貝雷梁下新型裝配式牛腿設計及施工力學性能分析

屈如意，肖 斌，朱彥飛, 羅童慶, 黃 鶯, 陳昌宏

(1.陜西建工第六建設集團有限公司,陜西 咸陽 712000;2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065;3.西安建筑科技大學土木工程學院,西安 710055;4.西北工業大學力學與土木建筑學院,西安 710072)

0 前 言

隨著城市建設不斷發展，出現大量具有復雜結構形式的建筑物，但是也給施工帶來了難題。當高層建筑高空連廊現場澆筑施工作業時，由于懸挑跨度較大無法通過搭設懸挑型鋼平臺進行支模，采用傳統落地式滿堂支撐架方式耗時費力，且搭設高度過高，無法確保施工安全性。越來越多的工程采用貝雷梁作為剛性轉化平臺，在剛性轉化平臺上部搭設模板支架，完成上部結構的現場澆筑[1]，如圖 1所示。其中圖 2所示的貝雷梁桁架單元是由立桿、上下弦桿以及腹桿組成的桁架體系結構，作為在現澆支架、施工便橋以及公路、橋梁建設中廣泛應用的臨時結構形式。貝雷梁支撐體系主要由貝雷架、支撐架、加強弦桿、工字鋼、鋼立柱等組成。

圖1 貝雷梁

圖2 貝雷梁桁架單元

有關學者做了相關研究，陳業偉等人[2]針對廈門市某大型綜合體工程中庭區域大跨度超高梁板高大模板施工，提出利用貝雷架作為平臺搭設扣件式鋼管腳手架支撐的施工方法，并與傳統搭設超高扣件式鋼管腳手架方法進行對比，分析其支撐體系的方案設計、施工工藝與安全質量控制要點。董開發等人[1]根據有限元分析、堆載試驗及施工階段現場的實時監測，對某項目的貝雷架高空支模平臺進行了受力性能研究及分析。齊曉成[3]以實際工程為例，探討了貝雷架在現澆梁模板支撐體系中的應用。以上分析針對貝雷梁進行了分析，但針對支撐體系中的支座部分，缺少定量性分析與評估。針對高空大跨度混凝土連廊施工，齊從月等人[4]為提高整個平臺支撐體系的安全性和穩定性，設計了預埋鋼牛腿板，并利用Midas有限元軟件對支撐體系進行模擬。左明[5]以某高速公路互通立交項目施工為背景，采用牛腿貝雷梁支架法現澆箱梁的施工技術，該技術通過在墩柱預埋牛腿的方式降低滿堂支架搭設高度，有效解決了傳統作業中支架高寬比不滿足規范要求、地基處理、支架搭設及拆除需花費較多人工、機械，尤其會造成施工工期延長，增加施工風險的問題。

綜上所述，目前帶有大跨度高空連廊的建筑物逐漸增多，而貝雷梁結合牛腿支座的支撐體系有效解決傳統支撐體系的復雜性與不確定性。本文設計了一種新型貝雷梁的裝配式牛腿，通過ANSYS有限元及現場監測分析并計算分析了其受力特性及可靠性，實現了裝配化，以期達到高效、經濟的目的,為高空大跨度多層型鋼混凝土連體結構的新型支撐結構設計提供分析依據。

1 工程概況

陜西燃氣產業研發與孵化基地(見圖 3)項目位于西安市未央區鳳城八路與民經一路十字西北角，由A、B、C 3座高層辦公樓組成(見圖4)，辦公樓AB座(主體地上19層，地下3層，框架剪力墻結構)，辦公樓C座(主體地上19層，地下3層，框架剪力墻結構)，地下車庫(主體地下3層，框架結構)；總建筑面積約117 120 m2，地上建筑面積81 100 m2，地下建筑面積36 020 m2。AB座為鋼筋混凝土連體結構，AB座建筑高度為79.85 m，主樓部分結構為型鋼混凝土柱、梁組成鋼骨架；連體部位為型鋼混凝土主梁與鋼筋混凝土連梁連接形成整體，連體結構跨度21 m。本工程貝雷架組合支模體系采用牛腿、組合鋼箱梁及貝雷梁搭設平臺，作為大跨度高空鋼-混凝土連廊模板支撐體系的底座，降低了腳手架支撐高度，如圖6所示。通過減少模板支撐體系高度，降低支撐鋼管用量，優化施工工藝，降低施工作業難度，保證施工作業安全，提高整體經濟效益。陜西燃氣產業研發與孵化基地辦公樓立面如圖 5所示。

圖3 A、B、C三座高層辦公樓全景

圖4 連體結構

圖5 建筑立面

圖6 牛腿貝雷梁支撐體系

2 裝配式牛腿設計

2.1 設計參數

如圖7所示裝配式牛腿模型，矩形孔為抗剪鍵孔，圓形孔為高強螺栓孔，其中抗剪鍵大小為75 mm×30 mm(高×寬)，10.9級高強螺栓直徑為24mm，預緊力P=225 kN。牛腿端板尺寸1350 mm×750 mm×25 mm(長×寬×厚)，牛腿頂、底水平板厚度均為25 mm，牛腿豎向支撐板厚度30 mm，牛腿外伸長度為900 mm。預埋板(厚度25 mm)與立柱的連接通過兩種方式共同作用，如圖8所示，抗剪鍵與立柱型鋼焊接；帶彎鉤直鋼筋預埋于立柱混凝土中。預埋板安裝完成后如圖9所示。其中，抗剪鍵具有預埋板與立柱型鋼連接及抵抗豎向剪力雙重作用。構件材質采用Q355B，彈性模量E=2.06×105MPa，屈服強度fy=355 MPa，設計強度f=305 MPa。

圖7 裝配式牛腿

圖8 預埋板與立柱連接

圖9 預埋板安裝現場

2.2 牛腿安裝

本文中的支撐牛腿采用裝配式鋼牛腿(見圖 7)，牛腿構件較重，施工人員操作高空吊籃至指定高度，塔吊吊裝鋼牛腿下落至安裝位置，施工人員將裝配式鋼牛腿與柱預埋鋼板上的螺桿用高強螺母連接，擰緊螺母并使用扭矩扳手測量扭矩值至規范扭矩值以上方可拆除吊裝鋼絲繩，裝配式牛腿裝配效果如圖10所示。

圖10 裝配式牛腿現場

2.3 牛腿支座反力

本文基于SAP2000有限元軟件建立貝雷梁整體模型(見圖 11)，貝雷梁局部應力分布如圖 12所示，工字鋼箱形橫梁模型及應力分布如圖 13所示。根據計算確定支座反力，支座反力如表1所示，其中，F1、F2和F3分別為支座X、Y、Z3個方向的反力，最大支座反力F3=2 205.52 kN。

表1 牛腿支座反力

圖11 貝雷梁整體模型

圖12 貝雷梁局部應力分布

圖13 橫梁應力分布

2.4 有限元分析

基于ANSYS軟件簡化分析牛腿應力分布規律。采用10節點四面體的SOLID187實體單元(見圖 14)，裝配式牛腿網格劃分如圖 15所示，最大網格20 mm，最小網格2 mm。將本文2.3節所計算的支座反力F=2205.52 kN施加于牛腿頂板，荷載面寬度為箱梁寬度，如圖 16所示。計算所得牛腿部分的Mises應力如圖 17所示，牛腿背板Mises應力分布如圖 18所示(σmax= 402.5 MPa)。其中牛腿頂板及底板應力分布分別如圖 19和圖 20所示，最大應力分別為σmax= 196.2 MPa和σmax= 142.5 MPa。牛腿支撐板最大應力為σmax= 96.9 MPa。如圖 22所示，牛腿的最大豎向變形Uy=0.38 mm，且根據應力分布結果可知，牛腿背板的應力位于牛腿頂、底位置，考慮到有限元建模的局限性，由此新型裝配式牛腿符合設計要求。但抗剪鍵與牛腿背板接觸附近的板件應力大于螺栓孔附近應力，應引起重視，后續設計中可采用局部補強的方案，或盡量增加牛腿支撐板與開孔邊緣的距離。

圖14 SOLID187實體單元

圖15 牛腿網格劃分

圖16 荷載施加

圖17 牛腿部分Mises應力分布

圖18 牛腿背板Mises應力分布

圖19 牛腿頂板Mises應力分布

圖20 牛腿底板Mises應力分布

圖21 牛腿支撐板Mises應力分布

圖22 牛腿豎向變形(Uy=0.38mm)

3 螺栓及焊縫校核

3.1 錨固配筋計算及強度校核

牛腿背板與預埋板采用10.9級M24高強螺栓連接，荷載選用最大荷載V= -2205.517 kN，偏心距e= 0.35 m(V= 2205.517 kN；M= 2205.5×(0.1+0.25)=753.5 kN.m)。

錨筋的錨固長度la計算如下：

(1)

公式(1)中：α為錨固鋼筋的外形系數，取0.14；fy為普通鋼筋的抗拉強度設計值，取360 MPa；d為錨固鋼筋的直徑，取值25 mm；ξa為錨固長度修正系數，取1.0。

若采用末端錨板(塞焊)，錨固長度計算如下：

la=ξalab=0.6×736.8=443 mm

(2)

(3)

公式(3)中：αr為錨固鋼筋層數的影響系數，取0.7；αv為錨固受剪承載力系數，取0.461：αb為錨固彎曲變形折減系數；z取值1200 mm。

配筋面積As計算如下：

(4)

其中

根據公式(3)和公式(4)計算可得錨固配筋面積As0=23348 mm2，本文所設計裝配式牛腿的預埋板實配12根直鋼筋和10根剪切鍵As=0.25×3.14×252×12+75×30×10=28387.5 mm2>As0=23348 mm2。

3.2 高強螺栓計算

高強螺栓單個螺栓最大拉力如下：

(5)

抗剪件承載力計算：[Nv]=10×75×30×170/1000=3825 kN > 2205.52 kN

端板承壓計算：[Nc]=10×25×30×400/1000=3000 kN > 2205.517 kN。

3.3 牛腿焊縫校核

牛腿頂板、底板、支撐板、背板采用E5016焊條，45°“V”型坡口焊接，計算按照hf=8 mm，荷載選用最大荷載V=-2205.5 kN，偏心距e=0.35 m。焊縫如圖23、24所示。

圖23 焊縫形狀

圖24 焊縫組合截面屬性

依據GB 50017-2017《鋼結構設計標準》[7]的第11.2條，本文中增大系數βf保守取值βf=1.0，根據如下計算可知，焊縫滿足強度。

(6)

公式(6)中：σf為按焊縫有效截面計算，垂直于焊縫長度方向的應力,MPa；We為焊縫組合截面按焊縫有效截面計算的截面模量，取值12 068 222 mm3。

(7)

公式(7)中：τf為沿焊縫長度方向的剪應力,MPa；he為對接焊縫的計算厚度，取值5.6 mm；lw焊縫長度，取值944.4 mm。

(8)

4 結 論

本文開發了一種貝雷梁下的新型裝配式牛腿支撐結構，并基于ANSYS軟件定量定性校驗了牛腿節點的可靠性，形成結論如下：

(1)通過現場施工及計算分析，采用抗剪鍵與高強螺栓組合的方式實現貝雷梁下牛腿的裝配化具有較強可行性，所開發結構方案具有安全、高效的特點。

(2)裝配式牛腿的頂板、底板、支撐板應力約為背板的50%，背板應力分布相對復雜。本文中所提裝配式牛腿豎向整體變形較小，滿足可靠性的要求。

(3)抗剪鍵與牛腿背板接觸附近的板件易出現應力集中，應力值大于螺栓孔附近應力，實際工程設計中應予以重視，可采用局部補強的方案，或盡量增加牛腿支撐板與開孔邊緣的距離。