超高延性混凝土無(wú)筋拱殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建造

張 洛, 黃永強(qiáng),2

(1 華建集團(tuán)華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200002；2 上海超高層建筑設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心，上海 200002)

1 工程概況

竹藤館是中國(guó)第十屆花卉博覽會(huì)三個(gè)永久場(chǎng)館之一,坐落于上海市崇明島花博園花協(xié)展區(qū)主軸西側(cè)的竹藤園中[1]。竹藤館室內(nèi)的展陳空間主要由一異形形態(tài)的拱殼結(jié)構(gòu)提供,如圖1所示,其位于竹藤館的下沉廣場(chǎng),底部與筏板基礎(chǔ)相連接。展廳底部跨度為中間大、兩端小,最大跨度約為8.3m,最小約為3.5m。展廳平面中心線總長(zhǎng)度約34.1m;展廳一端拱高6.5m、另一端拱高約3.1m,中間曲面由端部拱截面從高到低按自由曲線掃略生成。殼體側(cè)面開有不規(guī)則的一個(gè)門洞及四個(gè)窗洞,門洞尺寸高約2.6m、寬約2.4m,窗洞高約1.5m、寬約2.2m。

為了探索結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新方法和施工建造新工藝,竹藤館展廳采用同濟(jì)大學(xué)余江滔團(tuán)隊(duì)研發(fā)的以聚乙烯纖維為增強(qiáng)材料的超高延性混凝土(ultra-high ductile concrete, UHDC)無(wú)配筋建造而成。此材料為工程水泥基復(fù)合材料(ECC)中的一種,但其拉伸應(yīng)變能力可達(dá)5%～8%,與鋼材的拉伸伸長(zhǎng)率基本相當(dāng)[2]。UHDC的高抗拉強(qiáng)度、高延性為無(wú)筋建造提供了可行性,即結(jié)構(gòu)無(wú)需配置鋼筋,僅通過(guò)混凝土材料完成建造便可滿足各種設(shè)計(jì)要求[3-4]。無(wú)筋建造免去了鋼筋綁扎等繁瑣的工序,大幅度提高了建造效率。此外,由于UHDC材料的高強(qiáng)度,也可以大幅度減少殼體厚度,實(shí)現(xiàn)“輕薄化”設(shè)計(jì)。竹藤館展廳結(jié)構(gòu)系國(guó)內(nèi)首次在建筑結(jié)構(gòu)中完全采用UHDC材料且無(wú)配筋建造的案例,此前UHDC多應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)、建筑幕墻與外立面、預(yù)制構(gòu)件連接和結(jié)構(gòu)維修加固等[5-8]。

復(fù)雜造型結(jié)構(gòu)、異型結(jié)構(gòu)構(gòu)件和不規(guī)則尺寸構(gòu)件采用基于傳統(tǒng)建筑工業(yè)化的大工業(yè)生產(chǎn)方式去制造,存在著模板專項(xiàng)專用、資源浪費(fèi)、耗時(shí)耗力的現(xiàn)象,且無(wú)法做到按需定制和個(gè)性化定制。在這樣的背景下,為適應(yīng)特殊建筑造型的建筑工業(yè)化的要求,可將3D打印建造技術(shù)應(yīng)用于此類建筑裝飾或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制造生產(chǎn)中[9]。如在烏鎮(zhèn)互聯(lián)網(wǎng)之光示范項(xiàng)目中,應(yīng)用3D打印模板對(duì)自由形態(tài)的殼體結(jié)構(gòu)——智慧亭進(jìn)行了建造,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[10]。竹藤館展廳采用3D打印模板作為內(nèi)側(cè)模板,后續(xù)作為內(nèi)裝飾永久保留,同時(shí)采取噴射混凝土工藝,使得異形拱殼結(jié)構(gòu)成型更加簡(jiǎn)單快捷,免去了拆除外模板的工序。

2 UHDC材料設(shè)計(jì)參數(shù)

本項(xiàng)目所采用的UHDC材料配合比見(jiàn)表1,其力學(xué)性能參數(shù)與普通C30混凝土對(duì)比見(jiàn)表2?？梢钥闯?UHDC材料抗壓強(qiáng)度略高,且抗拉強(qiáng)度是后者的2.5倍,極大地提高了混凝土的抗拉能力。UHDC材料單軸試件拉伸曲線如圖2所示,其拉伸應(yīng)變能力可達(dá)5%～8%,與鋼材的拉伸伸長(zhǎng)率基本相當(dāng),與普通混凝土相比具有較好的抗拉延性。

表1 UHDC材料配合比/(kg/m3)[11]

設(shè)計(jì)展廳結(jié)構(gòu)時(shí),根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)UHDC材料本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行簡(jiǎn)化,拉、壓均采用如圖3所示的理想彈塑性本構(gòu),式(1)、(2)分別為對(duì)應(yīng)的本構(gòu)方程。

圖3 UHDC材料設(shè)計(jì)本構(gòu)曲線

(1)

(2)

式中:Ec為UHDC彈性模量;εt為UHDC受拉應(yīng)變;ft為UHDC抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;εtu為UHDC抗拉峰值應(yīng)變,不小于3%;fc為UHDC抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;εc為UHDC受壓應(yīng)變;εm為UHDC抗壓峰值應(yīng)變;εcu為UHDC抗壓極限應(yīng)變,不小于1%。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

結(jié)構(gòu)彈性分析軟件采用SAP2000 V21.0.2,采用殼單元模擬展廳混凝土薄殼,殼厚度為75mm。建筑門洞及機(jī)電所需的預(yù)留洞口在模型中均有體現(xiàn),以保證分析的準(zhǔn)確性。殼體底部通過(guò)預(yù)留的翻口與筏板基礎(chǔ)連接。為保證殼體底部的可靠錨固,配置少量鋼筋。結(jié)構(gòu)分析時(shí),不考慮錨固鋼筋的作用。

殼體上附加恒載SD主要為保溫及建筑面層等的自重,取3kN/m2。洞口的窗臺(tái)荷載按線荷載加3kN/m?；钶d按不上人屋面取L=0.5kN/m2?？拐鹪O(shè)防烈度為7度(0.1g),特征周期取0.65s,阻尼比取0.05。

3.1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

結(jié)構(gòu)前3階周期及振型如圖4所示,第1階周期為0.221s,前3階振形均為殼體入口處的局部振動(dòng)。模態(tài)分析時(shí)共取90階振型,累計(jì)質(zhì)量參與系數(shù)均滿足90%以上。

圖4 結(jié)構(gòu)前3階振型

3.2 殼體應(yīng)力分析

各荷載組合工況下展廳殼體最大應(yīng)力分析結(jié)果如表3所示,不考慮溫度作用的非地震工況下殼體最大拉應(yīng)力為1.5MPa,地震工況下殼體最大拉應(yīng)力為1.8MPa,均小于UHDC混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。考慮溫度作用時(shí)非地震工況下殼體最大拉應(yīng)力達(dá)3.6MPa,出現(xiàn)在展廳底部嵌固端即局部應(yīng)力集中區(qū)域。由此可見(jiàn),在無(wú)須配筋情況下,UHDC材料就能滿足豎向荷載以及多遇地震下的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求,且殼體表面不會(huì)開裂。

表3 各主要荷載組合工況下殼體最大應(yīng)力分析結(jié)果

3.3 結(jié)構(gòu)變形分析

荷載標(biāo)準(zhǔn)組合(1.0D+1.0L)下殼體豎向變形云圖見(jiàn)圖5,殼體跨中最大豎向變形為1.04mm,約為最小跨度的1/3 378?？紤]長(zhǎng)期作用下混凝土徐變作用,殼體剛度折減0.5,此時(shí)殼體最大豎向變形為1.84mm,約為跨度的1/1 902,滿足相關(guān)規(guī)范[12]要求。

圖5 荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下殼體豎向變形云圖/(×10-3mm)

4 彈塑性分析及驗(yàn)證

為了驗(yàn)證UHDC殼的變形能力是否滿足要求,采用ABAQUS軟件對(duì)UHDC殼進(jìn)行彈塑性分析,材料本構(gòu)已在第2節(jié)給出。此外,對(duì)比了UHDC殼和普通混凝土殼在豎向荷載及水平荷載作用下的極限承載能力以及變形能力。最后,將有限元分析結(jié)果與樣板段試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比[13],驗(yàn)證有限元計(jì)算的可靠性。

4.1 UHDC殼豎向極限承載能力分析

豎向極限承載力分析時(shí),以1.0D+1.0L為基準(zhǔn)荷載值,逐倍增加直至達(dá)到極限狀態(tài)。將殼面所加荷載值與基準(zhǔn)荷載值的比值定義為荷載因子,分析得到殼體荷載因子-位移曲線如圖6所示。UHDC殼的極限荷載為17倍基準(zhǔn)荷載,普通混凝土殼的極限荷載為10倍基準(zhǔn)荷載,說(shuō)明UHDC殼具有更高的承載能力。

圖6 豎向荷載因子-位移曲線

圖7分別給出了普通混凝土殼和UHDC殼在極限荷載下的豎向變形,最大變形均發(fā)生在殼體跨中,普通混凝土殼極限荷載下最大變形約為6.9mm,UHDC殼極限荷載下的最大變形為29.4mm,約為普通混凝土的4.2倍。表明UHDC殼在豎向加載至破壞時(shí),變形能力更強(qiáng),結(jié)構(gòu)具有更好的延性。圖8給出了豎向極限荷載下,UHDC殼的拉應(yīng)力分布情況,最大拉應(yīng)力約為4.2MPa,集中在殼體頂部跨中區(qū)域,以及殼身洞口邊緣區(qū)域。

圖7 豎向極限荷載下殼體豎向變形云圖/mm

圖8 豎向極限荷載下UHDC殼拉應(yīng)力云圖/MPa

4.2 UHDC殼水平極限承載能力分析

水平極限承載力分析時(shí),先預(yù)先施加1.0D+ 1.0L,然后以展廳自重作為基準(zhǔn)值,逐倍加載直至達(dá)到極限狀態(tài)。將殼面所加荷載值與基準(zhǔn)荷載值的比值定義為荷載因子,分析得到水平荷載因子-位移曲線如圖9所示。水平加載模式下,UHDC殼的極限荷載為9倍基準(zhǔn)荷載;普通混凝土殼的極限荷載為3倍基準(zhǔn)荷載;說(shuō)明水平荷載模式下UHDC殼的水平極限承載能力約為普通混凝土殼的3倍。

圖9 水平荷載因子-位移曲線

圖10分別給出了普通混凝土殼和UHDC殼在極限荷載下的水平變形,最大變形均發(fā)生在殼身洞口邊緣,普通混凝土殼極限荷載下最大變形約為8.6mm,UHDC殼極限荷載下的最大變形約為27.5mm,約為普通混凝土的3.2倍。說(shuō)明UHDC殼在水平加載至破壞時(shí),變形能力更強(qiáng)。圖11給出了水平極限荷載下,UHDC殼身的拉應(yīng)力分布情況,最大拉應(yīng)力約為4.2MPa,集中在殼體端部入口區(qū)域,以及殼身洞口邊緣區(qū)域。

圖10 水平極限荷載下殼體變形云圖/mm

圖11 水平極限荷載下UHDC殼體拉應(yīng)力云圖/MPa

從以上極限荷載分析表明,極限荷載作用下,無(wú)筋設(shè)計(jì)的UHDC殼破壞區(qū)域主要集中在殼體的端部區(qū)域、洞口邊緣以及底部區(qū)域。為了提高結(jié)構(gòu)安全度,在這些區(qū)域采取構(gòu)造加強(qiáng)措施。主要包括在殼體底部600mm高度范圍內(nèi)增加殼體厚度,并增加雙向配筋。在洞口邊緣增加翻口,并加配雙向鋼筋等。

4.3 有限元分析驗(yàn)證

由于缺少相關(guān)新材料、新建造工藝的實(shí)際項(xiàng)目參考,在展廳建造前,按實(shí)際設(shè)計(jì)方案與施工方案建造1∶1的實(shí)體樣板段,并進(jìn)行豎向和水平加載試驗(yàn)。在豎向50kN的設(shè)計(jì)荷載下,有限元模擬與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,殼體頂部位移幾乎一致,約為0.5mm。在水平方向18kN的設(shè)計(jì)荷載下,有限元模擬與試驗(yàn)結(jié)果測(cè)得各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移均為4～5mm,且各測(cè)點(diǎn)的變形趨勢(shì)一致。有關(guān)樣板段試驗(yàn)和有限元分析的詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)文獻(xiàn)[13]。通過(guò)樣板段的試驗(yàn)與有限元分析對(duì)比,論證了有限元分析方法用于UHDC無(wú)筋混凝土殼的準(zhǔn)確性,說(shuō)明了整體模型計(jì)算分析的可靠性和建造方式的可行性,且表明該混凝土殼在設(shè)計(jì)荷載下具有足夠的安全度。

5 施工工藝

竹藤館展廳UHDC無(wú)筋殼采用了3D打印模板結(jié)合噴射混凝土這種新型施工工藝,可參考的項(xiàng)目案例較少,為保證工程施工質(zhì)量,施工前制定了詳細(xì)的施工方案,以及工程質(zhì)量控制要點(diǎn)。以UHDC噴涂過(guò)程為例,制定的質(zhì)量控制措施以及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),如表4所示。

表4 UHDC噴涂過(guò)程中的質(zhì)量控制措施

竹藤館展廳UHDC無(wú)筋殼施工工藝流程分為以下步驟:腳手架安裝,3D打印模板安裝、門窗套安裝、預(yù)埋件安裝,保溫噴涂、砂漿找平層、涂膜防水,UHDC混凝土噴涂、表面收光、室內(nèi)防火涂料噴涂、混凝土外涂料等。其中,噴射混凝土分7層噴射完成,前4層每層按15mm左右的厚度施工,后兩層按7.5mm左右的厚度施工,最后一層噴射混凝土為完成面,需按設(shè)計(jì)要求效果慢速噴涂。注意每層需連續(xù)噴涂完成,中間不可有冷縫。UHDC殼體室內(nèi)完工照片見(jiàn)圖12。此外,UHDC混凝土的制備也是施工控制要點(diǎn)之一,需要制定專門的投料和攪拌流程,對(duì)投料順序、攪拌時(shí)間進(jìn)行嚴(yán)格控制,使纖維均勻分散,確保UHDC材料的力學(xué)性能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖12 UHDC殼體室內(nèi)完工照片

通過(guò)一系列的施工控制措施,竹藤館展廳殼體施工最終順利完成,工程質(zhì)量達(dá)到了良好的控制。

6 結(jié)論

竹藤館展廳拱殼結(jié)構(gòu)采用了新的無(wú)配筋UHDC材料建造和3D打印模板配合噴射混凝土施工工藝,均是在國(guó)內(nèi)新建拱殼結(jié)構(gòu)中的首次應(yīng)用。為保證項(xiàng)目安全落地,設(shè)計(jì)與建造過(guò)程中采取了一系列措施,包括彈塑性極限承載力分析,樣板段試驗(yàn)以及制定施工標(biāo)準(zhǔn)等。具體結(jié)論如下:

(1)設(shè)計(jì)荷載下UHDC殼體最大拉應(yīng)力為3.6MPa,小于UHDC混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。說(shuō)明UHDC殼無(wú)需配筋即可滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求,且殼體表面不會(huì)開裂。

(2)UHDC殼的豎向荷載下極限承載力比普通混凝土殼提高了1.7倍,水平極限承載力提高了3倍。且UHDC殼體水平及豎向加載下的變形能力約為普通混凝土殼的3～4倍,展現(xiàn)出良好的延性。

(3)通過(guò)對(duì)比樣板段試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果,兩者吻合良好,表明了整體模型計(jì)算分析的可靠性。

(4)通過(guò)一系列施工控制措施,對(duì)UHDC殼工程質(zhì)量達(dá)到了良好控制,表明了本項(xiàng)目中新型施工工藝的可行性,可供其他類似空間異形混凝土結(jié)構(gòu)施工提拱借鑒和參考。