簡析建筑工程施工中混凝土澆筑技術的有限元模擬運用

張田慶，李洪，龐拓，董遠超，付正權

（中國建筑第二工程局有限公司）

1 引言

在工程實踐中，混凝土收縮徐變對鋼-混凝土組合梁的長期性能具有重要意義[1]，現有的理論研究大多集中在整體現澆混凝土建筑構件的情況下[2]。預制拼裝施工技術以其工期短、施工費用低、施工方便等優點，在國內外工程結構的施工實踐中得到了廣泛應用[3]。我國部分組合梁面板多采用后澆混凝土節點預制和現場拼裝，建筑工程施工的鋼梁組合工作采用后澆混凝土節點設置剪力連接件在鋼-混凝土組合梁橋的工程實踐中，施工縫周圍混凝土建筑工程施工開裂是一種常見的現象，一般認為混凝土的徐變、早期收縮和施工順序是引起建筑工程施工開裂的主要原因[4]。基于有限元模型，Mari等討論了混凝土四種不同澆筑順序對組合梁板長期性能的影響[5]。Dezi等人編制了考慮早期收縮、拉伸徐變和不同澆筑順序等因素的組合梁長期性能計算程序[6]。在此基礎上，基于歐洲規范提出的模數比法，提出了考慮施工階段建筑應力狀態的實用評估方法。然而，在已有的鋼-混凝土組合梁理論模型中，并未考慮預制板與后澆節點混凝土齡期差異的影響。本研究將重點探討關于建筑工程施工中，混凝土澆筑技術的后澆節點。

2 實驗方案

2.1 試件設計

本研究設計了兩種試件（組合梁A和組合梁B）來評價組合梁的時變性能。對長度為3.5m的組合梁A施加均布荷載，長度為2.1m的組合梁B施加軸向荷載。兩個試件均由一個焊接工字梁和一個寬度為55mm的裝配式混凝土預制板組成。在組合梁A和B中，混凝土面板和鋼架的組合作用是由一對公稱直徑為10mm、長度為40mm的雙頭螺柱焊接在鋼梁頂翼緣上完成的。這種剪力釘的布置超出了全剪力連接的要求，因此，梁的承載力取決于鋼梁的屈服。這兩個樣本的詳細情況如圖1所示。

圖1 組合梁試件示意圖

本實驗設計主要是考慮當前組合梁混凝土澆筑的設計與施工程序。在裝配式組合梁橋的工程實踐中，由于沒有采取有效措施，后澆筑混凝土接頭附近經常出現裂縫。后澆節點與預制板的齡期差異對組合梁長期性能的影響具有重要意義。因此，迫切需要研究后澆節點對鋼-混凝土組合梁長期性能的影響。

2.2 材料試樣

試件A和B的鋼梁由標稱厚度為5mm的Q370QD級鋼板制成。根據國家標準GB/t2281-2010測定了Q370QD級鋼板的彈性模量為206Gpa。根據國家標準GB/t10433，測定了ML15雙頭螺柱的極限抗拉強度為480Mpa。預制板和裝配式混凝土面板后澆接頭的混凝土混合料原材料均為當地普通P級。P42.5水泥、水、5-12.5mm礫石和當地河砂。

3 有限元模擬結果

根據上述材料配制，利用有限元軟件模擬混凝土施工澆筑情況。研究結果表明，預制板與后澆節點的混凝土齡期差異對組合梁裝配式混凝土面板的長期性能有顯著影響。在長期試驗過程中，分別采用傳統模型和建議模型計算了預制板和跨中后澆節點的頂纖維法向應力。此外，根據相關研究文獻的內容，將后澆節點的混凝土應力分解為兩個分量：前者由混凝土的徐變引起，后者由混凝土的收縮引起。然后，分別畫出由不同機理引起的混凝土法向應力的這兩個分量，如圖2所示。確定初始荷載和377d時預制板和跨中橫截面后澆接頭中混凝土的計算正應力，以供比較。需要注意的是，混凝土在拉應力作用下的徐變假定滿足混凝土在欠壓應力作用下的徐變規律，那么對于承受拉伸應力的混凝土，其蠕變效應比壓縮時更大。當考慮混凝土在拉應力和壓應力作用下的不同徐變行為時，后澆接頭處混凝土的可能拉應力將遠低于圖2所示的計算值。

圖2 后澆縫中混凝土收縮徐變引起的應力分量

由圖2可以確定，采用預制裝配技術制備了兩個鋼-混凝土組合梁試件，并對試件在持續均布荷載或軸壓作用下進行了223d的長期性能試驗。根據試驗結果，建立了一種新的增量微分模型，特別適用于裝配式鋼-混凝土組合梁。其中考慮了持續荷載對鋼-混凝土界面滑移性能的影響，以及不同齡期預制板和后澆節點收縮徐變的影響。由此可以得出以下結論。

①預制板存放7個月后，在均布荷載作用下，組合梁A的跨中撓度實測值僅比相應的瞬時值增加約40%。結果表明，混凝土建筑工程施工的預制拼裝技術可以大大減小組合梁的長期變形。

②忽略預制板與后澆節點混凝土齡期差異的影響，可能會低估裝配式混凝土建筑工程施工板和鋼梁的縱向應變。與傳統模型相比，該模型能更合理地預測復合材料梁的應變。用該模型計算的裝配式混凝土建筑工程施工板和鋼梁的相對應變誤差控制在8%以內。

③預制板與后澆節點的混凝土齡期差異對組合梁的長期變形影響不大，但會延緩應力的產生預制板的衰減趨勢。用該模型計算了A、B組合梁預制板377d的頂纖維法向應力，分別為18.2%和29.2%，高于傳統模型，分別考慮了預制板與后澆節點的混凝土齡期差異，當收縮效應大于徐變效應時，該模型可以預測后澆節點附近混凝土的拉應力和開裂。通過實驗研究和本研究提出的理論模型后，可以有效解決澆接頭在工程施工過程中的開裂現象。

4 結語

綜合上述，本研究提出混凝土澆筑技術在建筑施工中的運用，主要是通過試驗與模擬來達成實踐中的良好應用效果。