目前,我国正大力推广绿色施工理念^[1],推进建筑工业化,装配式结构的应用愈加广泛^[2].但装配式建筑施工中存在的安全风险较大,对施工过程中的质量及安全控制具有较高的要求,目前,对于装配式结构施工的标准规范尚不完善,施工工艺也有待进一步开发及普及.

近年来已有部分学者对装配式结构施工中的新工艺进行了研究^[3].Jose等^[4]提出一种在柱端连接钢筋的梁柱节点,在循环荷载作用下进行试验,将预制柱连接结果与现浇混凝土结构连接结果进行比较后发现,两种构件的受力性能基本相同,可以采用预制柱-梁连接方式.Saeed等^[5]研究了两种新型的预制梁和预制混凝土柱之间的抗弯连接件,一种为倒置E型截面螺栓连接,另一种为箱形截面焊接连接,并验证了两种预制连接的性能与相应的整体连接的性能相近.Yang等^[6]进行了预制H型钢混合梁的极限抗弯承载力试验,分别采用了两端铰支和固支的边界条件,试验结果表明该构件具有较高的极限承载力和较好的延性,可作为刚性节点.张艳霞等^[7]提出了一种整体芯筒式全螺栓连接方式,并对螺栓拉力、柱脚应变等力学性能进行了现场监测,证实了其设计方法的可行性.刘付均等^[8]提出了一种免模装配一体化钢筋混凝土结构体系用于解决装配式结构中存在的连接整体性及安全性等问题.张晋元等^[9]对装配式混凝土柱柱节点进行了设计,其预制柱拼接处的锁具-锁和齿槽状构造改善了纵筋应力的传递,有效提高了柱的受剪承载力.张爱林等^[10]提出了一种装配式梁柱-柱法兰连接节点,从而对梁端的塑性铰位置进行控制,来保证梁柱等构件保持在弹性的阶段.哈芬公司推出了装配式结构中预埋在预制混凝土柱内的新型柱脚螺栓连接装置^[11].但随着装配式结构应用的展开,如节点连接质量不佳、造价较高、施工安全隐患较大等问题也逐渐显露.

在大型工业厂房中,高大截面独立柱的施工是影响工程整体施工的关键.若对高大截面独立柱进行场外预制再进行现场装配,由于其自重大致使运输及吊装困难,且装配各个环节极易叠加风险导致事故发生^[12]; 若进行现场浇筑施工,柱模板的支设难度较大^[13],且使用过程中模板也易发生弯曲变形,影响钢筋混凝土柱的垂直度,施工质量难以保障.为解决上述问题,本文提出了一种现浇钢筋混凝土柱半装配化工艺.

如图1所示,该重型高科技精密电子厂房工程占地面积10 6553 m²,建筑面积295 122 m²,建筑高度23.9 m,建筑层数3层.电子厂房结构形式为SRC复合结构(见图2),核心区总跨度96 m,由三排1.4 m×1.4 m箱型钢管混凝土柱支撑两跨屋面钢桁架结构,钢管混凝土柱之间为现浇混凝土柱及预制混凝土梁、柱,支持区竖向构件为型钢混凝土柱(SRC柱),水平构件为钢梁与钢筋桁架楼承板,楼面为现浇混凝土面层,其中现浇混凝土柱采用了半装配化工艺.

图1 SRC复合结构工业厂房示意图
Fig.1 Schematic diagram of Samsung SRC composite structure industrial plant

图2 厂房结构标准段剖面图
Fig.2 Section of standard section of plant structure

该半装配化现浇混凝土柱为高大截面柱,在场外进行加工和拼装,并运输至现场进行安装和混凝土浇筑,为防止现场施工过程中柱的变形过大,建立了有限元模型进行数值分析,保障施工时的质量和安全.首先对采用半装配化工艺的现浇柱进行模板侧压力计算.采用插入式振动器且浇筑速度不大于10 m/h,混凝土塌落度不大于180 mm时,新浇筑混凝土对模板的侧压力的标准值,可按照下列公式分别计算^[15],并应取其中较小值.

F=0.28γ_ct₀β₁β₂v^1/2(1)

F=γ_cH(2)

其中:F为新浇筑混凝土对模板的最大侧压力(kN/m²); γ_c为混凝土的重力密度(kN/m³); V为混凝土的浇筑速度(m/h); t₀为新浇混凝土的初凝时间(h); β₁为外加剂影响修正系数; β₂为混凝土坍落度影响修正系数; H为混凝土侧压力计算位置处至新浇混凝土顶面的总高度(m).

由公式(1)得

F=0.28×25 kN/m³×6.6h×1×2^1/2m/h

=65.4 kN/m²

由公式(2)得:

F=25 kN/m³×10 m

=250 kN/m²

取其中较小值,即取F=65.4 kN/m²

由振捣产生的荷载F按6.5 kN/m²计算,倾倒混凝土时产生的水平荷载值F按4 kN/m²计算,施工人员荷载2.5 kN/m²,荷载分项系数按表2取值.

表2 荷载分项系数取值表
Tab.2 Value table of partial load factor

则总荷载为

F_总=65.4×1.2+6.5×1.4+4×1.4+2.5×1.4

=96.68 kN/m²

高大截面柱进行混凝土浇筑时模板的变形是影响安全的重要因素,因此,使用了midas civil 2015进行混凝土浇筑时柱钢模板的受力性能分析,建立的有限元模型如图 16所示,柱模板所用材料为Q235钢,面板为8 mm钢板,横向使用[10#加强,背楞采用[16#,法兰采用12 mm钢板封侧槽口,对拉杆件长30 mm.模板上部的四个对拉杆件布置间距为750 mm,其余对拉杆件布置间距为500 mm.模板长度设为11.05 m,柱截面尺寸为1.4 m×1.4 m,模板侧压力使用上述计算值.

图 16 柱模板有限元模型
Fig.16 Numerical model of column formwork

柱模板的变形情况如图 17所示,在采用半装配化工艺后进行混凝土浇筑,柱模板四面都有一定程度的变形.因上部的对拉杆件布置间距较大,下部的对拉杆件布置间距较小,模板的上部变形较下部变形相对较大,但模板的整体变形量最大值仅为0.4 mm,满足《建筑施工模板安全技术规范》中对模板变形量容许值的要求.

图 17 柱模板整体变形云图
Fig.17 Integral deformation nephogram of column formwork

对混凝土浇筑后柱模板面板和拉杆的应力进行数值分析后,得到柱模板拉杆受到的最大剪应力为103 MPa(见图 18),柱模板面板受到的最大应力为17 MPa(见图 19).根据《钢结构设计标准》中的规定,在钢材抗拉、抗压和抗弯时,厚度或直径小于16 mm的Q235钢的强度设计值为215 MPa^[16],因此,数值模拟值远小于规范的规定值,满足安全性要求.

图 18 柱模板对拉杆件应力云图
Fig.18 Stress nephogram of column formwork tie rod

图 19 柱模板面板应力云图
Fig.19 Stress nephogram of column formwork panel

通过对现浇钢筋混凝土柱半装配化工艺进行数值计算与分析,柱钢模板是安全可靠的,承载力及变形均在规范控制范围内,强度计算满足规范要求,施工时的质量与安全能够得到保证.

(1)本文提出了一种现浇钢筋混凝土柱半装配化工艺,并对其工艺流程进行了详细的阐述,通过数值分析对其合理性进行了验证并成功应用于工程实际;

(2)现浇钢筋混凝土柱半装配化工艺解决了在工业厂房中进行高大截面现浇混凝土柱施工时存在的施工空间小、模板支设难度大、安全风险高等问题,为类似高大截面现浇钢筋混凝土柱的施工提供了工程经验;

(3)现浇钢筋混凝土柱半装配化工艺的应用减少了施工材料的投入与消耗,施工成本略有降低且缩短了施工工期,施工质量有所提升,具有良好的推广前景.