柱的變形過(guò)大，建立了有限元模型進(jìn)行數(shù)值分析，保障施工時(shí)的質(zhì)量和安全.首先對(duì)采用半裝配化工藝的現(xiàn)澆柱進(jìn)行模板側(cè)壓力計(jì)算.采用插入式振動(dòng)器且澆筑速度不大于10 m/h，混凝土塌落度不大于180 mm時(shí)，新澆筑混凝土對(duì)模板的側(cè)壓力的標(biāo)準(zhǔn)值，可按照下列公式分別計(jì)算[15]，并應(yīng)取其中較小值.

(1)

F=γcH

(2)

其中：F為新澆筑混凝土對(duì)模板的最大側(cè)壓力(kN/m2)；γc為混凝土的重力密度(kN/m3)；V為混凝土的澆筑速度(m/h)；t0為新澆混凝土的初凝時(shí)間(h)；β1為外加劑影響修正系數(shù)；β2為混凝土坍落度影響修正系數(shù)；H為混凝土側(cè)壓力計(jì)算位置處至新澆混凝土頂面的總高度(m).

由公式(1)得

=65.4 kN/m2

由公式(2)得：

F=25 kN/m3×10 m

=250 kN/m2

取其中較小值，即取F=65.4 kN/m2

由振搗產(chǎn)生的荷載F按6.5 kN/m2計(jì)算，傾倒混凝土?xí)r產(chǎn)生的水平荷載值F按4 kN/m2計(jì)算，施工人員荷載2.5 kN/m2，荷載分項(xiàng)系數(shù)按表2取值.

表2 荷載分項(xiàng)系數(shù)取值表Tab.2 Value table of partial load factor

則總荷載為

F總=65.4×1.2+6.5×1.4+4×1.4+2.5×1.4

=96.68 kN/m2

高大截面柱進(jìn)行混凝土澆筑時(shí)模板的變形是影響安全的重要因素，因此，使用了midas civil 2015進(jìn)行混凝土澆筑時(shí)柱鋼模板的受力性能分析，建立的有限元模型如圖16所示，柱模板所用材料為Q235鋼，面板為8 mm鋼板，橫向使用[10#加強(qiáng)，背楞采用[16#，法蘭采用12 mm鋼板封側(cè)槽口，對(duì)拉桿件長(zhǎng)30 mm.模板上部的四個(gè)對(duì)拉桿件布置間距為750 mm，其余對(duì)拉桿件布置間距為500 mm.模板長(zhǎng)度設(shè)為11.05 m，柱截面尺寸為1.4 m×1.4 m，模板側(cè)壓力使用上述計(jì)算值.

圖16 柱模板有限元模型Fig.16 Numerical model of column formwork

柱模板的變形情況如圖17所示，在采用半裝配化工藝后進(jìn)行混凝土澆筑，柱模板四面都有一定程度的變形.因上部的對(duì)拉桿件布置間距較大，下部的對(duì)拉桿件布置間距較小，模板的上部變形較下部變形相對(duì)較大，但模板的整體變形量最大值僅為0.4 mm，滿(mǎn)足《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》中對(duì)模板變形量容許值的要求.

圖17 柱模板整體變形云圖Fig.17 Integral deformation nephogram of column formwork

對(duì)混凝土澆筑后柱模板面板和拉桿的應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值分析后，得到柱模板拉桿受到的最大剪應(yīng)力為103 MPa(見(jiàn)圖18)，柱模板面板受到的最大應(yīng)力為17 MPa(見(jiàn)圖19).根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定，在鋼材抗拉、抗壓和抗彎時(shí)，厚度或直徑小于16 mm的Q235鋼的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為215 MPa[16]，因此，數(shù)值模擬值遠(yuǎn)小于規(guī)范的規(guī)定值，滿(mǎn)足安全性要求.

圖18 柱模板對(duì)拉桿件應(yīng)力云圖Fig.18 Stress nephogram of column formwork tie rod

圖19 柱模板面板應(yīng)力云圖Fig.19 Stress nephogram of column formwork panel

通過(guò)對(duì)現(xiàn)澆鋼筋混凝土柱半裝配化工藝進(jìn)行數(shù)值計(jì)算與分析，柱鋼模板是安全可靠的，承載力及變形均在規(guī)范控制范圍內(nèi)，強(qiáng)度計(jì)算滿(mǎn)足規(guī)范要求，施工時(shí)的質(zhì)量與安全能夠得到保證.

4 結(jié)論

(1)本文提出了一種現(xiàn)澆鋼筋混凝土柱半裝配化工藝，并對(duì)其工藝流程進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，通過(guò)數(shù)值分析對(duì)其合理性進(jìn)行了驗(yàn)證并成功應(yīng)用于工程實(shí)際;

(2)現(xiàn)澆鋼筋混凝土柱半裝配化工藝解決了在工業(yè)廠房中進(jìn)行高大截面現(xiàn)澆混凝土柱施工時(shí)存在的施工空間小、模板支設(shè)難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題，為類(lèi)似高大截面現(xiàn)澆鋼筋混凝土柱的施工提供了工程經(jīng)驗(yàn);

(3)現(xiàn)澆鋼筋混凝土柱半裝配化工藝的應(yīng)用減少了施工材料的投入與消耗，施工成本略有降低且縮短了施工工期，施工質(zhì)量有所提升，具有良好的推廣前景.