基于有限元分析的轉(zhuǎn)換層大截面混凝土梁施工方案比選優(yōu)化研究

喬會(huì)丹，黃宏林，祖公博，陳磊，林宇靜，張銘

（中國(guó)建筑第二工程局有限公司華南分公司，廣東深圳 518000）

1 引言

近年來(lái)，人們對(duì)建筑功能的需求日益多元化，各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，其中一些超高層和大型場(chǎng)館建筑為了滿足使用空間的需求，往往存在大截面的混凝土轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)，梁截面高度可達(dá)2～3 m，澆筑施工時(shí)支撐架施加到樓板上的附加荷載遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)工況。

這種常見(jiàn)的轉(zhuǎn)換層施工，工程技術(shù)人員和科研學(xué)者進(jìn)行了很多應(yīng)用探索[1-5]，施工技術(shù)相對(duì)成熟。但對(duì)于如何減少超重混凝土澆筑對(duì)下層結(jié)構(gòu)影響的施工方法仍基于施工管理人員的經(jīng)驗(yàn)，缺乏一定的工況模擬、計(jì)算分析和施工方案的比選。本文以深圳市重要的場(chǎng)館類項(xiàng)目為依托，對(duì)大截面混凝土梁的施工方案進(jìn)行了比選、優(yōu)化及總結(jié)。

2 工程概況

深圳科技館（新館）項(xiàng)目，占地面積約6.6 萬(wàn)m2，總建筑面積約13.45 萬(wàn)m2，建筑高度約57 m，地下2 層，地上6 層，空間形體為非完整類橢球形態(tài)。項(xiàng)目地上2 層為轉(zhuǎn)換層，2 層以下為鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系，3 層及以上為鋼筋混凝土核心筒+鋼框架混合結(jié)構(gòu)體系。上下兩層不同的受力結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)通過(guò)在2～3 層間設(shè)置488 m 長(zhǎng)、截面2 300 mm×1 500 mm的環(huán)帶型大截面混凝土梁作為力的轉(zhuǎn)換（見(jiàn)圖1）。轉(zhuǎn)換梁自重線荷載達(dá)86.25 kN/m（＞20 kN/m），支模高度（凈高）5.7 m（＞5 m），屬于超過(guò)一定規(guī)模的危險(xiǎn)性較大的分項(xiàng)工程。如何保證施工荷載以最簡(jiǎn)單的方式、最短的路徑通過(guò)模板支撐體系傳遞到豎向構(gòu)件上，最終傳遞到基礎(chǔ)上是施工的關(guān)鍵。

圖1 轉(zhuǎn)換層大截面混凝土梁三維平面示意圖

3 施工方案比選

根據(jù)施工荷載傳遞方式和路徑的不同，大型混凝土澆筑支撐架體系的設(shè)計(jì)思路，歸納起來(lái)，可分為三大類，即荷載傳遞法、疊合梁法、型鋼自承重法。

第一類，荷載傳遞法，即梁下設(shè)置支撐體系，轉(zhuǎn)換層大梁一次澆筑成型，施工期間的荷載通過(guò)支撐體系傳遞到下部已施工結(jié)構(gòu)上。根據(jù)荷載向下傳遞的樓層數(shù)又可分為荷載單層傳遞法、荷載多層傳遞法和荷載基礎(chǔ)傳遞法。

第二類，疊合梁法，即應(yīng)用疊合梁的原理將轉(zhuǎn)換梁分為兩次或多次澆筑疊合成型的方法，其目的是為減少大梁一次成形時(shí)荷載過(guò)大帶來(lái)的支承困難，利用先形成的結(jié)構(gòu)支承上部疊合層施工荷載。

第三類，型鋼自承重法，即在轉(zhuǎn)換層下層設(shè)置臨時(shí)鋼桁架或鋼梁，支撐轉(zhuǎn)換層大梁的模板，將施工期間的荷載傳遞到下層柱上，或者在轉(zhuǎn)換大梁中埋設(shè)型鋼或者鋼桁架，大梁模板可固定于型鋼或鋼桁架上，型鋼或鋼桁架既可作為永久承載構(gòu)件使用，又可承受臨時(shí)施工荷載。

4 基于有限元分析的大截面轉(zhuǎn)換梁支模方案比選優(yōu)化

以有限元分析方法為基礎(chǔ)，對(duì)大型混凝土澆筑支撐架對(duì)結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行定量分析，并對(duì)不同施工方案分別進(jìn)行模擬，在保證安全的前提下，選擇經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的方案，為類似的工程項(xiàng)目提供參考借鑒

4.1 有限元模型建立

項(xiàng)目轉(zhuǎn)換梁位于2 層，截面為2.3 m×1.5 m，為使計(jì)算更具有代表性，1F 層和-1F 層的框架梁截面按照該區(qū)域最不利截面統(tǒng)一取為400 mm×800 mm，樓板厚度150 mm，梁板混凝土強(qiáng)度為C35，該項(xiàng)目的柱網(wǎng)為8.1 m×8.1 m，-1F 層結(jié)構(gòu)柱直徑為1 200 mm，-2F 層結(jié)構(gòu)柱直徑為1 400 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C55。支撐架采用盤扣架，立桿采用φ60.3 mm×3.2 mm，水平桿采用φ42 mm×2.5 mm，步距1.5 m，縱距1.5 m，梁底橫距0.6 m。

本研究基于有限元分析軟件Midas Gen，選取了本項(xiàng)目的典型區(qū)域進(jìn)行建模，梁模板僅建立了底板，側(cè)板自重、混凝土梁自重以及施工振搗荷載作為豎向荷載施加于模板底板之上。首先對(duì)僅一層支撐架體的工況進(jìn)行分析（簡(jiǎn)稱方案一）。

邊界條件設(shè)置：結(jié)構(gòu)柱底部旋轉(zhuǎn)參數(shù)RX=RY=RZ=0，平移參數(shù)DX=DY=DZ=0，支撐架底部放置墊板考慮摩擦力作用取DX=DY=DZ=0?；炷林亓?5 kN/m2，模板及小梁0.3 kN/m2，振搗荷載3 kN/m2。

4.2 單層支模分析結(jié)果及結(jié)構(gòu)驗(yàn)算復(fù)核

有限元計(jì)算結(jié)果如圖2 所示，圖2a 中可以看到模架支撐在1F 層樓板，造成該層最大的變形位于架體下方主梁的跨中，最大撓度為3.7 mm，小于撓度限值l0/300。

圖2 方案一有限元分析結(jié)果

內(nèi)力分析方面，分別計(jì)算了架體下方框架梁彎矩（見(jiàn)圖2b）、樓層板彎矩（見(jiàn)圖2c）及剪力（見(jiàn)圖2d）。支撐架體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算相對(duì)比較常規(guī)，本項(xiàng)目選用架體已通過(guò)驗(yàn)算，篇幅所限計(jì)算過(guò)程省略。

4.2.1 梁的正截面受彎驗(yàn)算

框架梁端部配筋為直徑25 的HRB400 鋼筋（面筋6/ 底筋2），跨中配筋直徑25 mm 的HRB400 鋼筋（面筋2/ 底筋6），結(jié)構(gòu)梁的正截面受彎驗(yàn)算，以及本文其他受力驗(yàn)算均根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（2015 版）進(jìn)行計(jì)算。

如圖2b 所示，梁的最大正彎矩為433 kN·m，最大負(fù)彎矩685 kN·m，均小于彎矩設(shè)計(jì)值765 kN·m。

4.2.2 板的受沖切承載力

驗(yàn)算時(shí)樓板的有效截面高度取125 mm，受沖切承載力需考慮荷載作用區(qū)域的周長(zhǎng)，立桿下端墊板尺寸為100 mm×100 mm，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，立桿的最大軸向力為25.8 kN，小于板的受沖切承載力設(shè)計(jì)值61.82 kN。

4.2.3 板的受剪承載力驗(yàn)算

由圖2d 可見(jiàn)，樓板的最大每單位長(zhǎng)度剪切內(nèi)力為34 kN，小于設(shè)計(jì)受剪承載力137.38 kN。

4.2.4 板的正截面受彎驗(yàn)算

板的配筋按φ8 mm@150 mm 的HRB400 鋼筋考慮,經(jīng)計(jì)算單位寬度上的設(shè)計(jì)彎矩為14.60 kN·m。根據(jù)有限元分析結(jié)果圖2c，樓板沿架體底板框架梁有一條明顯的負(fù)彎矩極值帶，框架梁兩端立桿向下集中力導(dǎo)致了樓板在框架梁頂有明顯向上隆起的趨勢(shì)，造成了最大的負(fù)彎矩發(fā)生在框架梁被次梁分割后的跨中靠近框架柱一側(cè)，以及框架柱柱頂位置，兩者絕對(duì)值較為接近，最大的負(fù)彎矩為19.40 kN·m，大于設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)值14.60 kN·m，板的正截面受彎驗(yàn)算不通過(guò)。

由以上驗(yàn)算分析可知，除了對(duì)下部樓層結(jié)構(gòu)進(jìn)行常規(guī)的受沖切承載力驗(yàn)算以外，梁和板的正截面受彎驗(yàn)算也是必須要考慮和復(fù)核的，以避免計(jì)算遺漏對(duì)下部結(jié)構(gòu)造成不可逆的裂縫和變形。

4.3 支模方案優(yōu)化比選

由于樓板所受彎矩超出設(shè)計(jì)彎矩30%以上，并且轉(zhuǎn)換梁沿結(jié)構(gòu)外圍形成閉合曲線，如果通過(guò)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，樓板厚度需要增加至200～250 mm，或者增加大量的預(yù)埋加勁鋼，這樣的處理是十分不經(jīng)濟(jì)的。而轉(zhuǎn)換梁所在樓層不高，優(yōu)先考慮荷載傳遞方式支模。本文對(duì)不同層數(shù)的支模架傳遞方案進(jìn)行模擬。方案二為保留-1F 層支撐架體，方案三為保留-1F 和-2F 兩層的支撐架體，荷載直接傳遞至底板。

框架梁的豎直平面內(nèi)的彎矩如圖3 所示，方案二和方案三與方案一在1F 層的規(guī)律一致，絕對(duì)值最大的彎矩均為負(fù)彎矩且均發(fā)生在框架柱端部，兩種方案在-1F 層的最大負(fù)彎矩也發(fā)生在框架柱端部，由于部分豎直方向荷載被下層架體分擔(dān)傳遞至下層框架或者底板，梁內(nèi)彎矩大幅度減小，方案二的最大負(fù)彎矩相比于方案一減小26%，方案三比方案一減小44%。

圖3 框架梁彎矩有限元分析結(jié)果（單位：kN·m）

方案二和方案三的樓板內(nèi)彎矩如圖4 所示。按照方案二的支撐體系，1F 層樓板的內(nèi)力由于下層架體的存在從19 kN·m減小至14 kN·m，減少了26%，但是-1F 層樓板由于該層架體的作用，樓板內(nèi)單位長(zhǎng)度彎矩達(dá)到了13 kN·m，可以看出由于樓板相對(duì)支撐架體剛度較小，荷載向下傳遞的趨勢(shì)要遠(yuǎn)大于水平傳遞至框架柱的趨勢(shì)，上下兩層樓板發(fā)生協(xié)同變形，以幾乎相同的應(yīng)變將內(nèi)力傳遞至框架柱。而當(dāng)按照方案三，底層架體直接落在剛度足夠大的底板上時(shí)，上部荷載可以通過(guò)架體直接以豎向軸力的形式傳遞至底板，避免了樓板發(fā)生過(guò)大變形，板內(nèi)彎矩隨之減小，-1F 層樓板彎矩最大值為11.3 kN·m，方案三相比于方案一減少40%，-2F 層彎矩相比于方案二減小53%，但是由于混凝土框架柱剛度更大，樓板仍需要承擔(dān)部分荷載傳遞至框架柱。

圖4 單位長(zhǎng)度框架梁彎矩有限元分析結(jié)果（單位：kN·m/m）

方案二的樓板最大彎矩14.0 kN/m，小于樓板的正截面設(shè)計(jì)彎矩為14.90 kN/m，但是由于二者較為接近，安全余量很小，本項(xiàng)目采用了方案三的設(shè)計(jì)，支撐架一次到底，整體變形如圖5 所示，樓板最大的變形發(fā)生在-1F 層跨中部位，最大變形2.2 mm，小于撓度限制，各項(xiàng)梁板驗(yàn)算均小于設(shè)計(jì)值，該方案可行。

圖5 方案三整體變形分析結(jié)果（單位：mm）

5 結(jié)語(yǔ)

本文采用的荷載基礎(chǔ)傳遞施工方法，能將轉(zhuǎn)換層大梁的施工荷載由支撐體系一層一層地傳遞給基礎(chǔ)，是傳力途徑最直接的方法。雖然支撐體系材料用量有一定程度增加，但是相對(duì)于采用其他的施工方法，其支撐體系具有施工荷載傳力途徑明確，施工簡(jiǎn)單，有利于控制施工質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，特別是轉(zhuǎn)換大梁一次澆筑成型，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠性好，是值得推廣的一種做法。本文以有限元分析方法為基礎(chǔ)，對(duì)大型混凝土澆筑對(duì)結(jié)構(gòu)影響進(jìn)行定量分析，選擇經(jīng)濟(jì)技術(shù)性最優(yōu)方案的方法，可為類似的工程項(xiàng)目提供參考借鑒。