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    裝配式框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點優(yōu)化設(shè)計及抗震性能研究

    2021-10-26 10:13:24劉曉光
    工程技術(shù)研究 2021年14期
    關(guān)鍵詞:預(yù)制構(gòu)件裝配式有限元

    劉曉光

    九易莊宸科技(集團)股份有限公司,河北 石家莊 050000

    近年來建筑行業(yè)所帶來的經(jīng)濟收入,占國民經(jīng)濟收入比重的10%以上。建筑行業(yè)不僅對我國國民經(jīng)濟作出了重要貢獻,也提高了我國就業(yè)率,逐漸成為我國的支柱性產(chǎn)業(yè)。但在我國社會發(fā)展過程中,建筑行業(yè)存在的矛盾問題也越來越突出,傳統(tǒng)的粗放型施工建筑模式已經(jīng)不適應(yīng)當(dāng)前的發(fā)展需求,因此全國各地都開始大力推進建筑工業(yè)化以及住宅產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。裝配式框架結(jié)構(gòu)施工技術(shù)即在工業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展過程中提出的建筑施工技術(shù)及理念。

    1 裝配式建筑的特點

    首先,能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)制構(gòu)件的工業(yè)化生產(chǎn)。工業(yè)化生產(chǎn)最主要的特點是使勞動效率得到極大程度的提高,因為在工廠內(nèi)部進行預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)的環(huán)境比較穩(wěn)定,而且構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)可以實現(xiàn)機械化作業(yè)。在工廠生產(chǎn)過程中,可以對預(yù)制構(gòu)件產(chǎn)品開展嚴格的檢驗,使產(chǎn)品質(zhì)量得到保障,進而保障最終的建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

    其次,能夠大幅提高施工作業(yè)效率,極具便捷性。因為在工廠內(nèi)所生產(chǎn)的預(yù)制構(gòu)件在生產(chǎn)結(jié)束后可以直接運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場,通過吊車等相關(guān)機械設(shè)備對預(yù)制構(gòu)件進行拼接以及安裝,所以顯著減少了模板和支撐的使用量,可以縮短整個施工作業(yè)周期。同時,裝配式施工可以大量取代傳統(tǒng)施工作業(yè)的現(xiàn)場濕作業(yè),既能夠縮短工程周期,又能夠改善工人施工的勞動條件。

    最后,能夠帶來顯著的經(jīng)濟效益。在實際施工過程中,預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的施工周期短,因此對于工程項目建設(shè)方來講,其投資回收速度更快。因為減少了施工現(xiàn)場現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的拆模時間以及混凝土的養(yǎng)護時間,所以施工速度更快,從成本控制的角度來看,減少了施工過程中的整體成本投入,可以在一定程度上保障施工企業(yè)的經(jīng)濟效益。

    2 ECC材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

    2.1 在高層建筑抗震中的應(yīng)用

    ECC是一種具有超高韌性和耗能性能的纖維增強水泥基復(fù)合材料,在反復(fù)的荷載作用下鋼筋增強ECC構(gòu)件具有良好的耗能能力。在高層建筑施工過程中應(yīng)用基于ECC材料的混凝土,可以使建筑物本身的抗震性能得到顯著提升。以日本橫濱的某41層高層建筑為例,在該建筑施工過程中,核心筒使用了預(yù)制的鋼筋增強ECC連梁,在地震的作用下,連梁本身的變形會將地震所帶來的能量大量消耗掉,從而降低地震對建筑物結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的破壞程度。因此,在建筑施工過程中,采用鋼筋增強ECC連梁,在遭遇地震后,可以減少其修復(fù)費用和時間,具有良好的經(jīng)濟效益。

    2.2 在橋梁結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用

    橋梁的伸縮縫會由于損壞、滲漏,使水和其他侵蝕性物質(zhì)從伸縮縫位置滲透到橋面板的下部,從而導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)受到嚴重侵蝕。橋梁伸縮縫施工現(xiàn)場如圖1所示。在美國的一些橋梁工程中,會依靠橋面板連接板技術(shù)代替伸縮縫防止?jié)B漏,從而使溫度變形得到控制,但在實際應(yīng)用過程中具有一定的限制,因此可采用ECC連接板代替混凝土連接板。因為ECC材料本身具有較高的極限拉應(yīng)變和細密裂縫開展機制,所以在以ECC材料為基礎(chǔ)的連接板中,不需要增加其他的鋼筋對裂縫寬度進行限制。

    圖1 橋梁伸縮縫施工現(xiàn)場

    2.3 在結(jié)構(gòu)修復(fù)及加固中的應(yīng)用

    ECC材料在結(jié)構(gòu)加固及修復(fù)中的應(yīng)用主要是針對一些工程表面出現(xiàn)的受損和破壞處。例如,大壩表面嚴重受損時,噴射以ECC材料為主的保護層能夠起到良好的修復(fù)效果。以ECC材料作為修復(fù)以及加固工程中的主材料,可以起到良好的修復(fù)及加固效果,因此該材料的應(yīng)用前景廣闊。

    3 以ECC材料為基礎(chǔ)的裝配式框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點優(yōu)化設(shè)計

    3.1 裝配方案設(shè)計

    (1)第1種裝配方案。首先,將預(yù)制柱安放在設(shè)計位置并固定。在固定結(jié)束后,需要將預(yù)制的疊合梁通過吊車等設(shè)備吊裝至預(yù)制柱的邊緣位置,然后對兩者進行固定,需注意的是應(yīng)當(dāng)保證定位準(zhǔn)確后才可以進行固定。在定位固定結(jié)束后,需要在預(yù)制疊合梁和柱的連接端部位置開槽,同時保證預(yù)制疊合梁底部的縱向鋼筋在槽內(nèi)彎起。其次,設(shè)置兩端帶彎鉤的連接鋼筋。通過連接鋼筋使預(yù)制疊合梁的兩端在節(jié)點區(qū)域內(nèi)進行連接,再根據(jù)設(shè)計工作要求對節(jié)點內(nèi)的箍筋和疊合梁上部的縱向鋼筋進行布置。最后,澆筑混凝土。在澆筑過程中,主要針對節(jié)點后澆區(qū)以及梁槽內(nèi)和上部疊合部分,所使用的澆筑材料主要為高一等級的混凝土或者是ECC后澆。當(dāng)澆筑作業(yè)結(jié)束后,需要吊裝上一層柱子,預(yù)制柱需要使用灌漿套筒進行連接。預(yù)制柱現(xiàn)場圖如圖2所示。

    圖2 預(yù)制柱現(xiàn)場

    (2)第2種裝配方案。第2種裝配方案與第1種裝配方案的主要區(qū)別在于梁柱節(jié)點區(qū)域在工廠和預(yù)制柱一起加工,從而縮短整個工期。因為節(jié)點區(qū)域以及柱身都在工廠預(yù)制加工,所以可以在工廠施工過程中使用ECC材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的普通混凝土材料。

    3.2 方案優(yōu)化設(shè)計

    上述裝配方案還需要進行進一步優(yōu)化設(shè)計,主要是對連接區(qū)域的長度等進行科學(xué)確定。通過試驗進行優(yōu)化設(shè)計將消耗大量的時間以及人力、物力成本等,因此采用有限元模擬分析方法對所提裝配方案進行優(yōu)化。

    在有限元分析過程中,采用ATENA有限元軟件進行數(shù)值模擬。該軟件是當(dāng)前土木工程領(lǐng)域應(yīng)用比較普遍的一種非線性有限元分析軟件,應(yīng)用的主要目的是對鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進行分析,可以在混凝土裂紋破壞和混凝土鋼筋屈服等方面發(fā)揮顯著作用。

    首先,確定材料本構(gòu)關(guān)系?;炷敛牧媳緲?gòu)關(guān)系需要使用上述有限元軟件中的斷裂彈塑性本構(gòu)模型進行確定。其次,基于上述有限元分析軟件建立有限元模型。再次,對鋼筋搭接長度參數(shù)開展分析。因為鋼筋搭接長度會影響后續(xù)的各項試驗,所以需要確定合理的鋼筋搭接長度。最后,對鋼筋黏結(jié)強度參數(shù)進行分析。由于在第2種裝配方案中節(jié)點區(qū)域的限制較大,為了保證鋼筋可以穿越節(jié)點,需要在節(jié)點區(qū)域預(yù)留孔洞,便于鋼筋進行穿孔和連接。但是,在預(yù)留孔洞后,由于基體和鋼筋之間本身沒有黏結(jié)性,就需要通過灌漿使基體與鋼筋之間產(chǎn)生黏結(jié)性。

    4 結(jié)束語

    綜上所述,文章提出了兩種不同的梁柱節(jié)點裝配方案,在經(jīng)過有限元分析后,證明第2種裝配方案具有一定的可行性,能夠有效發(fā)揮ECC材料的優(yōu)勢,使裝配式框架結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點得到全方位的優(yōu)化,提高裝配式框架結(jié)構(gòu)的使用性能以及抗震性能,全面提高建筑工程項目的施工質(zhì)量。

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