多環式超高強度混凝土裝配式房屋應用試驗研究

李志高，趙偉華，賈英杰

（1.建華建材（中國）有限公司，江蘇 鎮江212000；2.北京交通大學土木建筑工程學院，北京100044）

1 項目背景

該工程位于鄱陽湖濕地草原體驗區西山島，由江西省某研究院統一規劃和設計，采用輕型預制裝配式圓環形或圓柱形建筑設計，項目代號“圓夢小屋”。由于項目位于旅游區，因此建筑部件需滿足人工搬運的重量限制、外立面的混凝土材質體現、快速拼裝、安全可靠等要求。建華建材（中國）有限公司根據設計要求，參考國內外類似項目的經驗，結合自身生產能力，提供了一種多環式超高強度混凝土裝配式設計方案。文章就該方案的結構形式、設計計算及試驗情況作簡要介紹。

1.1 “圓夢小屋”的結構形式

“圓夢小屋”為多個圓形筒狀結構組成的具有景觀效果的建筑物。由于該建筑位于山區，施工中無法使用大型設備進場安裝，需將其拆分成足夠小的單片構件以便于人工搬運，因此每片質量不能超過60 kg且應易于施工安裝，而傳統的鋼筋混凝土構件無法滿足上述要求，只有采用強度更高的超高強混凝土（以下簡稱UHPC）材料，才有可能制成較輕薄的構件。UHPC采用最大密實理論模型進行混凝土配合比設計，原材料分別采用級配石英砂、硅酸鹽水泥及自主研發的UHPC專用摻合料、鋼纖維等，養護工藝采用90°C蒸汽養護48 h。經實際測試，該UHPC的軸心抗壓強度 fc＞130 MPa，抗折強度ff＞18 MPa，軸心抗拉強度 ft＞6.0 MPa，混凝土彈性模量Ec＞48 GPa，氯離子擴散系數（RCM法）為1.8×10-14m2/s，90 d碳化深度為0。

另外，為了保證居住品質的要求，小屋單管內直徑不小于2 800 mm，進深6 000 mm。另外，為了體現景觀效果，小屋采用“2+1”的疊放組合形式。

經測算，“圓夢小屋”單管內直徑取2 900 mm，每管沿縱向劃分為12環，每環長500 mm，在圓周方向上將圓環拆分為6片，每片弧長約1 535 mm。為了滿足重量要求、利用UHPC的高強度性能，環片的主要厚度設計為30 mm。單環截面尺寸如圖1所示。

圖1 單環截面尺寸

連接方面，環片之間通過鋼板和螺栓連接。為了便于環片在橫向和縱向上的連接以及增加成環后的整體剛度，連接點處的混凝土增厚至60 mm，形成加強肋（圖2）。縱向環與環之間也采用鋼板和螺栓連接，為了防止通縫的出現，相鄰環之間沿環軸線旋轉30°，使小屋的環片形成齒形交錯的排布形式，如圖3所示。

圖2 單片尺寸示意

圖3 單管環片縱向組合示意

“2+1”組合拼裝時，下部兩環使用鋼制支座固定在地面上。支座托架為90°弧長的鋼板，與環片之間通過橡膠墊片壓緊在一起。上部單環與下部兩環之間通過支架組合在一起，支架與環片之間通過設置橡膠墊進行緩沖。如圖4所示。

圖4 “2+1”的組合形式

1.2 有限元模型

由于該方案結構的特殊性，在初步設計時，通過有限元法對小屋單管進行結構分析，進而確認UHPC混凝土力學性能指標能否滿足設計要求。有限元計算使用ANSYS軟件，采用實體建模的方式對結構的整體變形、局部應力進行計算分析。

小屋單管環片采用UHPC混凝土材料，有限元計算中使用彈性本構模型。材料彈性模量為4.5×104MPa、泊松比為0.2、密度為2.5×103kg/m3。

連接用螺栓、鋼板及支座、支架均為Q235B鋼材，采用彈性本構模型。材料彈性模量2.0×105MPa、泊松比為0.3[1]、密度為7.85×103kg/m3。

橡膠墊片為超彈性材料，采用Mooney-Rivlin兩參數模型本構[2]，C10=0.52 MPa，C01=0.13 MPa。

建模尺寸與設計方案相同。為了降低建模的難度，螺栓與鋼板采用一體化建模，簡化了螺栓形式。

簡化后的螺栓模型省略了絲牙，因此螺栓與環片之間采用Bonded[3]接觸，假設兩者之間緊密連接，不會發生滑移和分離。

組裝完成的“圓夢小屋”為圓型截面，在荷載作用下環片之間會產生擠壓力，實際施工時環片之間縫隙使用水泥砂漿填充。因此在有限元計算時，環片之間的接觸面采用No Separation接觸，使環片之間可產生法向應力也可發生小滑移。

橡膠墊作為緩沖部件，與支座之間采用Bonded接觸，假設兩者之間不發生分離和滑移，與環片之間采用Rough接觸，若兩者之間有較大的摩擦力，即可發生微小的滑移。

計算荷載包括自重及外荷載兩種。自重荷載由材料密度和重力加速度經程序自動計算得到，施加在整體模型上。外荷載情況較復雜，按照小屋“2+1”的組合形式，根據相關規范及業主的要求得到小 屋的荷載組合，見表1。

表1 小屋荷載取值

為了便于計算和施加荷載，按單管環片的等效最大彎矩，將“2+1”模式下的荷載組合轉換為最不利狀態單管的等效外荷載，經計算得到單管頂部等效外荷載為60 kN。有限元模型計算中采用Force荷載直接施加在單管頂部。

支座底面采用Fixed Support邊界條件，約束所有自由度。計算過程共分為6個荷載步：第1個荷載步施加自重荷載，第2～6荷載步按每步增加12 kN逐漸增大外荷載，最終總荷載值達到60 kN。

1.3 有限元計算結果

在自重荷載作用下，小屋產生整體向下的變形，最大位移1.83 mm，位于管片的最上部，中間管片的變形比兩端管片的變形略小。

施加外荷載后，變形趨勢與自重荷載作用下變形基本一致。隨著荷載的增加位移逐漸增大，當荷載達到60 kN時，向下最大位移達到了8.74 mm。水平方向上的位移變形表現出了明顯的對稱性，小屋左右兩側各產生了4.99 mm的最大位移，最大處位于小屋水平中線靠上的位置。

小屋管片所受最大主應力約5.0 MPa，小于UHPC混凝土的極限抗拉強度。最大主應力的最大值位于支座附近管片的內側加強肋處，同時頂部管片內側所受拉應力也較大。

1.4 單管載荷試驗

為了驗證計算結果的可靠性和實際結構的安全性，建華建材（中國）有限公司對“圓夢小屋”的承載能力進行了試驗驗證。試驗體為足尺寸單管小屋，材料、尺寸及組裝方式均與設計方案一致。

由于管片結構實際性能未知，出于安全需要，在試驗準備時采用鋼管腳手架對結構內部及周圍進行了支擋圍護。試驗中以堆放沙袋作為荷載的施加方式，堆放于小屋頂部的腳手架圍欄內。

試驗測量指標為小屋管環外圍豎向尺寸及水平尺寸，同時在小屋縱向中間位置測量其橫向水平變形。初始加載荷載為每級0.6 kN/m2，做觀察后增加至每級1.2 kN/m2，每級加載后進行數據測量和記錄。

試驗中，前期每級加載后小屋的整體豎向變形及水平變形均在1 mm左右。當加載至5.4 kN/m2時，每級的豎向變形和水平變形增大到2～3 mm，加載至6.0 kN/m2、總荷載達到60 kN時，局部管片（兩側各一片）出現了細微水平裂縫，小屋頂部管片內側鋼片外由漏漿形成的混凝土薄皮出現掉皮現象，加載過程中有響聲，停止加載結束試驗。試驗記錄見表2。

表2 “圓夢小屋”載荷試驗加載記錄

2 試驗結果及結論

（1）有限元計算結果顯示，在自重及60 kN外荷載作用下，小屋在豎向上共發生8.74 mm的最大位移變形，橫向上共產生9.8 mm的最大位移變形。而載荷試驗結果表明，在自重及60 kN的堆載作用下，小屋在豎向上的最大位移變形平均值為9.5 mm，水平向的最大位移變形平均值為13 mm。通過對比有限元計算值和試驗結果，兩者擬合度較高，有限元模型比較好地反映了小屋結構的實際性能。

（2）載荷試驗加載后的變形量及隔天后的測量結果顯示，小屋帶載狀態下變形量并未進一步增大。大部分UHPC管片外側無裂縫出現，直接放置沙袋的管片區域也未出現肉眼可見的裂縫，表現出了較好的強度及抵抗變形的能力。

（3）有限元計算結果顯示，連接鋼板及螺栓在荷載作用下遠未達到屈服強度。載荷試驗中也未見其產生明顯的變形，各環拼接縫未見明顯加寬。

（4）有限元計算及試驗結果顯示，“圓夢小屋”的設計方案安全可行。在本次計算及試驗的基礎上，將會對“圓夢小屋”的設計進行進一步改進，以滿足不同使用功能和環境場地的項目需求。