高巨型轉換梁疊合澆筑施工有限元分析

趙 領 志

(天津市房屋鑒定建筑設計院，天津 300381)

高巨型轉換梁疊合澆筑施工有限元分析

趙 領 志

(天津市房屋鑒定建筑設計院，天津 300381)

采用大型有限元軟件對馬來西亞某大樓高巨型梁式轉換層結構的疊合澆筑施工過程進行了計算分析，分別模擬對比了一次性澆筑完成及采用疊合澆筑依次澆筑的施工方法，研究了施工過程中轉換梁、模板支撐和下層梁板結構的內力及變形情況，通過有限元計算的全過程施工模擬，提出采用疊合澆筑法施工時高層建筑梁式轉換層結構的模板支撐及下部結構設計和施工建議。

轉換梁，疊合澆筑，有限元，應力分析，結構變形

馬來西亞某大樓所設梁式轉換層位于結構地上第4層，其高度達4.5 m，若采用一次性完成澆筑的方法，會給施工帶來很大的問題：首先，如此大量的商品混凝土供應難以保證；其次，轉換層巨型構件的自重過大，下部支撐若想安全傳遞上部荷載，橫縱間距將小于0.5 m，這樣密集的支撐布置方式是不易完成現場的安裝及檢驗工作的；最后，如此大體積的混凝土施工需多次分層澆筑，連續施工時間過長。

綜上所述，針對具體的施工過程，采用大型通用有限元軟件ABAQUS建立精細化有限元模型，對轉換大梁采用疊合澆筑法的施工過程進行模擬，采用有限元軟件對施工過程進行分析的目的，一是為了驗算結構整體在施工過程中的安全性；二是找出施工過程中結構的危險部位，局部采取構造措施等，對可能發生的問題進行有效預防，確保施工過程的順利進行。

1 有限元模型

本文以馬來西亞某大樓工程為例，通過大型通用有限元軟件ABAQUS來實現實際工程的模擬，結構轉換梁高度為4.5 m，考慮到大體積混凝土澆筑的溫度控制、混凝土供給能力等因素，決定分3次完成轉換梁的澆筑工作，第一澆筑層高度為1 m，第二澆筑層高度為2 m，第三澆筑層高度為1.5 m。在施工過程中，梁下支撐只考慮疊合梁下部h1高度內荷載，上部高度h2的自重和施工荷載由第一次澆筑的h1高度來承受，故按施工階段不加支撐的疊合梁受彎構件計算，即b×h1=1 000×1 000的簡支梁計算。通過對此澆筑方案進行受力驗算，各次澆筑的轉換梁均能承受第二次澆筑梁的自重及施工荷載，結構整體模型有限元網格劃分及轉換梁模板和支撐布置如圖1所示。

考慮到剛剛澆筑完成的混凝土依然具有部分流動性或剛剛完成初凝，混凝土抗剪強度很低，可以忽略不計，因此在轉模型換梁底部的模板表面上直接施加大小為36 690 N/m2的面荷載。轉換層結構中的高巨型轉換梁自重非常大，屬于恒荷載起控制作用的，其計算公式為：1.35×1 m高鋼筋混凝土梁的自重+1.4×施工荷載×0.7。圖2即是荷載布置的示意圖，圖中箭頭指示出荷載作用的方向。除此之外，整個模型的部件均布置有自重荷載。

2 計算結果

2.1 轉換梁首層澆筑

轉換梁首層澆筑高度為1 m，模型中使用的是φ48×3.5鋼管腳手架，其計算長度為2.402 m，通過計算并查閱GB 50017—2003鋼結構設計規范，可知其軸心受壓穩定系數為0.331，將厚度低于16 mm的Q235鋼的抗壓強度設計值215 MPa乘以穩定系數0.331，得到控制強度71.165 MPa。

圖3為轉換梁首層澆筑完成后支撐體系的應力云圖，由圖3可以看出，支撐體系的MISES應力最大為65.71 MPa，小于根據規范計算到的鋼管控制強度，在施工階段可以滿足設計要求。

圖4和圖5分別為首層澆筑后下層樓板和混凝土梁的最大主應力圖，從圖中可以看出，轉換梁首層澆筑后支撐下樓板的大部分區域混凝土的最大主應力在1 MPa以下，柱下區域的樓板屬于施工中的薄弱區域，其主應力也都在1 MPa左右，最大主應力位置出現在前部電梯井附近，最大值為1.65 MPa，小于轉換梁混凝土的抗拉強度設計值1.71 MPa，因此，轉換梁首層澆筑后樓板及混凝土梁在施工澆筑階段的安全性是可以得到保證的。

2.2 第二層澆筑

第二澆筑層高度為2 m，此時考慮第一澆筑層混凝土的承載能力，其彈性模量偏保守地乘以折減系數0.9，第二澆筑層以布置在第一澆筑層大小為70 440 N/m2的面荷載進行模擬。

根據GB 50010—2010混凝土結構設計規范中的規定，當預制層高度不足全截面高度40%時，澆筑疊合層時，不宜拆除模板下的支撐。經過驗算，本文預制可以獨自承擔上部混凝土荷載，但由于腳手架的剛度較大，支撐會抑制預制層的豎向變形，所以支撐所受壓力較首層澆筑時略有上升，絕大部分支撐的MISES應力在56 MPa以下，如圖6所示，有個別MISES應力超過70 MPa的支撐，由圖7可以看出，首層混凝土絕大部分的最大主應力在1.8 MPa以下，不會產生開裂現象，可能出現受拉破壞的部位集中在電梯井局部區域，可以在局部臨時增設支撐以及少量的構造配筋分擔荷載，防止混凝土受拉破壞。如圖8所示，支撐下樓板所受最大主應力最大值為1.60 MPa，小于抗拉強度設計值，混凝土不會產生裂縫。

2.3 第三層澆筑

實際施工中第三層混凝土澆筑施工在第二層澆筑完成20 d后，澆筑高度為1.5 m，第一層混凝土已成形40 d，認為混凝土強度已達標準值，故不再對其彈性模量進行折減。根據本文前述的理論，彈性模量乘以折減系數0.9。此時第一、二澆筑層均被視為預制層，則預制層高度達3 m，為總截面高度4.5 m的67%，第三澆筑層施工前將轉換梁下部支撐全部拆除。

從圖9中可以看出，第一、二澆筑層的混凝土絕大部分最大主應力在1.16 MPa以下，最大主應力的最大值為1.51 MPa，小于其抗拉強度標準值1.71 MPa；如圖10所示，第一、二澆筑層的混凝土最小主應力最大為6.85 MPa，小于其抗壓強度標準值14.3 MPa，因此，在第三澆筑層施工過程中，轉換層混凝土沒有發生破壞，柱群所受第三主應力的最大值僅為5.69 MPa，如圖11所示，遠遠未達其抗壓強度設計值，結構的安全性可以得到保證。

3 結語

轉換層結構作為高層建筑的關鍵區域，實際受力狀態與設計、施工過程緊密聯系，通過ABAQUS軟件對馬來西亞某大廈高巨型轉換梁疊合澆筑施工全過程的模擬和分析，可以得出以下結論：1)高巨型轉換梁采用疊合澆筑法施工過程中混凝土和支撐系統在施工階段均可以滿足設計要求，結構整體的安全性可以得到保證。2)轉換梁首層澆筑高度及支撐的位置是施工安全的關鍵，柱下及電梯井等區域的下層樓板屬于施工中的薄弱區域，局部應力可能達到混凝土的抗拉強度設計值，因此，應在變化較大區域增加支撐數量并且增加構造配筋。3)采用層疊澆筑法施工，為了優化荷載傳遞，預制層高度達到總截面高度的67%時即可拆除部分或全部支撐，充分發揮先澆筑部分混凝土的承載能力。

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Finite element analysis of superimposed pouring for the high-giant transfer beam

Zhao Lingzhi

(TianjinArchitecturalDesign&IdentificationInstitute,Tianjin300381,China)

A transfer floor of a high-giant building construction in Malaysia was simulated with finite element software to research the construction of superimposed pouring method. The two cases were calculated and analyzed, one-time puring completed and superimposed pouring. The internal force and deformation of structure, such as transfer beam, supporting system and structure under floor was calculated for comparison. According to the entire process simulation, the recommendations of design and construction for the high-giant building construction transfer floor was been proposed.

transfer beam, superimposed pouring, FEM, stress analysis, structural deformation

1009-6825(2015)16-0069-02

2015-03-27

趙領志(1976- )，男，高級工程師

TU761

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