層疊式預(yù)制混凝土設(shè)備管道井吊裝抗裂數(shù)值分析

陳 浩 張明亮 辛亞兵 王江營 劉 維

1. 湖南建工集團(tuán)有限公司 湖南 長沙 410004；2. 湖南建工集團(tuán)裝配式建筑技術(shù)研究院 湖南 長沙 410004

隨著當(dāng)前建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和現(xiàn)代化的要求，裝配式預(yù)制構(gòu)件已成為當(dāng)下建筑行業(yè)的研究熱點(diǎn)之一[1-2]。相較于傳統(tǒng)現(xiàn)澆設(shè)備管道井，預(yù)制混凝土設(shè)備管道井能夠節(jié)約勞動(dòng)力成本，施工效率高，能有效保證施工質(zhì)量。層疊式預(yù)制設(shè)備管道井道施工時(shí)只需將在工廠預(yù)制好的上下2段混凝土設(shè)備管道井，通過塔吊依次吊裝搭接即可。由于預(yù)制混凝土設(shè)備管道井質(zhì)量較大，所以，在吊裝過程中預(yù)制混凝土設(shè)備管道井自重和吊裝位移對(duì)其結(jié)構(gòu)安全有著重要影響。

目前，已有相關(guān)學(xué)者對(duì)裝配式預(yù)制構(gòu)件的吊裝受力特性進(jìn)行了數(shù)值分析研究。于慧[3]以安徽寶業(yè)建工集團(tuán)濱湖潤園住宅項(xiàng)目為工程背景，采用理論計(jì)算與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)剪力墻板吊裝進(jìn)行了抗拉、抗彎和抗裂驗(yàn)算。研究表明，采用兩點(diǎn)吊和三點(diǎn)吊均能滿足抗彎、抗拉和抗裂性能要求。鄭藝杰等[4]以馬鞍山市銀塘公租房項(xiàng)目預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件為工程背景，采用有限元模型方法研究了剪力墻吊裝受力性能，將驗(yàn)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)吊裝結(jié)果對(duì)比，研究表明，預(yù)制剪力墻吊裝滿足安全施工要求。陳浩等[5]采用數(shù)值分析的方法研究了共軸承插型預(yù)制一體化衛(wèi)生間吊裝荷載作用下的結(jié)構(gòu)受力特性。

目前，行業(yè)內(nèi)雖然已在裝配式預(yù)制構(gòu)件吊裝受力特性分析研究方面取得了一定成果，但還未見相關(guān)裝配式預(yù)制混凝土設(shè)備管道井吊裝受力特性的分析研究。鑒于此，基于ANSYS有限元軟件，建立層疊式預(yù)制設(shè)備管道井有限元模型，對(duì)層疊式預(yù)制混凝土設(shè)備管道井在吊裝過程中的抗裂性能進(jìn)行數(shù)值模擬，研究可為層疊式預(yù)制混凝土設(shè)備管道井的吊裝施工設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供技術(shù)支持，并為相關(guān)工程提供借鑒和參考。

1 工程背景

湖南建工集團(tuán)有限公司依托全國裝配式建筑科技創(chuàng)新基地，在成功研發(fā)共軸承插型預(yù)制一體化衛(wèi)生間的基礎(chǔ)上，研制了新型層疊式預(yù)制設(shè)備管道井。研發(fā)的預(yù)制設(shè)備管道井可實(shí)現(xiàn)模塊化生產(chǎn)，有效提升工程質(zhì)量，降低建設(shè)成本。以預(yù)制設(shè)備管道井上節(jié)為例進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件吊裝抗裂有限元分析。預(yù)制設(shè)備管道井混凝土強(qiáng)度為C30，預(yù)制設(shè)備管道井上節(jié)的長度為3 700 mm，寬度為1 600 mm，高度為1 080 mm，截面厚度為100、120 mm。分布鋼筋直徑均為6 mm，吊釘加強(qiáng)鋼筋直徑為12 mm。圖1為預(yù)制設(shè)備管道井上節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸。

圖1 預(yù)制設(shè)備管道井上節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸

2 有限元模型建立

利用ANSYS18.0有限元軟件建立預(yù)制設(shè)備管道井有限元模型。為考慮混凝土與鋼筋之間的相互作用，采用分離式模型建立預(yù)制設(shè)備管道井有限元模型[6]。混凝土采用Soild65單元模擬，分布鋼筋和吊筋采用Link8單元模擬。混凝土單元網(wǎng)格劃分尺寸為0.05 m，鋼筋單元與混凝土單元共節(jié)點(diǎn)。圖2為預(yù)制設(shè)備管道井上節(jié)有限元模型。表1為預(yù)制設(shè)備管道井有限元模型參數(shù)。

圖2 預(yù)制設(shè)備管道井上節(jié)有限元模型

表1 預(yù)制設(shè)備管道井上節(jié)有限元模型參數(shù)

3 吊裝抗裂性能分析

3.1 荷載組合下吊裝抗裂性能分析

分析在結(jié)構(gòu)自重（3.2 t）＋吊釘拉力（10 453.3 N）荷載組合作用下的結(jié)構(gòu)受力性能。圖3為預(yù)制設(shè)備管道井上節(jié)沿z軸方向拉應(yīng)力云圖。由圖3可知，混凝土最大拉應(yīng)力（z軸）發(fā)生在頂面，最大拉應(yīng)力為1.99 MPa，小于混凝土軸向抗拉強(qiáng)度2.01 MPa，不會(huì)產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。

圖3 沿z軸方向拉應(yīng)力云圖

分別提取了6個(gè)吊筋沿z軸方向的變形值，如表2所示。由表2可知，預(yù)制設(shè)備管道井6個(gè)吊筋的變形極其微小，吊筋不會(huì)發(fā)生屈服現(xiàn)象。

3.2 在水平位移作用下的抗裂性能分析

以混凝土開裂為極限狀態(tài)，混凝土受壓應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系按GB 50010—2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》取值得到，混凝土開口裂縫剪應(yīng)力傳遞系數(shù)為0.40，閉合裂縫剪應(yīng)力傳遞系數(shù)為1.00。鋼筋的屈服準(zhǔn)則采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化材料模型BKIN。分析時(shí)考慮結(jié)構(gòu)自重作用。表3為預(yù)制設(shè)備管道井在水平位移作用下的抗裂性能計(jì)算工況。限于篇幅，以工況一為例，給出了預(yù)制設(shè)備管道井在水平位移作用下結(jié)構(gòu)的裂縫分布。

表2 吊筋沿z軸方向變形值

表3 預(yù)制設(shè)備管道井在水平位移作用下抗裂性能計(jì)算工況

3.2.1 沿井頂x軸±5 mm水平位移作用

圖4為預(yù)制設(shè)備管道井裂縫分布情況（沿井頂x 軸±5 mm水平位移作用）。由圖4可知，在沿井頂x軸±5 mm水平位移作用下，設(shè)備管道井無裂縫產(chǎn)生。

3.2.2 沿井頂x軸±10 mm水平位移作用

圖5為預(yù)制設(shè)備管道井裂縫分布情況（沿井頂x 軸±10 mm水平位移作用）。由圖5可知，在沿井頂x 軸±10 mm水平位移作用下，設(shè)備管道井無明顯裂縫產(chǎn)生。

圖4 裂縫分布（沿井頂x軸±5 mm水平位移）

圖5 裂縫分布（沿井頂x軸±10 mm水平位移）

3.2.3 沿井頂x軸±15 mm水平位移作用

圖6為預(yù)制設(shè)備管道井裂縫分布情況（沿井頂x軸正向±15 mm水平位移作用）。由圖6可知，在沿井頂x軸正向±15 mm水平位移作用下，設(shè)備管道井內(nèi)部裂縫現(xiàn)象較為嚴(yán)重，同時(shí)外部也產(chǎn)生了少許裂縫。

圖6 裂縫分布（沿井頂x軸±15 mm水平位移）

4 結(jié)語

1）在吊裝組合荷載作用下，預(yù)制設(shè)備管道井的自身最大應(yīng)力小于C30混凝土的抗拉強(qiáng)度，因此，不會(huì)產(chǎn)生開裂現(xiàn)象；吊筋的變形值極其微小，因此，不會(huì)產(chǎn)生屈服現(xiàn)象。

2）在沿x、y軸方向±5 mm水平位移作用下，設(shè)備管道井自身位移也較小，混凝土應(yīng)力小于自身抗拉強(qiáng)度，不會(huì)產(chǎn)生裂縫現(xiàn)象；在沿x、y軸方向±10 mm水平位移作用下，設(shè)備管道井無明顯裂縫產(chǎn)生；在沿x、y軸方向±15 mm水平位移作用下，設(shè)備管道井內(nèi)部裂縫現(xiàn)象較為嚴(yán)重，同時(shí)外部也產(chǎn)生了少許裂縫。按照計(jì)算結(jié)果，建議將水平位移限值取為10 mm。

3）采用有限元分析的方法對(duì)預(yù)制設(shè)備管道吊裝抗裂性能進(jìn)行了分析，為混凝土預(yù)制構(gòu)件吊裝施工提供技術(shù)參考。值得注意的是，預(yù)制混凝土構(gòu)件在吊裝動(dòng)力荷載作用下的受力性能需要進(jìn)一步研究。