某高層裝配式住宅地下室頂板鋼管支撐加固方法研究

詹霖偉

(福建六建集團有限公司 福建福州 350014)

0 引言

裝配式混凝土結構，近年來，得到國家和各地市政府的大力支持[1]。在法國和新加坡，裝配式高層建筑在15～30層的裝配率高達70%，日本建造了58層的超高層裝配式建筑[2]。隨著裝配式工程裝配率的提高，預制構件運輸和堆場對地下室頂板的產生的壓力受到越來越多的關注，并且通過地下室頂板回頂的方式進行加固[3-5]。在裝配式工程項目施工現場，預制構件通常采用構件運輸車進行運輸。根據文獻[6]調查研究可知，尺寸為15 m×2.4 m，回轉半徑為6 m～8 m的常規預制構件運輸車，空載時重量約為20 t，滿載時為52.5 t，因此，在規劃預制構件運輸路線時，需要考慮地下室頂板的承載能力，以及對運輸車經過的地下室頂板進行加固，避免預制構件運輸時局部受壓過大，造成地下室頂板開裂或者坍塌[6]。

本文對鋼管排架進行地庫頂板加固的施工方法進行分析探討，探討其在實際裝配式工程項目中的應用情況以及有限元分析方法和結果，為同類工程建設提供一定的借鑒。

1 加固構造特征

地下室頂板的加固方式，主要采用鋼管立柱和斜拉桿共同組成受力體系，對頂板進行回頂的方式，預制構件運輸車和場地堆場的重量通過頂板傳遞給加固體系，形成共同受力體系，如圖1所示。加固體系主要包含鋼管立柱、斜拉桿、斜拉桿卡箍和螺栓等。為保證單立柱之間的整體穩定性，防止支撐立柱在受力過程中發生偏移或者傾覆現象，在立柱之間采用卡箍進行連接，使立柱和斜拉桿形成一個整體，并且在立柱頂部和底部采用螺栓進行立桿的定位。斜拉桿為螺絲拉桿，可以根據實際加固體系的部署情況進行長度設置。鋼管立柱采用Φ159×厚4.2 mm的 Q235鋼管，鋼管的底部和頂部具有方形托板，用于支撐混凝土結構部位，如圖2所示。

圖1 鋼管立柱體系示意圖

(a)卡箍 (b)立柱圖2 鋼管支撐實際圖

2 工程概況

某高層裝配式住宅工程總建筑面積為57 782 m2。其中，地上建筑的面積約為36 442 m2，地下建筑面積約21 340 m2，建筑占地面積約7570.85 m2。該裝配式建筑工程含有4棟的連體別墅和6棟復式高層住宅。項目總體預制率達30%以上。最重構件約5.9 t，預制構件運輸車滿載重量為46 t。本工程地下室部分頂板厚度250 mm，地下結構采用鋼筋混凝土框架結構。地下室頂板最大跨度為8 m。

為保證預制混凝土構件在工程項目場內安全運輸以及運輸順暢，根據工程項目現場布置特點，設置一條用于預制構件運輸的施工道路。在承載力相對較強的消防車道部位設置一條6 m寬、250 mm厚的C35混凝土施工道路。項目部在施工道路周邊設置進行預制構件材料堆場區域，為確保地庫頂板的受力荷載在設計允許荷載范圍內，對施工道路以及預制構件堆場所處的地下室頂板進行回頂加固。

3 施工工況分析

(1)預制構件運輸車后輪主要承受大部分構件重量。當運輸車后輪行駛到板構件跨中時是地下室頂板的最不利工況，此時鋼筋混凝土板所受的彎矩和荷載最大。預制構件運輸車滿載46 t，運輸車取常規運輸車尺寸(15 m×2.4 m)，計算時取運輸車2/3車身處于2條結構柱之間考慮，運輸車后車輪承受80%承載力，恰好作用在跨中。考慮運輸車在板跨中搬運和啟停的動力系數，按照最大1.3取。

(2)預制構件堆場時，采用預制墻體插放架進行預制構件的堆放。由于構件存放均勻，并且構件地下采用木板墊塊支撐，因此，在進行構件堆場施工工況分析時，架設地下室頂板受到均布荷載的作用。由于豎向板重量范圍在0.6～5.9 t，為便于現場操作，每跨堆架最多存放8塊豎向板，控制最大堆放荷載不超過22 t(即45.83 kN/m2)。

4 鋼管搭設方案

進行施工道路和預制構件堆場回頂，主要采用鋼管立柱，鋼管材料為Φ159×厚4.2 mm的Q235鋼管。根據地下室梁板單跨的大小以及結構受力特征，對施工道路和預制構件的堆場區域進行鋼管搭設，具體的搭設布局樣例如圖3～圖4所示。鋼管立柱縱距為4 m，橫距為1.8 m。

圖3 施工道路鋼管立柱搭設示意圖

圖4 構件堆場鋼管立柱搭設示意圖

5 加固體系承載力驗算

對工程搭設方案涉及的加固體系進行承載力驗算，采用公式驗算和有限元分析驗算。考慮在在最不利條件下，整體加固支持體系的承載能力和穩定性。

5.1 施工道路承載力驗算

根據結構的最不利工況進行驗算，如圖5所示，跨中所受荷載為46 t×80%×1.3=47.84 t=478.4 kN，車輪荷載作用面積為0.2 m×0.6 m。

樓面等效均布荷載取值按照《建筑結構荷載規范》(GB 50009-2012)附錄C的規定計算，施工道路頂板跨度為8.0 m×5.4 m。因此，受力樓板跨中彎矩為：

Mx=478.4 kN×8 m×0.230=880.26 kN·m

My=478.4 kN×5.4 m×0.137=353.82 kN·m

Mmax=880.26+353.82×1/6=939.23 kN·m

局部荷載的有效分布寬度，按荷載作用面長邊垂直板跨計算：

bcx=0.2 m，bcy=0.6 m，l=8.0 m

b=2bcy/3+0.73 l =6.24

每根鋼管承受荷載面積為1.8 m×4.0 m，單鋼管所受集中力N=27.87 kN/m2×1.8 m×4.0 m=200.66 kN。

長細比λ=lo/ix=3250/54.75=59.36≤[λ]=150

根據GB50017-2017《鋼結構設計規范》附錄C得：φ=0.887

σ=N/(φ×A)=200 660/(0.887×2042.5)

=110.76 N/mm2< [σ]=205 N/mm2

根據計算結果可知，立桿的穩定性符合規范要求。

根據Fl≤(0.7βkft+0.25σpc,m)ηumh0公式進行混凝土板抗沖切計算，結果為751.530 kN>N=104.184 kN。

故鋼筋混凝土板的抗沖切能力符合滿足要求。

圖5 運輸車車輪距圖

5.2 預制構件堆場承載力驗算

本工程PC豎向板重量范圍在0.6～5.9 t，為便于現場操作，每跨堆架最多存放8塊豎向板，控制最大堆放荷載不超過22 t(即45.83 kN/m(2)。根據5.1節相關公式進行計算，計算結果如表1所示。從表中可以看出，進行加固后的預制構件堆場區域承載力符合規范要求。

表1 預制構件堆場承載力計算

5.3 有限元分析驗算

根據圖3～圖4結構尺寸建立有限元分析模型，如圖6～圖7所示。混凝土結構采用C3D8R單元，鋼筋采用T2D3單元，支撐立柱采用B31單元。在進行有限元分析時，由于缺乏支撐立柱與地面以及樓板的相互轉角剛度，因此在進行有限元分析時，采用鉸接(Coupling)進行相互關系的設置，并限制對接點處的U1、U2和U3的自由度。進行施工道路運輸車計算時，根據車輪作用面積的大小做剛度墊塊進行位移加載，進行預制構件堆場荷載力驗算采用鋼筋混凝土面受到均布荷載作用模擬。

通過ABAQUS進行預制構件運輸車模型的有限元分析，在受力構件最大處的支撐立柱所受的荷載為150.33 kN，進行預制構件堆場承載力驗算分析，得到的立柱承載荷載為290.61 kN。從有限元的分析結果可知，通過本文建立的有限元分析模型具有一定的可信度。

預制構件運輸車承載力驗算分析結果如圖8(a)～(d)所示，塑性應變云圖如圖8(a)所示。從圖中可以看出，所有構件均未進入塑性應變，均處在彈性階段。圖8(b)為混凝土受拉應力云圖，從圖中可以看出，混凝土最大的拉應變為0.77 MPa，尚未進入混凝土的開裂應力，混凝土未開裂。圖8(c)為板的豎向位移，板的豎向位移為0.64 mm

(a) 塑性應變云圖 (b)混凝土受拉應力圖

(c)位移云圖 (d)立柱應力云圖圖8 預制運輸車有限元分析結果

構件堆場承載力驗算分析結果如圖9(a)～(d)所示，塑性應變云圖如圖9(a)所示，從圖中可以看出，所有構件均未進入塑性應變，均處在彈性階段。圖9(b)為混凝土受拉應力云圖，從圖中可以看出，混凝土最大的拉應變為1.94 MPa，尚未進入混凝土的開裂應力，混凝土未開裂。圖9(c)為板的豎向位移，板的豎向位移為2.86 mm

(a) 塑性應變云圖 (b)混凝土受拉應力圖

(c)位移云圖 (d)立柱應力云圖圖9 構件堆場有限元分析結果

從以上有限元分析結果可知，根據本文鋼管立柱的搭設方案，可以很好地對地下室頂板進行加固，混凝土頂板未受到施工荷載的破壞，各項承載力符合規范要求。

6 施工工藝流程

6.1 材料要求

在進行加固體系搭設之前，需要嚴格把控材料質量關，進行加固的鋼管立柱應具有產品質量合格證，在鋼管進場之前，應根據要求選樣復試，并委托相應資質的機構進行檢驗和出具質量檢查報告。進場檢驗時應檢查鋼管立柱表面是否平直光滑，不應有分層、裂縫、錯位、硬彎、結疤、毛刺、壓痕等缺陷。嚴格控制鋼管的壁厚，鋼管外徑與壁厚允許偏差小于0.3 mm，鋼管銹蝕及彎曲變形應符合相關的規定。

6.2 支撐搭設

鋼管立柱的支撐搭設主要施工流程為：進行測量放線→搭設支模架→鋪設模板→搭設鋼管立桿→固定鋼管。在進行測量放線時應嚴格按照設計要求進行測量放線，避免測量誤差引起搭設偏差，造成返工。在進行鋼管立桿搭設之前，需要對鋼管頂部的托板涂抹脫模劑。

每搭設完一跨排架后應按照構造要求進行校正，控制橫向和豎向的軸線誤差在±15 mm之內，立桿垂直度允許偏差小于15 mm。待地庫模板拆除完成后，支撐表面做警示涂料。

6.3 支撐拆除

現場施工完畢，并且地下室頂板回土完畢后，可以進行頂板加固體系的拆除，在拆除區域設置警戒標識。拆除之前，先對鋼管立柱進行臨時固定，將立桿上部與頂板接口處進行脫離，去除固定鋼管的臨時措施，然后拆除對應的支撐件和固定支架。拆除的鋼管立柱，應整體碼放并利用木頭墊高。

7 檢查和驗收

(1)檢查鋼管的產品質量合格證、質量檢驗報告等質量證明書。

(2)鋼管表面應平直光滑，不應有裂縫等缺陷。

(3)鋼管、型鋼、槽鋼使用前應對其壁厚進行抽檢，抽檢比例不低于30%。

(4)對支撐鋼管的位置進行驗收，應符合方案要求。

(5)有專人負責驗收。

8 質量控制要點

(1)搭設前，對所有搭設人員進行方案交底和安全技術交底，應熟悉排架搭設安全操作規程和施工方案，明確搭設要領和要求，掌握相應的搭設技術規程。

(2)鋼管立柱在入場之前，應嚴格按照規范要求進行原材料的入場驗收工作，并按照要求，形成驗收記錄，立桿嚴格4.2 mm壁厚驗收。

(3)為保證加固體系的整體穩定性，在進行加固安裝時應檢驗鋼管的垂直度滿足規范要求。

(4)鋼管卡箍應要要求設置牢固。螺栓旋緊扭矩應符合規范要求。

9 結論

在進行裝配式結構施工時，地下室頂板會受到構件運輸車和堆場構件的荷載作用。本文通過對某高層裝配式住宅地下室頂板加固的現場應用實踐和有限元進行分析梳理，得到結論如下：

(1)地下室頂板利用鋼管立柱加固方法，在高層裝配式項目中應用情況良好，鋼管立柱承載能力大，裝卸簡單，支撐體系安全可靠，拼裝簡單，具有很好的市場應用前景。

(2)采用鋼管立柱支撐比傳統腳手架，可以加大支撐間距，節約材料投入，縮短建設施工工期，具有良好的經濟效益和環境效益。

(3)本文建立的有限元分析方法，對現場實際具有良好的吻合性。利用本文的鋼管支撐方案，結構構件的承載力均滿足要求。