层叠式预制混凝土设备管道井吊装抗裂数值分析

陈 浩 张明亮 辛亚兵 王江营 刘 维

1. 湖南建工集团有限公司 湖南 长沙 410004；2. 湖南建工集团装配式建筑技术研究院 湖南 长沙 410004

随着当前建筑业转型升级和现代化的要求，装配式预制构件已成为当下建筑行业的研究热点之一[1-2]。相较于传统现浇设备管道井，预制混凝土设备管道井能够节约劳动力成本，施工效率高，能有效保证施工质量。层叠式预制设备管道井道施工时只需将在工厂预制好的上下2段混凝土设备管道井，通过塔吊依次吊装搭接即可。由于预制混凝土设备管道井质量较大，所以，在吊装过程中预制混凝土设备管道井自重和吊装位移对其结构安全有着重要影响。

目前，已有相关学者对装配式预制构件的吊装受力特性进行了数值分析研究。于慧[3]以安徽宝业建工集团滨湖润园住宅项目为工程背景，采用理论计算与数值模拟相结合的方法对剪力墙板吊装进行了抗拉、抗弯和抗裂验算。研究表明，采用两点吊和三点吊均能满足抗弯、抗拉和抗裂性能要求。郑艺杰等[4]以马鞍山市银塘公租房项目预制剪力墙结构构件为工程背景，采用有限元模型方法研究了剪力墙吊装受力性能，将验算结果与现场吊装结果对比，研究表明，预制剪力墙吊装满足安全施工要求。陈浩等[5]采用数值分析的方法研究了共轴承插型预制一体化卫生间吊装荷载作用下的结构受力特性。

目前，行业内虽然已在装配式预制构件吊装受力特性分析研究方面取得了一定成果，但还未见相关装配式预制混凝土设备管道井吊装受力特性的分析研究。鉴于此，基于ANSYS有限元软件，建立层叠式预制设备管道井有限元模型，对层叠式预制混凝土设备管道井在吊装过程中的抗裂性能进行数值模拟，研究可为层叠式预制混凝土设备管道井的吊装施工设计及优化提供技术支持，并为相关工程提供借鉴和参考。

1 工程背景

湖南建工集团有限公司依托全国装配式建筑科技创新基地，在成功研发共轴承插型预制一体化卫生间的基础上，研制了新型层叠式预制设备管道井。研发的预制设备管道井可实现模块化生产，有效提升工程质量，降低建设成本。以预制设备管道井上节为例进行预制构件吊装抗裂有限元分析。预制设备管道井混凝土强度为C30，预制设备管道井上节的长度为3 700 mm，宽度为1 600 mm，高度为1 080 mm，截面厚度为100、120 mm。分布钢筋直径均为6 mm，吊钉加强钢筋直径为12 mm。图1为预制设备管道井上节结构尺寸。

图1 预制设备管道井上节结构尺寸

2 有限元模型建立

利用ANSYS18.0有限元软件建立预制设备管道井有限元模型。为考虑混凝土与钢筋之间的相互作用，采用分离式模型建立预制设备管道井有限元模型[6]。混凝土采用Soild65单元模拟，分布钢筋和吊筋采用Link8单元模拟。混凝土单元网格划分尺寸为0.05 m，钢筋单元与混凝土单元共节点。图2为预制设备管道井上节有限元模型。表1为预制设备管道井有限元模型参数。

图2 预制设备管道井上节有限元模型

表1 预制设备管道井上节有限元模型参数

3 吊装抗裂性能分析

3.1 荷载组合下吊装抗裂性能分析

分析在结构自重（3.2 t）＋吊钉拉力（10 453.3 N）荷载组合作用下的结构受力性能。图3为预制设备管道井上节沿z轴方向拉应力云图。由图3可知，混凝土最大拉应力（z轴）发生在顶面，最大拉应力为1.99 MPa，小于混凝土轴向抗拉强度2.01 MPa，不会产生开裂现象。

图3 沿z轴方向拉应力云图

分别提取了6个吊筋沿z轴方向的变形值，如表2所示。由表2可知，预制设备管道井6个吊筋的变形极其微小，吊筋不会发生屈服现象。

3.2 在水平位移作用下的抗裂性能分析

以混凝土开裂为极限状态，混凝土受压应力、应变关系按GB 50010—2002《混凝土结构设计规范》取值得到，混凝土开口裂缝剪应力传递系数为0.40，闭合裂缝剪应力传递系数为1.00。钢筋的屈服准则采用双线性随动强化材料模型BKIN。分析时考虑结构自重作用。表3为预制设备管道井在水平位移作用下的抗裂性能计算工况。限于篇幅，以工况一为例，给出了预制设备管道井在水平位移作用下结构的裂缝分布。

表2 吊筋沿z轴方向变形值

表3 预制设备管道井在水平位移作用下抗裂性能计算工况

3.2.1 沿井顶x轴±5 mm水平位移作用

图4为预制设备管道井裂缝分布情况（沿井顶x 轴±5 mm水平位移作用）。由图4可知，在沿井顶x轴±5 mm水平位移作用下，设备管道井无裂缝产生。

3.2.2 沿井顶x轴±10 mm水平位移作用

图5为预制设备管道井裂缝分布情况（沿井顶x 轴±10 mm水平位移作用）。由图5可知，在沿井顶x 轴±10 mm水平位移作用下，设备管道井无明显裂缝产生。

图4 裂缝分布（沿井顶x轴±5 mm水平位移）

图5 裂缝分布（沿井顶x轴±10 mm水平位移）

3.2.3 沿井顶x轴±15 mm水平位移作用

图6为预制设备管道井裂缝分布情况（沿井顶x轴正向±15 mm水平位移作用）。由图6可知，在沿井顶x轴正向±15 mm水平位移作用下，设备管道井内部裂缝现象较为严重，同时外部也产生了少许裂缝。

图6 裂缝分布（沿井顶x轴±15 mm水平位移）

4 结语

1）在吊装组合荷载作用下，预制设备管道井的自身最大应力小于C30混凝土的抗拉强度，因此，不会产生开裂现象；吊筋的变形值极其微小，因此，不会产生屈服现象。

2）在沿x、y轴方向±5 mm水平位移作用下，设备管道井自身位移也较小，混凝土应力小于自身抗拉强度，不会产生裂缝现象；在沿x、y轴方向±10 mm水平位移作用下，设备管道井无明显裂缝产生；在沿x、y轴方向±15 mm水平位移作用下，设备管道井内部裂缝现象较为严重，同时外部也产生了少许裂缝。按照计算结果，建议将水平位移限值取为10 mm。

3）采用有限元分析的方法对预制设备管道吊装抗裂性能进行了分析，为混凝土预制构件吊装施工提供技术参考。值得注意的是，预制混凝土构件在吊装动力荷载作用下的受力性能需要进一步研究。