装配式混凝土夹芯拱形屋盖施工阶段力学性能研究

2022-12-06卜国平程麦理王弘起惠悦悦李大卫

新型建筑材料 2022年11期

卜国平，程麦理，王弘起，惠悦悦，李大卫

（1.陕西建工第十三建设集团有限公司，陕西延安 716000；2.延安大学建筑工程学院，陕西延安 716000）

0 引言

随着装配式建筑结构设计理论的不断完善，空间构形复杂的构件施工安装技术日趋成熟，各类创新性功能型装配式构件应用逐步广泛。预制钢筋混凝土夹芯拱形屋盖是一种集结构承载、保温隔热、围护构造及建筑美观造型于一体的高度集成化装配式构件。在各施工阶段构件的支承形式变化各异，结构承载机制复杂，内力及变形分布规律多变，开展夹芯拱形屋盖的典型施工阶段力学性能分析对该类结构的装配施工具有借鉴意义。

我国早期在粮仓建筑中广泛应用预应力拱板屋盖，相关吊装施工技术研究较多[1-3]。为避免预应力混凝土拱板屋盖地面制作法对吊装施工的严格要求，陈勇[4]提出了改进的空中原位现浇法，结合有限元结构受力分析和现场荷载试验对比，探讨了吊装施工与原位现浇的优劣势。于雷等[5]通过对拱形大板结构进行荷载及内力设计分析，探讨了拱形屋盖大板结构的技术特点，给出了该类结构的设计、施工等技术要求。郑毅[6]通过对FRP曲面夹芯板进行设计方法研究，探讨了曲面夹芯板的支承结构及吊装施工优化技术。

为探究复杂断面预制混凝土夹芯拱形屋盖在不同施工阶段构件的承载机制，根据构件在典型施工阶段支承边界的约束变化，主要研究堆放、吊运、安装等典型施工阶段下构件内力及变形规律，研究结果可为复杂空间异形构件的吊装检算和专项施工方案编制提供借鉴。

1 工程概况

延安某大型建筑工程项目，规划建筑面积5.2万m2，其中2#、3#公寓楼为混凝土框架结构，采用装配式拱形屋盖结构，屋盖空间构形为半椭圆形。为兼顾建筑节能及美观要求，拱形屋盖采用3层夹芯保温板做法：80mm混凝土外叶板（保护层）+80 mm夹芯保温层+140 mm混凝土内叶板（结构层），形成内嵌保温板的预制钢筋混凝土夹芯拱形屋盖结构。夹芯拱形屋盖构件在预制工厂内一次浇筑成型，根据施工进度适时运输至施工现场完成起吊安装。

夹芯拱形屋盖水平投影宽度3.88 m，水平投影长度7.5 m，拱脚采用预埋钢板焊接连接。限于生产及运输设备要求，夹芯屋盖构件采用分段预制，含接缝的分段长度分别为2.60、3.35、1.75 m。夹芯屋盖混凝土采用C35等级，钢筋采用HRB400级，保温夹芯板采用聚苯板。

为探讨预制混凝土夹芯拱形屋盖在不同施工阶段的荷载传递规律及内力分布，以长度2.6 m的混凝土夹芯拱形屋盖节段为研究对象，在拱脚距拱端540 mm处设置吊点及系杆预埋件，图1为该节段夹芯拱形屋盖的构造及尺寸。

图1 夹芯拱形屋盖尺寸

2 施工阶段及工况

2.1 施工阶段划分

混凝土夹芯拱形屋盖在各施工阶段面临边界条件及受力状态的改变，根据装配式建筑结构构件预制、吊运、安装等典型施工组织，结合空间异形构件支承防护要求，研究中主要针对构件存放、起吊及安装等3个典型施工阶段进行数值模拟计算。

2.1.1 构件存放

在混凝土夹芯拱形屋盖构件工厂预制完成后，待混凝土强度达到设计要求时，构件将在预制场内进行短期存放，在存放阶段夹芯拱形屋盖常在拱脚处设置枕木，其支承形式为简支曲拱。

2.1.2 构件起吊

对于夹芯拱形屋盖施工现场起吊至空中目标位置阶段，钢绳仅在拱片预埋吊点处连接，钢绳提供拱片的竖向支承。为确保夹芯拱形屋盖在空间内具有必要约束，进行模拟分析时在拱片对称轴处设置提供横拱向和纵拱向的水平支承。

2.1.3 构件安装

当构件起吊至目标位置，按设计要求对夹芯拱形屋盖进行拱脚预埋钢板的定位焊接安装，拱脚支承形式与固定铰支座等效。在进行拱片受力分析时，可将其计算模型简化为两铰拱，即在拱脚处设置固定铰支承。

2.2 理论模型

夹芯拱形屋盖在不同施工阶段的支承约束条件不同，其理论分析模型也有差异。根据各施工阶段夹芯拱形屋盖的边界约束情况，构件存放阶段拱形屋盖可简化为简支拱结构，其理论分析模型如图2（a）所示。对于夹芯拱形屋盖构件起吊及安装施工阶段的理论分析模型如图2（b）所示，构件安装施工阶段的理论分析模型如图2（c）所示。

图2 拱形屋盖理论模型简图

2.3 工况设置

为探讨各典型施工阶段夹芯拱形屋盖支护措施对构件内力分布的影响，分析中对构件存放、起吊2个施工阶段增加系杆支承工况的模拟计算，该混凝土夹芯拱形屋盖典型施工阶段力学性能分析工况如表1所示。为便于对比各工况下混凝土夹芯拱形屋盖的承载性能，进行荷载分析时考虑结构自重恒载荷载分项系数为1.3。

表1 夹芯拱形屋盖分析工况

3 有限元模型建立

为准确模拟混凝土夹芯拱形屋盖在各施工阶段的应力分布及变形位移，研究借助有限元分析软件ANSYS建立该混凝土夹芯屋盖构件有限元分析模型，结合工况理论模型设置结构边界约束。

3.1 材料参数

采用C35混凝土，抗压强度设计值fc=16.7 MPa，抗拉强度设计值ft=1.57 MPa，泊松比v=0.2，材料弹性模量Ec=3.15×104MPa，考虑混凝土压碎、开裂效应，闭合、张开裂缝的剪力传递系数分别取0.95、0.50。钢筋材料参数按受力筋HRB400钢筋参数取用，屈服强度设计值fy=360 MPa，弹性模量Es=2×105MPa，采用理想弹塑性模型。保温层夹芯板材料弹性模量Eb=40 MPa。

3.2 单元选取

采用实体单元Solid65模拟拱壳内、外叶板及夹芯板的受力状态，模型中对构件钢筋的加强作用采用整体式模型模拟，横拱向配筋率0.8%，纵拱向配筋率0.36%，钢筋混凝土裂缝采用弥散裂缝模型模拟。根据实体单元建模尺寸要求[7]，结合屋盖结构尺寸实际，有限元模型单元数量共2170个。

3.3 边界条件

根据不同工况下预制混凝土夹芯拱形屋盖的支承约束情况，结合各工况的理论分析简图，有限元分析模型在不同工况下的边界约束条件按图2和表1要求设置。

图3为构件吊装阶段设系杆的混凝土夹芯拱形屋盖有限元分析模型。

图3 夹芯拱形屋盖有限元模型

4 结果分析

4.1 拱顶应力

拱形结构在竖向荷载作用下通常有水平支反力，该水平反力可较大程度降低横拱向跨中（拱顶）弯矩。当拱结构在拱脚处无可靠水平支承时，拱结构跨中的较大弯矩可引起拱顶混凝土受拉开裂，降低构件的安全性和适用性。图4为不同工况下拱顶应力沿纵拱向的分布情况。

由图4可见，工况1和工况3下拱顶内、外侧的等效应力明显较其余工况大，主要是由于这2种工况下夹芯拱形屋盖构件未设置水平支承，在竖向荷载作用下拱结构跨中正弯矩较大，内叶板受拉而外叶板受压引起的。拱顶内、外侧等效应力达1.2 MPa左右，该应力小于混凝土抗拉强度设计值，即表明夹芯拱形屋盖在存放阶段和起吊阶段不设置系杆仍能保证构件混凝土不开裂。对比工况1和工况3下拱顶应力分布发现，不设系杆的起吊施工阶段（工况3）拱顶应力较不设系杆的存放阶段（工况1）拱顶应力大，表明简支边界约束较起吊边界约束强。

图4 拱顶应力分布曲线

分析拱顶应力沿纵拱向的变化规律可知，夹芯拱形屋盖结构在各工况下均表现出拱片前后端面应力较中部大，表明该类构件在各典型施工阶段支承约束下构件的前后端首先开裂，因而施工中应重点关注拱片端部的应力变化，必要时可采取合理的支护措施，以限制构件变形发展。

4.2 拱圈应力

根据夹芯拱形屋盖的构造设计，拱圈内侧厚140 mm的钢筋混凝土为拱形屋盖受力拱板，因而通过对沿纵拱向不同位置拱圈的应力分析可准确掌握拱结构的受力性能，图5为工况1～工况5条件下沿纵拱向5个典型拱圈断面的应力分布情况。

图5 拱圈应力分布曲线

由图5可见，除工况3外，其余各工况在拱脚支承点处均有较大的应力分布，该等效应力幅值相对混凝土强度设计值较小，不会对结构产生开裂破坏，但仍需关注在夹芯拱形屋盖各施工阶段支座处局部承压破坏和系杆预埋件处的受拉开裂。同时分析发现，在有可靠水平支承（工况2、工况4、工况5）条件下，拱轴应力水平整体较小，符合拱结构以受压为主的受力特点，拱圈承载性能良好。

由图5（c）可见，工况3条件下拱脚支承设置在拱脚顶面（吊环预埋件），因而对夹芯拱形屋盖内侧拱圈的应力影响较小，构件应力分布较其余工况差异大，该工况下横拱向跨中的应力幅值整体较大。

对比不同断面拱圈的应力分布发现，在拱圈前端、后端面的应力幅值较其余工况大，这是由于拱圈两侧端面处约束较小变形发展充分引起，同时在拱圈前、后端面处拱圈刚度较大，使得内力分配集中，这是其断面应力分布较大的重要因素。

4.3 位移变形

在进行结构承载能力评定时，荷载作用下结构的变形能力是反映结构刚度的关键指标。为探究混凝土夹芯拱形屋盖在各典型工况下的位移变形，图6为不同约束条件下拱形屋盖在竖向自重荷载作用下的位移变形云图。

图6 夹芯拱形屋盖位移变形云图

由图6可见，工况1～工况5条件下自重荷载使拱形屋盖构件发生水平及竖向变形，构件整体位移变形较小，表明该类构件整体刚度大、抵抗变形能力强。工况3（不设系杆的起吊施工阶段）条件下夹芯拱形屋盖的变形发展充分，该结论与图5（c）的拱圈应力分布密切相关，拱形屋盖主要在拱脚处发生水平位移和拱顶处发生竖向位移，两拱脚水平变位差为1.46 mm，较图6（a）工况1条件下拱脚位移差1.15 mm大得多。在起吊施工阶段，由图6（c）和图6（d）可见，设置拱脚系杆（工况4）相较不设系杆（工况3）可大幅降低拱形屋盖的变形，从而保证吊装施工的安全性和稳定性。