裝配箱混凝土空心樓蓋施工技術及有限元分析

陳莎丹

（浙江省東陽市南方建筑工程有限公司，浙江 東陽 322100）

目前建筑行業解決大跨度混凝土建筑剛度不足、結構開裂問題的常用方法有三種，其一是施加預應力使樓蓋產生反向內力，達到抵消彎沉、防止開裂的效果，但是增加了工程量；其二是使用由高強度輕質材料組成截面形式的樓蓋，在減輕自重的同時又能提高剛度，但是成本較高；其三是將上述兩種技術的優勢相結合，其中應用效果較好的是裝配箱混凝土空心樓蓋。當然，要想真正發揮裝配箱混凝土空心樓蓋的應用效果，必須要落實精細化的施工管理。在工程設計環節，借助于特定的軟件開展有限元分析，對施工參數進行優化，完善設計方案；在工程施工環節，從模板工程、鋼筋工程以及混凝土工程等各處細節上加強技術控制，保證工程高質量建設完成。

1 工程概況

某博物館總建筑面積47 056.1 m2，總高度24.8 m，共6 層。其中負1 層為地下室，地上5 層。該建筑主體部分為鋼筋混凝土框架結構，耐火等級II 級，抗震設防烈度8 級。根據功能不同，分為大廳、展覽區、辦公區、休息區四部分。其中，大廳與展覽區上方屋蓋統一采用裝配箱混凝土空心樓蓋體系。前者跨度為35.5 m×7.2 m，后者跨度為43.3 m×10.5 m。受力鋼筋選擇HRB400，混凝土強度等級為C40，預制裝配箱的頂板與底板上，均布置φ4 mm 雙向冷拔鋼絲網。裝配箱混凝土空心樓蓋主要由3 部分組成，分別是裝配箱、鋼筋骨架、密肋空腔樓蓋。

2 裝配箱混凝土空心樓蓋的施工技術

2.1 施工準備

組成預制裝配箱的所有構件都必須執行嚴格的進場檢驗。檢驗人員除了要核對構件的數量、類型、規格外，還要檢查產品有無生銹、裂縫等質量問題，對于存在瑕疵的不得使用。裝配箱構件入場后，使用起重機完成吊裝。為保證吊裝作業的穩定性和安全性，需要提前在地面上放置兩條直徑為60 mm 的鋼管，將2條鋼管分別置于裝配箱構件的左右兩側、距離邊緣100 mm 的位置[1]。然后使用鋼絲繩分別連接鋼管，最后啟動起重機將裝配箱構件緩緩吊起。整個吊裝裝置見圖1。

2.2 施工流程

完成現場施工準備工作后，開始鋪設底板模板，并依次完成模板檢查、布設裝配箱位置線、粘貼密封膠條等一系列工作，整個施工流程見圖2。

2.2.1 布設模板，標記裝配箱位置線

本次工程中經過計算確定起拱高度為總跨度的1/500。底板模板鋪設完畢后，進行質量驗收。確保模板對齊，接縫處無明顯裂縫，在通過驗收的底模板上彈出肋梁邊線，作為下一步放置裝配箱時的參考。彈線作業前，施工人員還需要重新核對軸線尺寸，經檢查不存在問題后再進行彈線。使用記號筆在裝配箱暗箱所在位置劃線，提高箱體放置精度。

2.2.2 粘貼密封膠條，涂刷脫模劑

本次施工中，選擇已經彈出的肋梁邊線作為參照物，垂直該線向內移動25 mm，粘貼海綿雙面膠條[2]。海綿膠條填塞完成后，檢查底模板與箱體底板固定是否牢固，經檢查確定符合施工要求后，在底模板與箱體底板上分別涂刷脫模劑。涂刷前注意清潔模板、底板表面的雜物，保證干凈后再使用毛刷蘸取適量的脫模劑，按照相同的方向涂刷。注意防止出現脫模劑流掛的現象，每個作業面均勻涂刷2 次，然后進行下一步驟的施工。

2.2.3 安裝箱體底板，綁扎鋼筋

由于裝配箱的底板和頂板受力情況不同，因此的箱體配筋布置也有所差異。現場布設鋼筋時必須要根據圖紙，分別綁扎頂、底板的鋼筋，見圖3。

現場施工按照先綁扎鋼筋、后放置板體的順序，要求所有板必須對準已經畫好的標記線。吊裝的裝配箱構件在下放時，在塔吊操作人員和現場施工人員的溝通、配合下勻速、準確放置。底部的外邊緣需要與肋梁邊緣線完全重合。裝配箱就位前，施工人員再次檢查密封膠條是否牢固，以及有無破壞情況。

裝配箱的底板、底板外伸筋與肋梁之間通常選擇綁扎方式固定。對于外伸到肋梁底筋下方的底板鋼筋，必須要采取向內折彎處理，并且折彎半徑需要嚴格設計要求，避免彎曲度過大而導致肋梁主筋移位。為保證裝配箱混凝土構件的性能達標，需要在肋梁主筋、箍筋安裝時，設置一定厚度的保護層。其中，垂直方向上的保護層厚度較大，為25 mm；側向保護層的厚度偏小，為10 mm[3]。在肋梁鋼筋安裝作業中，要求將底板預留錨固鋼筋與肋梁主筋牢牢固定，兩者的構造見圖4。

2.2.4 放置側壁，澆筑混凝土

本次工程中使用的裝配箱側壁為玻鎂板，其主要成分為高純氧化鎂、優質氯化鎂、抗堿玻纖布等，在實際應用中表現出良好耐火性、耐腐蝕性。工程中使用的玻鎂板主要有2 種型號，即2 440 mm×1 820 mm×12 mm 和1 820×900 mm×6 mm。其主要性能參數見表1。

表1 玻鎂板的性能參數

側壁安裝結束后，根據裝配箱的施工圖紙，繼續進行頂板安裝。現場施工人員注意檢查頂板預留鋼筋是否平直，然后使用工具將預留鋼筋做成向下的彎鉤，并與肋梁主筋連接、固定。整個裝配箱的樓蓋施工順序見圖5。

2.2.5 混凝土的養護與模板的拆除

根據設計好的配合比現場制備混凝土，混凝土經檢查無質量問題后開始澆筑作業。按照垂直于主龍骨的方向有序澆筑，肋梁位置處的混凝土在澆筑厚度達到50 cm 后，立即使用插入式振搗器予以振搗。振搗作業中注意必要觸碰到裝配箱的底板與側壁。為避免混凝土水分過快蒸發出現干縮裂縫，應當在澆筑至標高后使用塑料薄膜進行覆蓋。然后進行不少于28 d的養護，養護期結束后檢查混凝土性能，等到實測強度達到設計強度的95%以上后即可拆除模板[4]。模板的拆除作業必須遵循“先支后拆、后支先拆，先拆不承重、后拆承重”的原則，保證混凝土結構的穩定性。

3 裝配箱混凝土空心樓蓋的有限元分析

3.1 基于ANSYS 軟件的模型構建

本次工程選擇土木行業常用的有限元分析軟件ANSYS 進行模型構建并展開分析。其中，構建模型主要分為3 步：

第一步是定義單元類型。選擇ANSYS 軟件中的Solid70 單元，該單元適用于巖石、混凝土等抗壓能力遠大于抗拉能力的材料開發，根據設計需要能夠模擬混凝土自身以及混凝土內部鋼筋的拉裂、壓潰情況。從Solid70 單元中選擇整體式配筋模型，在該模型中鋼筋被均勻分布到整個單元中，因此可以將單元看做成連續的、均勻的材料。在此基礎上選擇以下公式表示該單元的剛度矩陣[K]：

上式中，[B]和[D]分別表示混凝土與鋼筋對單元剛度的貢獻。考慮到鋼筋在等效分布下，其彈性模量（E）會根據應力狀態的改變而改變，因此上式中[D]可以通過下式求得：

上式中ρx、ρy、ρz分別表示鋼筋在x、y、z 方向上的配筋率。

第二步是定義材料參數。根據施工設計方案輸入材料參數，例如長跨、短跨的數值，樓蓋結構的高度，以及裝配箱尺寸、肋梁的截面尺寸等。

第三步在前兩步的基礎上構建模型。可選擇的模型構建方法有映射網格劃分法、自由網格劃分法。

本文選擇后一種，可適用于一些結構比較復雜的模型，保證網格劃分滿足拓撲關系，提高模型精度。劃分網格后，還要賦予各單元的屬性，并設置邊界條件以及施加荷載。

3.2 模型的有限元分析

在模型上施加一個4 kN/m2的均布面荷載，模擬裝配箱混凝土空心樓蓋在正常使用狀態下的受力情況。可以發現該模型各處部位在垂直方向上發生位移。其中，最大位移出現在跨中位置，位移量20.3 mm；最小位移出現在柱位置，位移量-2.6 mm。參考《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010），樓蓋等受彎構件實際跨度＞9 m 時，其垂直方向的位移極限不得超過L/300。本次工程中最大跨度78.8 m，所以該模型在垂直方向上允許的最大位移為78.8/300=0.263 m，即26.3 mm，而模擬分析中最大位移量為20.3 mm＜26.3 mm，故該裝配箱混凝土空心樓蓋在正常使用狀態下的垂直位移符合規定中的安全要求[5]。

4 結論

現代大跨度建筑中使用裝配箱混凝土空心樓蓋，具有減輕結構自重、保證結構穩定、提高施工效率等一系列優點，因此得到了廣泛使用。在正式施工前，應使用ANSYS 軟件構建裝配箱混凝土空心樓蓋的三維模型并展開受力分析，根據分析結果優化結構和參數，在此基礎上完善施工方案。在實際施工中，還應強化質量控制，圍繞整個施工流程，對其中的裝配箱底板與頂板安裝、混凝土澆筑與養護等關鍵工序，加強技術管控，才能確保裝配箱混凝土空心樓蓋的高質量施工完成。