基于有限元分析的轉換層大截面混凝土梁施工方案比選優化研究

喬會丹，黃宏林，祖公博，陳磊，林宇靜，張銘

（中國建筑第二工程局有限公司華南分公司，廣東深圳 518000）

1 引言

近年來，人們對建筑功能的需求日益多元化，各種復雜結構不斷涌現，其中一些超高層和大型場館建筑為了滿足使用空間的需求，往往存在大截面的混凝土轉換梁結構，梁截面高度可達2～3 m，澆筑施工時支撐架施加到樓板上的附加荷載遠超設計工況。

這種常見的轉換層施工，工程技術人員和科研學者進行了很多應用探索[1-5]，施工技術相對成熟。但對于如何減少超重混凝土澆筑對下層結構影響的施工方法仍基于施工管理人員的經驗，缺乏一定的工況模擬、計算分析和施工方案的比選。本文以深圳市重要的場館類項目為依托，對大截面混凝土梁的施工方案進行了比選、優化及總結。

2 工程概況

深圳科技館（新館）項目，占地面積約6.6 萬m2，總建筑面積約13.45 萬m2，建筑高度約57 m，地下2 層，地上6 層，空間形體為非完整類橢球形態。項目地上2 層為轉換層，2 層以下為鋼筋混凝土框架剪力墻結構體系，3 層及以上為鋼筋混凝土核心筒+鋼框架混合結構體系。上下兩層不同的受力結構，設計通過在2～3 層間設置488 m 長、截面2 300 mm×1 500 mm的環帶型大截面混凝土梁作為力的轉換（見圖1）。轉換梁自重線荷載達86.25 kN/m（＞20 kN/m），支模高度（凈高）5.7 m（＞5 m），屬于超過一定規模的危險性較大的分項工程。如何保證施工荷載以最簡單的方式、最短的路徑通過模板支撐體系傳遞到豎向構件上，最終傳遞到基礎上是施工的關鍵。

圖1 轉換層大截面混凝土梁三維平面示意圖

3 施工方案比選

根據施工荷載傳遞方式和路徑的不同，大型混凝土澆筑支撐架體系的設計思路，歸納起來，可分為三大類，即荷載傳遞法、疊合梁法、型鋼自承重法。

第一類，荷載傳遞法，即梁下設置支撐體系，轉換層大梁一次澆筑成型，施工期間的荷載通過支撐體系傳遞到下部已施工結構上。根據荷載向下傳遞的樓層數又可分為荷載單層傳遞法、荷載多層傳遞法和荷載基礎傳遞法。

第二類，疊合梁法，即應用疊合梁的原理將轉換梁分為兩次或多次澆筑疊合成型的方法，其目的是為減少大梁一次成形時荷載過大帶來的支承困難，利用先形成的結構支承上部疊合層施工荷載。

第三類，型鋼自承重法，即在轉換層下層設置臨時鋼桁架或鋼梁，支撐轉換層大梁的模板，將施工期間的荷載傳遞到下層柱上，或者在轉換大梁中埋設型鋼或者鋼桁架，大梁模板可固定于型鋼或鋼桁架上，型鋼或鋼桁架既可作為永久承載構件使用，又可承受臨時施工荷載。

4 基于有限元分析的大截面轉換梁支模方案比選優化

以有限元分析方法為基礎，對大型混凝土澆筑支撐架對結構的影響進行定量分析，并對不同施工方案分別進行模擬，在保證安全的前提下，選擇經濟性最優的方案，為類似的工程項目提供參考借鑒

4.1 有限元模型建立

項目轉換梁位于2 層，截面為2.3 m×1.5 m，為使計算更具有代表性，1F 層和-1F 層的框架梁截面按照該區域最不利截面統一取為400 mm×800 mm，樓板厚度150 mm，梁板混凝土強度為C35，該項目的柱網為8.1 m×8.1 m，-1F 層結構柱直徑為1 200 mm，-2F 層結構柱直徑為1 400 mm，混凝土強度等級C55。支撐架采用盤扣架，立桿采用φ60.3 mm×3.2 mm，水平桿采用φ42 mm×2.5 mm，步距1.5 m，縱距1.5 m，梁底橫距0.6 m。

本研究基于有限元分析軟件Midas Gen，選取了本項目的典型區域進行建模，梁模板僅建立了底板，側板自重、混凝土梁自重以及施工振搗荷載作為豎向荷載施加于模板底板之上。首先對僅一層支撐架體的工況進行分析（簡稱方案一）。

邊界條件設置：結構柱底部旋轉參數RX=RY=RZ=0，平移參數DX=DY=DZ=0，支撐架底部放置墊板考慮摩擦力作用取DX=DY=DZ=0。混凝土重量25 kN/m2，模板及小梁0.3 kN/m2，振搗荷載3 kN/m2。

4.2 單層支模分析結果及結構驗算復核

有限元計算結果如圖2 所示，圖2a 中可以看到模架支撐在1F 層樓板，造成該層最大的變形位于架體下方主梁的跨中，最大撓度為3.7 mm，小于撓度限值l0/300。

圖2 方案一有限元分析結果

內力分析方面，分別計算了架體下方框架梁彎矩（見圖2b）、樓層板彎矩（見圖2c）及剪力（見圖2d）。支撐架體的強度和穩定性計算相對比較常規，本項目選用架體已通過驗算，篇幅所限計算過程省略。

4.2.1 梁的正截面受彎驗算

框架梁端部配筋為直徑25 的HRB400 鋼筋（面筋6/ 底筋2），跨中配筋直徑25 mm 的HRB400 鋼筋（面筋2/ 底筋6），結構梁的正截面受彎驗算，以及本文其他受力驗算均根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》（2015 版）進行計算。

如圖2b 所示，梁的最大正彎矩為433 kN·m，最大負彎矩685 kN·m，均小于彎矩設計值765 kN·m。

4.2.2 板的受沖切承載力

驗算時樓板的有效截面高度取125 mm，受沖切承載力需考慮荷載作用區域的周長，立桿下端墊板尺寸為100 mm×100 mm，根據計算結果，立桿的最大軸向力為25.8 kN，小于板的受沖切承載力設計值61.82 kN。

4.2.3 板的受剪承載力驗算

由圖2d 可見，樓板的最大每單位長度剪切內力為34 kN，小于設計受剪承載力137.38 kN。

4.2.4 板的正截面受彎驗算

板的配筋按φ8 mm@150 mm 的HRB400 鋼筋考慮,經計算單位寬度上的設計彎矩為14.60 kN·m。根據有限元分析結果圖2c，樓板沿架體底板框架梁有一條明顯的負彎矩極值帶，框架梁兩端立桿向下集中力導致了樓板在框架梁頂有明顯向上隆起的趨勢，造成了最大的負彎矩發生在框架梁被次梁分割后的跨中靠近框架柱一側，以及框架柱柱頂位置，兩者絕對值較為接近，最大的負彎矩為19.40 kN·m，大于設計設計值14.60 kN·m，板的正截面受彎驗算不通過。

由以上驗算分析可知，除了對下部樓層結構進行常規的受沖切承載力驗算以外，梁和板的正截面受彎驗算也是必須要考慮和復核的，以避免計算遺漏對下部結構造成不可逆的裂縫和變形。

4.3 支模方案優化比選

由于樓板所受彎矩超出設計彎矩30%以上，并且轉換梁沿結構外圍形成閉合曲線，如果通過結構加強，樓板厚度需要增加至200～250 mm，或者增加大量的預埋加勁鋼，這樣的處理是十分不經濟的。而轉換梁所在樓層不高，優先考慮荷載傳遞方式支模。本文對不同層數的支模架傳遞方案進行模擬。方案二為保留-1F 層支撐架體，方案三為保留-1F 和-2F 兩層的支撐架體，荷載直接傳遞至底板。

框架梁的豎直平面內的彎矩如圖3 所示，方案二和方案三與方案一在1F 層的規律一致，絕對值最大的彎矩均為負彎矩且均發生在框架柱端部，兩種方案在-1F 層的最大負彎矩也發生在框架柱端部，由于部分豎直方向荷載被下層架體分擔傳遞至下層框架或者底板，梁內彎矩大幅度減小，方案二的最大負彎矩相比于方案一減小26%，方案三比方案一減小44%。

圖3 框架梁彎矩有限元分析結果（單位：kN·m）

方案二和方案三的樓板內彎矩如圖4 所示。按照方案二的支撐體系，1F 層樓板的內力由于下層架體的存在從19 kN·m減小至14 kN·m，減少了26%，但是-1F 層樓板由于該層架體的作用，樓板內單位長度彎矩達到了13 kN·m，可以看出由于樓板相對支撐架體剛度較小，荷載向下傳遞的趨勢要遠大于水平傳遞至框架柱的趨勢，上下兩層樓板發生協同變形，以幾乎相同的應變將內力傳遞至框架柱。而當按照方案三，底層架體直接落在剛度足夠大的底板上時，上部荷載可以通過架體直接以豎向軸力的形式傳遞至底板，避免了樓板發生過大變形，板內彎矩隨之減小，-1F 層樓板彎矩最大值為11.3 kN·m，方案三相比于方案一減少40%，-2F 層彎矩相比于方案二減小53%，但是由于混凝土框架柱剛度更大，樓板仍需要承擔部分荷載傳遞至框架柱。

圖4 單位長度框架梁彎矩有限元分析結果（單位：kN·m/m）

方案二的樓板最大彎矩14.0 kN/m，小于樓板的正截面設計彎矩為14.90 kN/m，但是由于二者較為接近，安全余量很小，本項目采用了方案三的設計，支撐架一次到底，整體變形如圖5 所示，樓板最大的變形發生在-1F 層跨中部位，最大變形2.2 mm，小于撓度限制，各項梁板驗算均小于設計值，該方案可行。

圖5 方案三整體變形分析結果（單位：mm）

5 結語

本文采用的荷載基礎傳遞施工方法，能將轉換層大梁的施工荷載由支撐體系一層一層地傳遞給基礎，是傳力途徑最直接的方法。雖然支撐體系材料用量有一定程度增加，但是相對于采用其他的施工方法，其支撐體系具有施工荷載傳力途徑明確，施工簡單，有利于控制施工質量等優點，特別是轉換大梁一次澆筑成型，結構構件的可靠性好，是值得推廣的一種做法。本文以有限元分析方法為基礎，對大型混凝土澆筑對結構影響進行定量分析，選擇經濟技術性最優方案的方法，可為類似的工程項目提供參考借鑒。