大跨度空腹夾層板結構支撐體系設計及分析

戴 磊

（中鐵十六局集團有限公司 北京 100018）

1 引言

在工程建設過程中，對大跨度結構的應用主要是在工業建筑以及公共建筑中，其可以實現建筑單層到多層的發展，進而提高建筑的利用率，并在一定基礎上節約了土地資源。這不僅促進了相應企業經濟效益與社會效益完美結合，還在一定程度上推動了我國社會生態文明建設的發展［1-3］。

在實際工程施工作業中，空腹夾層板結構作為一項新型的樓蓋結構體系，在實際運用過程中缺乏一定的經驗，且結構模板支撐體系較為復雜。因此，相關施工單位在具體的施工過程中必須深入分析，在此基礎上開展設計工作，以此來實現大跨度空腹夾層板結構支撐體系作用的發揮。本文對大跨度空腹夾層板結構特點及施工工藝進行分析，設計出可以應用于大跨度空腹夾層板結構的支撐體系布置方案，再結合實際的工程項目來對支撐體系進行受力計算，最后通過有限元分析驗證了支撐體系的可行性［4-5］。

2 工程概況

2．1 工程簡介

貴州省老干部活動改擴建項目位于貴陽市云巖區宅吉路7號，毗鄰省政府大院。建筑平面長103.8 m，最寬46.8 m，地下兩層，地上5層。地上一層以上結構體系為大跨度框架，大跨度樓蓋采用空腹夾層板，一層以上在7#～8#軸處設縫將結構斷為A、B兩個計算單元。A區2、3層樓面結構參數相同，采用正交斜放混凝土空腹夾層板結構，最大跨度尺寸為23.40 m×39.0 m，該結構為世界首例；A區4層為架空層，5層為U形鋼板組合空腹夾層板結構，跨度為39 m×39 m。B區2、3、4層樓面結構參數相同，采用正交正放空腹夾層板結構，最大跨度為15.6 m×23.4 m；B區5層采用正交正放空腹夾層板結構，最大跨度為31.2 m×39.0 m。

2．2 結構特點

空腹夾層板結構為大跨度無預應力結構，且梁體中空，在大型公共建筑尤為適用，節省了大量土地及資源［6］。空腹夾層板結構為新型結構體系，此結構體系多用于建造多層大跨度工業與公共建筑，具有節約空間、節省材料、提高性能的顯著效果，達到了“循環經濟三原則”要求。

2．3 施工難點

空腹夾層板結構為新型工藝形式，與普通房建形式差別較大，目前尚無比較成熟的施工工藝，因此為本工程施工帶來了較多的難題。

（1）施工平臺及支架模板如何搭設安裝，以方便下肋鋼筋及混凝土施工。

（2）在城市無法連續供應混凝土的情況下，如何確?？崭箠A層板部分混凝土的澆筑質量。

3 支撐體系設計及分析

3．1 布置方案

多層大跨度空腹夾層板由上下肋、剪力鍵以及混凝土薄板構成，其腹部中空。

以往空腹夾層板結構施工時，均采用兩次搭設腳手架的施工方式：在現場搭設滿堂腳手架的情況下，第一次澆筑空腹夾層板的下部網格（即下肋）以及剪力鍵部分混凝土［7］。待混凝土初凝后，再搭設上部密肋網格板（即上肋和薄板）的模板及鋼筋，第二次澆筑上部網格板細石混凝土。由于薄板的模板并沒有搭設，因此在第一次澆筑下部網格混凝土時，需另搭設施工平臺，采用通常形式的施工平臺如圖1所示。人員施工工序繁瑣，易出現安全事故，且需在搭設上部支撐體系之前拆除上述施工平臺，施工成本較高。

圖1 通常形式的施工平臺

為保證施工時工人的人身安全，節約施工成本，本工程在施工時所有支架一次性搭設完成，支架立桿根據每層層高不同單獨設置，除下肋及剪力鍵立桿外，其余立桿搭設至薄板底面，采用下肋模板支撐利用短橫桿連接兩個立桿的形式。支架體系基本完成后，鋪設下肋底板模板，模板完成后，綁扎下肋鋼筋，安裝下肋側向模板。模板上口采用步步緊加固，中間處采用短橫桿連接至下肋兩側立桿形成橫向支撐加固形式，避免混凝土脹模。在澆筑混凝土前加固支架，每個剪力鍵下方及較大下肋單獨支撐鋼管，并與周圍立桿連接形成整體，確?；炷翝仓r支架體系的穩定（見圖2）。

圖2 整體支架模板體系搭設示意

3．2 有限元分析

以貴州省老干部活動設施改擴建項目A區為例，對多層大跨度空腹夾層板結構的支撐體系進行有限元驗證［8］。

3．2．1 有限元分析模型

在大跨度空腹夾層板結構支撐體系設計中，采用有限元軟件SAP2000進行整體分析計算。在實際的施工過程中，由于外界環境以及施工工序等一系列因素的影響，很可能導致施工材料在使用過程中出現變化。在施工環節中，澆筑工作完成之后，混凝土的齡期會出現相應增長，而且其強度以及彈性模量也會有一定程度的增大，這對工程施工的后續工作有一定影響?；诖耍┕挝豢梢岳糜邢拊治?，采用早齡期混凝土彈性模量的計算公式來對其實際的變化量進行分析與記錄，從而確?；炷翝仓^程中性能的穩定，進而為后續的施工工作奠定良好基礎。

由于本工程跨度較大，支撐體系較為復雜，因此在建立有限元模型時，通過最大承載力相等原則對支撐體系進行等效處理，從而忽略水平拉桿的影響。根據工程A區的實際情況，其有限元模型如圖3所示。

3．2．2 樓板受沖切承載力驗算

空腹夾層板部分薄板厚度均為h＝100 mm，取支撐立桿軸力最大值，即52.19 kN進行驗算。本工程支撐立桿端部的方木尺寸為100×100 mm，厚度為12 mm。由《混凝土結構設計規范》中的計算公式可知，在局部荷載或集中反力作用下樓板的受沖切承載力驗算為：

由此可知，采用此種施工方式時，樓板受沖切承載力滿足要求。

3．2．3 空腹夾層板上下肋和剪力鍵內力及配筋驗算

一層下肋軸力以及彎矩分布情況如圖4～圖5所示。內力分布與設計相同，下肋邊節間處為壓力，中間節間為拉力；彎矩值一般情況下會出現相應的變化，一般是由邊節間向中間呈現節間遞減的趨勢［9-11］。

圖3 A區有限元模型

圖4 一層下肋軸力圖

圖5 一層下肋彎矩圖

剪力鍵的剪力分布如圖6所示，與設計相同。越靠近肋的支座剪力鍵的剪力值越大，越往跨中剪力值越小。

由此可見支撐體系的搭設并未影響上下肋以及剪力鍵的內力分布情況。

本工程下肋、剪力鍵混凝土強度等級為C40，上肋混凝土強度等級為C45；上下肋、剪力鍵設計時縱筋均采用HRB400級鋼筋，箍筋均采用HPB300級鋼筋。

（1）上下肋配筋驗算

以某局部位置下肋配筋為例進行說明，有限元分析結果表明此處所需縱筋配筋面積2 887 mm2，而本工程設計中的下肋縱筋為612+625，則縱筋配筋面積為3 623 mm2＞2 887 mm2。在經過計算驗證后，上下肋配筋均滿足要求［12］。

（2）剪力鍵配筋驗算

經過分析與計算得知，在此過程中剪力鍵所需縱筋配筋面積最大為3 002 mm2，而縱筋最小配筋面積為4 572 mm2，在經過比較分析后配筋滿足設計要求。

綜上所述，采用該支撐施工時夾層板設計滿足要求。

圖6 一層剪力鍵剪力分布

4 結束語

基于空腹夾層板結構復雜，施工難度大，采用了整體一次性搭設支架模板體系的措施，避免了二次搭設安全平臺，提高了施工效率，且經濟效益尤為顯著。通過對大跨度空腹夾層板結構支撐體系設計及分析，得出以下結論：

（1）在多層大跨度空腹夾層板結構進行施工時，可采用扣件式滿堂腳手架的搭設方式。

（2）空腹夾層板支撐體系改進技術的核心部分是根據受力分析計算，一次性搭設支架及模板，減少了二次搭拆安全施工平臺的工作量，且更有效地保證了人員的施工安全，大大節省了施工工期。

（3）滿堂腳手架支架體系一次性搭設完成，下肋支撐采用短橫桿連接兩個立桿的形式，板立桿直接搭設至板底，以方便施工，為混凝土澆筑留出足夠安全且方便的工作面。