某高層裝配式住宅地下室頂板鋼管支撐加固方法研究

詹霖偉

(福建六建集團有限公司 福建福州 350014)

0 引言

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)，近年來，得到國家和各地市政府的大力支持[1]。在法國和新加坡，裝配式高層建筑在15～30層的裝配率高達70%，日本建造了58層的超高層裝配式建筑[2]。隨著裝配式工程裝配率的提高，預(yù)制構(gòu)件運輸和堆場對地下室頂板的產(chǎn)生的壓力受到越來越多的關(guān)注，并且通過地下室頂板回頂?shù)姆绞竭M行加固[3-5]。在裝配式工程項目施工現(xiàn)場，預(yù)制構(gòu)件通常采用構(gòu)件運輸車進行運輸。根據(jù)文獻[6]調(diào)查研究可知，尺寸為15 m×2.4 m，回轉(zhuǎn)半徑為6 m～8 m的常規(guī)預(yù)制構(gòu)件運輸車，空載時重量約為20 t，滿載時為52.5 t，因此，在規(guī)劃預(yù)制構(gòu)件運輸路線時，需要考慮地下室頂板的承載能力，以及對運輸車經(jīng)過的地下室頂板進行加固，避免預(yù)制構(gòu)件運輸時局部受壓過大，造成地下室頂板開裂或者坍塌[6]。

本文對鋼管排架進行地庫頂板加固的施工方法進行分析探討，探討其在實際裝配式工程項目中的應(yīng)用情況以及有限元分析方法和結(jié)果，為同類工程建設(shè)提供一定的借鑒。

1 加固構(gòu)造特征

地下室頂板的加固方式，主要采用鋼管立柱和斜拉桿共同組成受力體系，對頂板進行回頂?shù)姆绞?，預(yù)制構(gòu)件運輸車和場地堆場的重量通過頂板傳遞給加固體系，形成共同受力體系，如圖1所示。加固體系主要包含鋼管立柱、斜拉桿、斜拉桿卡箍和螺栓等。為保證單立柱之間的整體穩(wěn)定性，防止支撐立柱在受力過程中發(fā)生偏移或者傾覆現(xiàn)象，在立柱之間采用卡箍進行連接，使立柱和斜拉桿形成一個整體，并且在立柱頂部和底部采用螺栓進行立桿的定位。斜拉桿為螺絲拉桿，可以根據(jù)實際加固體系的部署情況進行長度設(shè)置。鋼管立柱采用Φ159×厚4.2 mm的 Q235鋼管，鋼管的底部和頂部具有方形托板，用于支撐混凝土結(jié)構(gòu)部位，如圖2所示。

圖1 鋼管立柱體系示意圖

(a)卡箍 (b)立柱圖2 鋼管支撐實際圖

2 工程概況

某高層裝配式住宅工程總建筑面積為57 782 m2。其中，地上建筑的面積約為36 442 m2，地下建筑面積約21 340 m2，建筑占地面積約7570.85 m2。該裝配式建筑工程含有4棟的連體別墅和6棟復(fù)式高層住宅。項目總體預(yù)制率達30%以上。最重構(gòu)件約5.9 t，預(yù)制構(gòu)件運輸車滿載重量為46 t。本工程地下室部分頂板厚度250 mm，地下結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。地下室頂板最大跨度為8 m。

為保證預(yù)制混凝土構(gòu)件在工程項目場內(nèi)安全運輸以及運輸順暢，根據(jù)工程項目現(xiàn)場布置特點，設(shè)置一條用于預(yù)制構(gòu)件運輸?shù)氖┕さ缆贰Ｔ诔休d力相對較強的消防車道部位設(shè)置一條6 m寬、250 mm厚的C35混凝土施工道路。項目部在施工道路周邊設(shè)置進行預(yù)制構(gòu)件材料堆場區(qū)域，為確保地庫頂板的受力荷載在設(shè)計允許荷載范圍內(nèi)，對施工道路以及預(yù)制構(gòu)件堆場所處的地下室頂板進行回頂加固。

3 施工工況分析

(1)預(yù)制構(gòu)件運輸車后輪主要承受大部分構(gòu)件重量。當運輸車后輪行駛到板構(gòu)件跨中時是地下室頂板的最不利工況，此時鋼筋混凝土板所受的彎矩和荷載最大。預(yù)制構(gòu)件運輸車滿載46 t，運輸車取常規(guī)運輸車尺寸(15 m×2.4 m)，計算時取運輸車2/3車身處于2條結(jié)構(gòu)柱之間考慮，運輸車后車輪承受80%承載力，恰好作用在跨中?？紤]運輸車在板跨中搬運和啟停的動力系數(shù)，按照最大1.3取。

(2)預(yù)制構(gòu)件堆場時，采用預(yù)制墻體插放架進行預(yù)制構(gòu)件的堆放。由于構(gòu)件存放均勻，并且構(gòu)件地下采用木板墊塊支撐，因此，在進行構(gòu)件堆場施工工況分析時，架設(shè)地下室頂板受到均布荷載的作用。由于豎向板重量范圍在0.6～5.9 t，為便于現(xiàn)場操作，每跨堆架最多存放8塊豎向板，控制最大堆放荷載不超過22 t(即45.83 kN/m2)。

4 鋼管搭設(shè)方案

進行施工道路和預(yù)制構(gòu)件堆場回頂，主要采用鋼管立柱，鋼管材料為Φ159×厚4.2 mm的Q235鋼管。根據(jù)地下室梁板單跨的大小以及結(jié)構(gòu)受力特征，對施工道路和預(yù)制構(gòu)件的堆場區(qū)域進行鋼管搭設(shè)，具體的搭設(shè)布局樣例如圖3～圖4所示。鋼管立柱縱距為4 m，橫距為1.8 m。

圖3 施工道路鋼管立柱搭設(shè)示意圖

圖4 構(gòu)件堆場鋼管立柱搭設(shè)示意圖

5 加固體系承載力驗算

對工程搭設(shè)方案涉及的加固體系進行承載力驗算，采用公式驗算和有限元分析驗算?？紤]在在最不利條件下，整體加固支持體系的承載能力和穩(wěn)定性。

5.1 施工道路承載力驗算

根據(jù)結(jié)構(gòu)的最不利工況進行驗算，如圖5所示，跨中所受荷載為46 t×80%×1.3=47.84 t=478.4 kN，車輪荷載作用面積為0.2 m×0.6 m。

樓面等效均布荷載取值按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009-2012)附錄C的規(guī)定計算，施工道路頂板跨度為8.0 m×5.4 m。因此，受力樓板跨中彎矩為：

Mx=478.4 kN×8 m×0.230=880.26 kN·m

My=478.4 kN×5.4 m×0.137=353.82 kN·m

Mmax=880.26+353.82×1/6=939.23 kN·m

局部荷載的有效分布寬度，按荷載作用面長邊垂直板跨計算：

bcx=0.2 m，bcy=0.6 m，l=8.0 m

b=2bcy/3+0.73 l =6.24

每根鋼管承受荷載面積為1.8 m×4.0 m，單鋼管所受集中力N=27.87 kN/m2×1.8 m×4.0 m=200.66 kN。

長細比λ=lo/ix=3250/54.75=59.36≤[λ]=150

根據(jù)GB50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》附錄C得：φ=0.887

σ=N/(φ×A)=200 660/(0.887×2042.5)

=110.76 N/mm2< [σ]=205 N/mm2

根據(jù)計算結(jié)果可知，立桿的穩(wěn)定性符合規(guī)范要求。

根據(jù)Fl≤(0.7βkft+0.25σpc,m)ηumh0公式進行混凝土板抗沖切計算，結(jié)果為751.530 kN>N=104.184 kN。

故鋼筋混凝土板的抗沖切能力符合滿足要求。

圖5 運輸車車輪距圖

5.2 預(yù)制構(gòu)件堆場承載力驗算

本工程PC豎向板重量范圍在0.6～5.9 t，為便于現(xiàn)場操作，每跨堆架最多存放8塊豎向板，控制最大堆放荷載不超過22 t(即45.83 kN/m(2)。根據(jù)5.1節(jié)相關(guān)公式進行計算，計算結(jié)果如表1所示。從表中可以看出，進行加固后的預(yù)制構(gòu)件堆場區(qū)域承載力符合規(guī)范要求。

表1 預(yù)制構(gòu)件堆場承載力計算

5.3 有限元分析驗算

根據(jù)圖3～圖4結(jié)構(gòu)尺寸建立有限元分析模型，如圖6～圖7所示?；炷两Y(jié)構(gòu)采用C3D8R單元，鋼筋采用T2D3單元，支撐立柱采用B31單元。在進行有限元分析時，由于缺乏支撐立柱與地面以及樓板的相互轉(zhuǎn)角剛度，因此在進行有限元分析時，采用鉸接(Coupling)進行相互關(guān)系的設(shè)置，并限制對接點處的U1、U2和U3的自由度。進行施工道路運輸車計算時，根據(jù)車輪作用面積的大小做剛度墊塊進行位移加載，進行預(yù)制構(gòu)件堆場荷載力驗算采用鋼筋混凝土面受到均布荷載作用模擬。

通過ABAQUS進行預(yù)制構(gòu)件運輸車模型的有限元分析，在受力構(gòu)件最大處的支撐立柱所受的荷載為150.33 kN，進行預(yù)制構(gòu)件堆場承載力驗算分析，得到的立柱承載荷載為290.61 kN。從有限元的分析結(jié)果可知，通過本文建立的有限元分析模型具有一定的可信度。

預(yù)制構(gòu)件運輸車承載力驗算分析結(jié)果如圖8(a)～(d)所示，塑性應(yīng)變云圖如圖8(a)所示。從圖中可以看出，所有構(gòu)件均未進入塑性應(yīng)變，均處在彈性階段。圖8(b)為混凝土受拉應(yīng)力云圖，從圖中可以看出，混凝土最大的拉應(yīng)變?yōu)?.77 MPa，尚未進入混凝土的開裂應(yīng)力，混凝土未開裂。圖8(c)為板的豎向位移，板的豎向位移為0.64 mm

(a) 塑性應(yīng)變云圖 (b)混凝土受拉應(yīng)力圖

(c)位移云圖 (d)立柱應(yīng)力云圖圖8 預(yù)制運輸車有限元分析結(jié)果

構(gòu)件堆場承載力驗算分析結(jié)果如圖9(a)～(d)所示，塑性應(yīng)變云圖如圖9(a)所示，從圖中可以看出，所有構(gòu)件均未進入塑性應(yīng)變，均處在彈性階段。圖9(b)為混凝土受拉應(yīng)力云圖，從圖中可以看出，混凝土最大的拉應(yīng)變?yōu)?.94 MPa，尚未進入混凝土的開裂應(yīng)力，混凝土未開裂。圖9(c)為板的豎向位移，板的豎向位移為2.86 mm

(a) 塑性應(yīng)變云圖 (b)混凝土受拉應(yīng)力圖

(c)位移云圖 (d)立柱應(yīng)力云圖圖9 構(gòu)件堆場有限元分析結(jié)果

從以上有限元分析結(jié)果可知，根據(jù)本文鋼管立柱的搭設(shè)方案，可以很好地對地下室頂板進行加固，混凝土頂板未受到施工荷載的破壞，各項承載力符合規(guī)范要求。

6 施工工藝流程

6.1 材料要求

在進行加固體系搭設(shè)之前，需要嚴格把控材料質(zhì)量關(guān)，進行加固的鋼管立柱應(yīng)具有產(chǎn)品質(zhì)量合格證，在鋼管進場之前，應(yīng)根據(jù)要求選樣復(fù)試，并委托相應(yīng)資質(zhì)的機構(gòu)進行檢驗和出具質(zhì)量檢查報告。進場檢驗時應(yīng)檢查鋼管立柱表面是否平直光滑，不應(yīng)有分層、裂縫、錯位、硬彎、結(jié)疤、毛刺、壓痕等缺陷。嚴格控制鋼管的壁厚，鋼管外徑與壁厚允許偏差小于0.3 mm，鋼管銹蝕及彎曲變形應(yīng)符合相關(guān)的規(guī)定。

6.2 支撐搭設(shè)

鋼管立柱的支撐搭設(shè)主要施工流程為：進行測量放線→搭設(shè)支模架→鋪設(shè)模板→搭設(shè)鋼管立桿→固定鋼管。在進行測量放線時應(yīng)嚴格按照設(shè)計要求進行測量放線，避免測量誤差引起搭設(shè)偏差，造成返工。在進行鋼管立桿搭設(shè)之前，需要對鋼管頂部的托板涂抹脫模劑。

每搭設(shè)完一跨排架后應(yīng)按照構(gòu)造要求進行校正，控制橫向和豎向的軸線誤差在±15 mm之內(nèi)，立桿垂直度允許偏差小于15 mm。待地庫模板拆除完成后，支撐表面做警示涂料。

6.3 支撐拆除

現(xiàn)場施工完畢，并且地下室頂板回土完畢后，可以進行頂板加固體系的拆除，在拆除區(qū)域設(shè)置警戒標識。拆除之前，先對鋼管立柱進行臨時固定，將立桿上部與頂板接口處進行脫離，去除固定鋼管的臨時措施，然后拆除對應(yīng)的支撐件和固定支架。拆除的鋼管立柱，應(yīng)整體碼放并利用木頭墊高。

7 檢查和驗收

(1)檢查鋼管的產(chǎn)品質(zhì)量合格證、質(zhì)量檢驗報告等質(zhì)量證明書。

(2)鋼管表面應(yīng)平直光滑，不應(yīng)有裂縫等缺陷。

(3)鋼管、型鋼、槽鋼使用前應(yīng)對其壁厚進行抽檢，抽檢比例不低于30%。

(4)對支撐鋼管的位置進行驗收，應(yīng)符合方案要求。

(5)有專人負責驗收。

8 質(zhì)量控制要點

(1)搭設(shè)前，對所有搭設(shè)人員進行方案交底和安全技術(shù)交底，應(yīng)熟悉排架搭設(shè)安全操作規(guī)程和施工方案，明確搭設(shè)要領(lǐng)和要求，掌握相應(yīng)的搭設(shè)技術(shù)規(guī)程。

(2)鋼管立柱在入場之前，應(yīng)嚴格按照規(guī)范要求進行原材料的入場驗收工作，并按照要求，形成驗收記錄，立桿嚴格4.2 mm壁厚驗收。

(3)為保證加固體系的整體穩(wěn)定性，在進行加固安裝時應(yīng)檢驗鋼管的垂直度滿足規(guī)范要求。

(4)鋼管卡箍應(yīng)要要求設(shè)置牢固。螺栓旋緊扭矩應(yīng)符合規(guī)范要求。

9 結(jié)論

在進行裝配式結(jié)構(gòu)施工時，地下室頂板會受到構(gòu)件運輸車和堆場構(gòu)件的荷載作用。本文通過對某高層裝配式住宅地下室頂板加固的現(xiàn)場應(yīng)用實踐和有限元進行分析梳理，得到結(jié)論如下：

(1)地下室頂板利用鋼管立柱加固方法，在高層裝配式項目中應(yīng)用情況良好，鋼管立柱承載能力大，裝卸簡單，支撐體系安全可靠，拼裝簡單，具有很好的市場應(yīng)用前景。

(2)采用鋼管立柱支撐比傳統(tǒng)腳手架，可以加大支撐間距，節(jié)約材料投入，縮短建設(shè)施工工期，具有良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

(3)本文建立的有限元分析方法，對現(xiàn)場實際具有良好的吻合性。利用本文的鋼管支撐方案，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力均滿足要求。