裝配式建筑施工技術(shù)與質(zhì)量管控方法探究

李 卡 （建發(fā)合誠工程咨詢有限公司，福建 廈門 361000）

自裝配式建筑施工技術(shù)問世以來，全國各地在推廣使用裝配式建筑時，逐步經(jīng)歷了裝配式輕質(zhì)非承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件（輕質(zhì)隔墻、輕質(zhì)板等）、裝配式小體積承重構(gòu)件（小型梁、小型柱等）、裝配式大體積承重構(gòu)件（大型梁、大型柱等）的歷程。然而，在此過程中裝配式輕質(zhì)非承重構(gòu)件一般只需要按部位裝配銜接即可，但是裝配式小體積承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件則需要在銜接至安裝部位后進(jìn)行一定的穩(wěn)定支撐，才能達(dá)到設(shè)計所需的承載能力。目前，一些大尺寸、大體積、大負(fù)荷的裝配式結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件，由于存在自重大、荷載大等“不利”特點(diǎn)，以至于該類裝配式構(gòu)件對其下部支撐體系提出了更高的工藝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和要求。故而針對上述現(xiàn)狀，從大尺寸、大體積、大負(fù)荷裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件支撐體系穩(wěn)定性的角度探究裝配式建筑的施工技術(shù)與質(zhì)量管控方法，具有一定的理論價值和實踐價值。

1 裝配式建筑大型結(jié)構(gòu)構(gòu)件支撐體系施工技術(shù)理論

對我國福建省廈門市區(qū)域內(nèi)多數(shù)裝配式建筑施工現(xiàn)場的調(diào)研情況來看，廈門市區(qū)域范圍內(nèi)的大尺寸、大體積、大負(fù)荷裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件，基本上均是采用兩端鉸接中端彈性支承壓桿的原理進(jìn)行支承體系施工技術(shù)應(yīng)用的。因此，首先掌握兩端鉸接中端彈性支承壓桿的原理，而后基于大尺寸、大體積、大負(fù)荷裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力特點(diǎn)，對支撐體系進(jìn)行改良，便是保障大尺寸、大體積、大負(fù)荷裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件施工技術(shù)成果與施工質(zhì)量的關(guān)鍵。

1.1 兩端鉸接中端彈性支承壓桿的原理

通過廣泛的文獻(xiàn)搜集和整理發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段較為常用、適用于裝配式建筑構(gòu)件支撐體系的兩端鉸接中端彈性支承壓桿模式，其原理圖如圖1所示。

圖1 兩端鉸接中端彈性支承壓桿模式原理圖

由圖1可以看出，在對裝配式建筑的非承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件或承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行支承的過程中，其施工技術(shù)關(guān)鍵以及保障構(gòu)件支撐質(zhì)量的關(guān)鍵在于確保支撐結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性，并對彈性支承的點(diǎn)位進(jìn)行控制。假設(shè)大多數(shù)裝配式建筑構(gòu)件均呈現(xiàn)出一定的線彈性，那么當(dāng)裝配式建筑構(gòu)件在支撐體系的支撐作用下，處于臨界平衡狀態(tài)時，圖1 中裝配式構(gòu)件AB 段的截面彎矩計算式如式（1）所示、BC 段的截面彎矩計算式如式（2）所示[1]。

式中Ny-支撐點(diǎn)位某一側(cè)AB段處于臨界平衡狀態(tài)時的橫向力矩，N·m；

δ-支撐點(diǎn)位處于臨界平衡狀態(tài)時的起拱力，N；

K-支撐點(diǎn)位處于臨界平衡狀態(tài)時的失穩(wěn)系數(shù)，可通過試驗室試驗測得；

x-臨界平衡狀態(tài)時的軸向壓縮量，m；

L-任一裝配式建筑構(gòu)件的長度，m；

L1-支撐點(diǎn)位某一側(cè)AB段的長度，m；

L2-支撐點(diǎn)位某一側(cè)BC段的長度，m。

1.2 有限單元法對傳統(tǒng)支撐體系的驗算改良

根據(jù)前文所述，傳統(tǒng)的兩端鉸接中端彈性支承壓桿模式，主要是從裝配式構(gòu)件受支承狀態(tài)下的力矩、形變等力學(xué)因素進(jìn)行技術(shù)控制和質(zhì)量控制的，尚未能夠?qū)⒀b配式構(gòu)件的截面尺寸、體積、自重、荷載等納入考量范圍。因此，針對當(dāng)下出現(xiàn)頻率越來越高的大尺寸、大體積、大負(fù)載裝配式構(gòu)件，宜采用有限元法對傳統(tǒng)支承體系模式進(jìn)行驗算改良。

使用有限單元法對裝配式建筑大尺寸、大體積、大負(fù)荷構(gòu)件進(jìn)行支承分析時，可將該類構(gòu)件視為一種均勻同質(zhì)的彈性體，而后基于單元分割的方式將此均勻同質(zhì)彈性體劃分為無數(shù)個規(guī)格一致、大小一致且尺寸體積盡可能小的均勻矩形體單元。如圖2所示，某一裝配式建筑大尺寸、大體積、大負(fù)載構(gòu)件被分割為無數(shù)個盡可能小的矩形體單元（單元長度2A，寬度2B，厚度T），以該矩形單元的中心點(diǎn)O作為原點(diǎn)建立平面xy 坐標(biāo)系，則矩形單元內(nèi)任一無量綱坐標(biāo)（ζ，η）=（x/a，y/b）。

圖2 有限單元法示意圖

若將圖2 所示的矩形單元體的四個角點(diǎn)看作節(jié)點(diǎn)i，那么節(jié)點(diǎn)i的“尺寸無量綱”坐標(biāo)（ζi，ηi）分別為（1，1）、（1，-1）、（-1，-1）、（-1，1），由此可以借助“尺寸無量綱”坐標(biāo)推算出矩形單元體內(nèi)任一節(jié)點(diǎn)的“形變向量位移”[2]，如式（3）所示。

式中u1、u2、u3、u4-矩形單元體在某一支撐體系頂點(diǎn)位置處受到的橫向約束；

v1、v2、v3、v4-矩形單元體在某一支撐體系頂點(diǎn)位置處受到的縱向約束；

T-矩形單元體的負(fù)載周期；

G-矩形單元體的自重負(fù)載。

當(dāng)通過一定施工技術(shù)和措施控制支撐體系使得裝配式建筑大尺寸、大體積、大負(fù)荷構(gòu)件的“形變位移向量”ac數(shù)值介于安全范圍之內(nèi)時，即表明在充分考量裝配式建筑構(gòu)件大尺寸、大體積、大負(fù)載的情況下，其支撐體系能夠保障裝配式構(gòu)件在銜接部位的銜接質(zhì)量與安全，且能夠保障裝配式構(gòu)件獲得設(shè)計所需的承載能力[3]。

2 裝配式建筑大型結(jié)構(gòu)構(gòu)件支撐體系施工技術(shù)分析與質(zhì)量管控

位于我國福建省廈門市的某裝配式建筑項目，其突出特點(diǎn)在于存在多跨連續(xù)的大尺寸、大體積、大負(fù)載預(yù)制混凝土箱梁，該項目的預(yù)制混凝土箱梁設(shè)計構(gòu)造如下：

第一跨：梁底標(biāo)高25.1m、梁頂標(biāo)高26.1m、梁截面寬度1.0m、梁截面高度1.0m、梁長度5.1m、梁體積17.85m3；第二跨：梁底標(biāo)高24.8m、梁頂標(biāo)高26.2m、梁截面寬度3.5m、梁截面高度1.4m、梁長度6.4m、梁體積31.36m3；第三跨：梁底標(biāo)高25.2m、梁頂標(biāo)高26.7m、梁截面寬度3.5m、梁截面高度1.5m、梁長度4.3m、梁體積22.575m3。上述三跨梁的鋼筋布設(shè)方式均為四角主筋432mm、橫向截面中部筋428mm、豎向截面中部筋428mm、箍筋10mm@150mm。

從預(yù)制混凝土箱梁的設(shè)計構(gòu)造可以看出，該項目的預(yù)制混凝土箱梁共有3 跨，每一跨的梁底標(biāo)高、梁頂標(biāo)高各不相同，這也就要求支撐體系的支撐高度各不相同。各跨箱梁中，體積最小為17.85m3、最大為31.36m3，屬于典型的大尺寸、大體積、大負(fù)載裝配式預(yù)制梁。通過查閱混凝土設(shè)計文件發(fā)現(xiàn)，該項目箱梁混凝土的配合比如下：42.5普通硅酸鹽水泥含量為400kg/m3、粉煤灰含量為90kg/m3、礦粉含量為80kg/m3、硅灰含量為30kg/m3、水含量為140kg/m3、細(xì)骨料含量為800kg/m3、粗骨料含量為900kg/m3、SPI 型減水劑含量為13.2kg/m3，借助上述配合比制作標(biāo)準(zhǔn)試塊，經(jīng)實驗室測定試驗試塊的失穩(wěn)系數(shù)K為0.38。

2.1 案例項目裝配式預(yù)制混凝土梁的施工技術(shù)方案設(shè)置

由于案例項目預(yù)制混凝土多跨連續(xù)箱梁在進(jìn)行裝配式銜接安裝與支撐的過程中，支撐體系一方面要承受來自箱梁構(gòu)件的荷載，一方面要根據(jù)安裝現(xiàn)場的原始地基承載力作為支撐體系的底部支撐。故而借助地質(zhì)勘探弄清了支撐體系下部原始地基承載力平均值為50MPa后，經(jīng)過充分考量設(shè)置了如下所示的3種支撐體系技術(shù)方案：

技術(shù)方案1：鋼管立柱鋼抱箍支撐，鋼管立柱規(guī)格尺寸為Φ600mm×50mm，鋼管立柱之間采用剪刀撐連接、剪刀撐連接型材為10#槽鋼，抱箍扣件螺栓為6 級M18 普通螺栓，抱箍扣件鋼板型材為HRB400 型鋼、鋼板尺寸為20mm×5mm×1mm；

技術(shù)方案2：鋼管立柱鋼抱箍支撐，鋼管立柱規(guī)格尺寸為Φ630mm×70mm，鋼管立柱之間采用剪刀撐連接、剪刀撐連接型材為12#槽鋼，抱箍扣件螺栓為6 級M18 普通螺栓，抱箍扣件鋼板型材為HRB400 型鋼、鋼板尺寸為25mm×8mm×1mm；

技術(shù)方案3：鋼管立柱鋼抱箍支撐，鋼管立柱規(guī)格尺寸為Φ650mm×80mm，鋼管立柱之間采用剪刀撐連接、剪刀撐連接型材為12#槽鋼，抱箍扣件螺栓為6 級M18 普通螺栓，抱箍扣件鋼板型材為HRB400 型鋼、鋼板尺寸為30mm×10mm×1.5mm。

2.2 案例項目裝配式預(yù)制混凝土梁的施工質(zhì)量控制措施

在完成對案例項目大尺寸、大體積、大負(fù)載多跨連續(xù)箱梁支撐體系技術(shù)方案的編制后，需要進(jìn)一步確定前文所述3種方案在技術(shù)質(zhì)量層面、安全運(yùn)維方面是否可靠。因此，借助有限單元建模軟件，按照案例項目安裝區(qū)域原始地基承載力為50MPa，并根據(jù)3種支撐體系方案逐個進(jìn)行檢驗計算，檢查支撐體系技術(shù)方案是否能夠滿足式（1）～式（3）所示的臨界平衡狀態(tài)關(guān)系，如表1所示。

表1 廈門市某裝配式建筑多跨連續(xù)箱梁支撐體系方案驗算模擬結(jié)果

技術(shù)方案1 不滿足式（1）～式（3）所示臨界平衡條件；技術(shù)方案2 滿足式（1）和式（2）所示臨界平衡條件、但不滿足式（3）所示臨界平衡條件；技術(shù)方案3 滿足式（1）～式（3）所示臨界平衡條件。

通過上述建模計算分析結(jié)果可以看出，技術(shù)方案1無法保障案例項目的施工質(zhì)量與安全，技術(shù)方案2雖然滿足傳統(tǒng)算法的支撐體系條件，但不能滿足考慮大尺寸、大體積、大負(fù)載境況下的支撐需求，只有技術(shù)方案3可行。在實際施工過程中，采用技術(shù)方案3 對大尺寸、大體積、大負(fù)載多跨連續(xù)箱梁進(jìn)行安裝支撐，取得了非常好的質(zhì)量效果，并保障了整個過程的施工安全。

3 結(jié)語

鑒于裝配式建筑逐漸呈現(xiàn)出大尺寸、大體積、大負(fù)載的施工特點(diǎn)，基于裝配式預(yù)制構(gòu)件尺寸、體積、負(fù)載等因素考量，從支撐體系保障預(yù)制構(gòu)件安裝支撐質(zhì)量和安全的角度，梳理總結(jié)裝配式建筑大型結(jié)構(gòu)構(gòu)件支撐體系的施工技術(shù)理論，而后借助有限單元法和建模運(yùn)算，為相關(guān)支撐體系的技術(shù)、安全保障提供參考。