裝配式弦支混凝土組合樓蓋施工過程力學性能試驗研究

張國泰, 陳宗學, 喬文濤, 孟麗軍, 趙華國

(1.石家莊鐵道大學 土木工程學院,河北 石家莊 050043;2.河北建設集團股份有限公司 鋼結構工程分公司, 河北 保定 071051)

0 引言

近年來,體育場館、會展中心、大劇院等大型公共建筑不斷興建,為了滿足結構內部大空間的需求,需要采用大跨度樓蓋結構。肋梁樓蓋、井式樓蓋、密肋樓蓋等傳統樓蓋形式已經無法滿足大跨度空間使用要求,一些新型的大跨度樓蓋結構形式被提出。

陳志華等[1]提出弦支混凝土集成屋蓋結構并研究了其基本力學特性;喬文濤等[2]分析了影響弦支混凝土集成屋蓋力學特性的主要因素;李洋[3]詳細描述了弦支混凝土集成樓蓋構造并通過試驗及有限元模型進行靜力學特性分析;鄧擁哲[4]對弦支混凝土集成樓蓋施工過程力學性能進行研究;QIAO et al[5-8]對弦支混凝土集成樓蓋進行了靜力學特性、動力學特性以及施工階段力學特性的理論與試驗研究。以上研究表明,弦支混凝土集成樓蓋充分發揮材料自身性能且受力合理,但仍存在樓板自重較大、施工裝配化程度低等缺點。針對弦支混凝土集成樓蓋的缺點,張海影[9]提出一種新型裝配式弦支組合樓蓋結構。以裝配式弦支混凝土組合樓蓋為研究對象,通過采用分級張拉方法研究組合樓蓋施工階段力學性能,觀察組合結構在張拉試驗過程中撐桿的豎向位移變化、板間連接件及肋梁應力變化,同時試驗結果驗證了所采用有限元分析方法的可靠性。

1 試驗概況

1.1 試件制作

試驗共制作了16塊四周帶肋梁的鋼筋桁架疊合板,疊合板的尺寸大小及板內鋼筋布置均相同。疊合板四周肋梁截面尺寸為50 mm×180 mm,上部鋼筋桁架板厚度為20 mm,肋梁縱筋采用直徑6 mm的光圓鋼筋,肋梁箍筋及板內鋼筋采用直徑3 mm的鐵絲。將4個綁扎好的肋梁鋼筋骨架通過鋼筋末端90°彎鉤互相綁扎到一起,形成一個封閉的矩形鋼筋骨架,頂部板采用雙層雙向配筋。將矩形鋼筋骨架以及板鋼筋桁架放置到模板中,肋梁中的鋼筋和頂部鋼筋桁架疊合板中的鋼筋連接成鋼筋籠,將預埋螺栓的PVC管一同綁扎到鋼筋骨架上,疊合板的鋼筋桁架的上部鋼筋裸露、下部鋼筋與四周肋梁由混凝土澆筑為一體,制作完成四周帶肋梁的鋼筋桁架疊合板,其構造如圖1所示。

圖1 帶肋梁的鋼筋桁架疊合板圖(單位:mm)

試驗制作了2根400 mm撐桿和1根600 mm撐桿,撐桿截面采用直徑為42 mm、壁厚4 mm的圓環截面,撐桿結構形狀如圖2所示。一根長10 m直徑為30 mm的鋼絲繩,鋼絲繩采用6×37M+FC規格,采用若干截面88 mm×100 mm、厚度為4 mm的鋼板以及若干截面65 mm×120 mm、厚度為6 mm的帶預埋螺栓孔的鋼板。

圖2 撐桿結構圖(單位:mm)

1.2 材性試驗

試驗中疊合板采用的混凝土為人工攪拌混凝土,設計強度等級為C30,在制作疊合板澆筑混凝土的同時,制作3個150 mm×150 mm×150 mm立方體試塊,并與試件同條件養護,經過試塊加載試驗得出,混凝土試塊平均抗壓強度為35.2 MPa。鋼絲繩采用公稱直徑為1.38 mm的鋼絲,公稱抗拉強度為1 770 MPa,試驗測得抗拉強度最大值為1 966 MPa,最小值為1 832 MPa。肋梁縱向鋼筋采用HPB300光圓鋼筋,鋼板及鋼管撐桿采用Q355B鋼材,鋼材的材性試驗結果見表1。

表1 鋼材力學性能表 MPa

1.3 試驗張拉方案

將結構組裝完成后,結構固定端一側將連接件焊接在支座上,結構滑移端一側將連接件放置在支座上,通過螺栓來約束連接件沿寬度方向移動,使得螺栓僅能沿跨度方向發生位移。在結構固定端通過花籃螺栓給拉索施加拉力,拉索受到拉力后對中間撐桿起到彈性支撐作用,上部結構在撐桿的支撐作用下向上起拱變形,在施工階段需要嚴格控制最大豎向位移不超過結構跨度的1/600。采用靜力平衡法在Midas/gen中計算達到最大豎向位移時,需要給拉索施加的初始預應力,采用分級張拉法,對結構進行4次張拉,張拉比例依次為65%、80%、90%、100%,對應的拉力大小為53.95、66.4、74.7、83 kN。

1.4 測點布置

試驗中測量了試件應變以及撐桿豎向位移,測點S1～S8將應變片布置在混凝土肋梁底面,測得混凝土肋梁應變,測點S9～S22將應變片布置在H型短鋼鋼板側表面,測得鋼板應變,應變片測點布置方案如圖3所示。在撐桿與方鋼板連接位置,將3個位移計H-1、H-2和H-3放置在方鋼板底部,測得撐桿豎向位移,位移計布置如圖4所示。

圖3 測點布置圖

圖4 位移計布置圖

2 試驗過程及結果

2.1 試驗過程

將已經綁好的鋼筋骨架放置到模板中并澆筑混凝土制作疊合板,待混凝土養護完成后拆除模板,在肋梁側面將板間連接件翼緣鋼板通過螺栓固定在肋梁上,然后將單塊疊合板吊裝到已經安裝好的腳手架上,將板間連接件腹板焊接到翼緣兩側,在疊合板肋梁底部安裝方鋼板,將撐桿、拉索和花籃螺栓連接完成,將組合結構固定端連接件焊接到鋼梁一端,滑移端連接件通過螺栓固定到鋼梁另一端,連接件上預留出螺栓可以沿跨度方向滑移的孔洞,組合結構安裝完成。

根據靜力平衡法求解張拉過程所需要施加的預應力大小,組合結構按照已經制定好的張拉方案進行4次張拉。通過擰緊花籃螺栓對組合結構拉索施加預應力,在擰花籃螺栓過程中拉索不斷伸長,拉力值不斷增大,隨著拉索拉力值增大,拉索將力作用到撐桿上,上層樓板在撐桿的頂升作用下向上起拱變形,疊合板逐漸脫離腳手架,張拉示意圖如圖5所示。

圖5 張拉示意圖

2.2 試驗結果

當跨中位置達到最大豎向位移時,停止張拉花籃螺栓,此時除了最外側與支座相連的疊合板未脫離腳手架,其余疊合板全部與腳手架分離,相鄰疊合板之間通過H型短鋼腹板相連,在張拉過程中承受了較大應力,但未發生明顯變形;隨著樓板向上起拱變形,滑移端沿跨度方向向固定端橫向位移,但位移量較小;由于采用花籃螺栓單側張拉,張拉過程中撐桿向張拉側傾斜。

3 有限元分析

3.1 模型建立

圖6 有限元模型圖

采用軟件Midas/gen來建立裝配式弦支混凝土組合結構的計算模型,并對其進行數值分析。疊合板采用的是四周帶肋梁的鋼筋桁架疊合板,故上部疊合板采用厚板單元,四周的肋梁則采用3D線性梁單元。板間連接件也采用3D線性梁單元,肋梁與連接件采用剛性連接。撐桿采用3D線性梁單元,且因撐桿上端鋼板通過銷軸連接,故采用釋放梁端約束的方式釋放撐桿上端的沿跨度方向的約束,使撐桿可以沿跨度方向轉動。拉索則采用只受拉單元來模擬。拉索中的初始預應力可以以初拉力的方式施加到索單元上,通過修改初拉力的數值,模擬分級張拉對拉索施加初始預應力的大小。對組合結構設置邊界條件,結構的固定端采用三向鉸接,滑移端為兩向鉸接(釋放沿跨度方向的水平約束)。有限元模型如圖6所示。

3.2 有限元結果與試驗結果對比分析

3.2.1 豎向位移對比

圖7 撐桿豎向位移圖

在有限元模型中,給拉索施加初應力,對結構進行分級張拉,將結構分級張拉得到的撐桿豎向位移大小與試驗數據進行對比,如圖7所示。

由圖7可以看出,有限元結果與實際結果變化相符,隨著拉索施加初始預應力數值變大,撐桿豎向位移不斷增大,直到初始預應力增大到83 kN時,跨中豎向位移達到組合結構跨度的1/600;兩側撐桿豎向位移近似相等,但靠近滑移端撐桿豎向位移比靠近固定端撐桿豎向位移大;有限元結果比試驗結果偏大,在疊合板制作過程中,由于誤差原因肋梁寬度及高度比圖紙尺寸稍大,使得組合結構自重偏大,在張拉過程中結構豎向位移變形減小。

3.2.2 板間連接件應力對比

在施工階段,疊合板之間主要靠H型短鋼連接件連接,連接件保證疊合板之間相連并伴隨疊合板變形,是施工階段的關鍵。根據有限元模擬分析結果,得出肋梁及板間連接件應力圖如圖8所示,從圖8中可以看出張拉完成后板間連接件承受壓應力,靠近支座位置應力較大,肋梁應力遠遠小于板間連接件應力。試驗對于S9～S15中的內側7個板間連接件以及S16～S22中的外側7個板間連接件進行測量,根據采集儀測得數據,分別挑選出內側及外側連接件測量數據的最大值與有限元分析得出的數據進行對比,最大應力值出現在靠近支座處的板間連接件S15和S16,對比結果如圖9所示。

圖8 肋梁及板間連接件應力圖(單位:MPa)

圖9 板間連接件應力圖

由圖9可以看出,2測點應力值為負值,在張拉過程中板間連接件受壓,隨著拉索初始預應力增加,板間連接件應力不斷增大,直到張拉完成后最大應力值小于200 MPa,H型短鋼鋼板采用的Q355B鋼材,所有連接件鋼板一直在彈性范圍內工作;試驗測得結果比有限元結果偏小,由于在試驗過程中,將H型短鋼腹板焊接到翼緣兩側產生殘余應力,而且試驗采用的鋼板材料性能與有限元在理想條件下的材料性能存在偏差,因此有限元模擬結果與試驗結果產生偏差。

圖10 肋梁應力圖

3.2.3 肋梁應力對比

在施工階段,隨著拉索初始預應力增加,撐桿豎向位移增加,撐桿將疊合板頂起,疊合板肋梁產生應力。通過S1～S8應變片測得肋梁應力,根據試驗數據,肋梁最大應力位于跨中位置2塊疊合板的肋梁處,測點5的試驗數據比測點4稍大,隨著拉索初始預應力的增加,肋梁應力增大,將試驗測得數據結果與有限元分析數據對比分析,如圖10所示。

由圖10可以看出,有限元分析數據與試驗數據變化趨勢相同,由于Midas/gen建模過程中對于方鋼板建模簡化,而在試驗中方鋼板與肋梁通過螺栓連接為一個整體,方鋼板對肋梁的應力影響較大,因此有限元模型數據比試驗數據偏大,但在整個施工過程中肋梁承受應力較小,遠遠小于C30混凝土抗壓強度。

在整個施工過程中,通過給拉索施加初始預應力對組合結構完成4級張拉,在組合結構關鍵節點位置布置應變片與位移計,測得撐桿豎向位移、板間連接件應力以及肋梁應力的數據,將試驗測得數據與有限元模擬數據對比分析,得到的試驗結果與有限元模擬結果變化趨勢基本一致,而且混凝土及鋼材都在彈性范圍內變化。

4 結論

(1)裝配式弦支混凝土組合結構,采用四周帶肋梁的鋼筋桁架疊合板以及H型短鋼鋼板焊接作為連接件,裝配化程度高且整體性好;采用單根撐桿與上部樓板相連,受力合理且傳力路徑明確。

(2)在施工階段為了避免單次張拉成形對結構產生永久性破壞,試驗采用分級張拉方案,一級張拉對拉索施加預應力較大,由于在一級張拉過程需要克服樓板重力,在一級張拉完成后,為了便于讀取試驗數據,拉索預應力增加較小。

(3)在施工階段疊合板之間靠H型短鋼連接件相連,連接件是保證施工階段成敗的關鍵。在施工過程中,H型短鋼鋼板連接件均處于彈性工作階段,且張拉完成后,組合結構滿足在施工階段跨中最大位移限值要求。

(4)采用Midas/gen有限元軟件能較好地模擬試驗,有限元模擬結果與試驗結果接近,由于試驗構件材料性能未能達到理想狀態以及試驗構件尺寸存在誤差,因而有限元模擬結果比試驗結果偏大。