共轴承插型预制一体化卫生间结构的数值计算分析

2020-04-24张明亮陈维超唐伟军王江营

建筑施工 2020年1期

陈浩张明亮刘飞陈维超唐伟军王江营

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

预制装配式施工方法，目前已在国内外得到了广泛应用[1-3]，国家亦先后出台了许多政策大力推动其发展[4]。但是，装配式技术在用于建筑主体工程时易受制于节点延性和防水等关键技术[5-7]，因此，有不少建筑项目在非主体工程中采用该技术，以充分发挥其施工便捷、节省工期、构件质量可靠、环境影响小等诸多优点。

为推动国内建筑工业化发展，李文藻等[8]于1980年在天津开展了装配式盒子卫生间的试验，取得了一定成果；随后，何兰[9]、刘新伟等[10]、柏万林等[11]则对预制卫生间的设计、制作、装修、安装等方面开展了研究，并得到了一些有益的结论。然而，现有研究多是针对预制卫生间这一独立个体[8-11]，鲜有考虑卫生间与建筑主体结构之间的关系；同时，现阶段预制卫生间多采用单元板连接，存在板缝处理问题，进而限制了其推广应用。

为此，湖南建工集团有限公司基于全国装配式建筑创新基地与BIM技术的发展，研发了共轴承插型预制一体化卫生间[12]，即在工厂标准化生产后将其运送至现场，再采用吊装方式插入楼板预留洞口内完成安装，解决了当前卫生间结构设计、现场施工存在的诸多难题，实现了结构、管线、保温及装饰一体化。为分析该预制卫生间对主体结构的影响及其设计合理性、吊装可行性，我们采用Ansys软件开展了一系列数值计算研究，以期为相关设计、施工提供一定的指导和依据。

1 预制卫生间主要设计参数

该共轴承插型预制一体化卫生间长、宽、高分别为2 740、1 670 mm和2 670 mm，侧壁厚100 mm并设置φ8 mm@200 mm×200 mm单层钢筋网，底板设置φ8 mm@150 mm×150 mm双层双向钢筋网；卫生间侧壁和底板采用密度为1 500 kg/m3的LC25轻骨料混凝土浇筑，实测整体质量约5 t。

吊装时，若卫生间侧壁外侧有现浇混凝土剪力墙，则在剪力墙上设置挑耳来搁置和承载；若外侧为楼面梁，则楼面梁下沉120 mm，在梁顶设凹口，卫生间直接搁置在梁凹口上。吊装前，先用水泥砂浆对挑耳和凹口梁顶部找平。安装后，保证卫生间底板与四周的安装空隙不小于15 mm，再用聚氨酯建筑密封膏嵌实空隙。剪力墙挑耳和凹口梁的混凝土等级为C30。预制卫生间设计如图1所示。

图1 预制卫生间设计

2 预制卫生间对主体结构的影响研究

2.1 预制卫生间与主体结构连接设计

卫生间采用轻骨料混凝土整体预制成形，为顶面敞开的箱体结构，其自身刚度较大。为减少对主体结构整体刚度的影响，采用了铰接方式将其与主体结构进行连接：即卫生间下端采用承插型的企口构造形式，直接插入楼面预留洞口中，搁置在楼面预留洞口四周凹口梁或剪力墙的挑耳上，形成简支连接；卫生间侧壁顶面与四周凹口梁或剪力墙上挑耳底面之间设置厚20 mm聚苯板，使得其与凹口梁或剪力墙上挑耳脱离，仅利用卫生间四角吊钩埋入四周凹口梁或剪力墙上挑耳内；当卫生间侧壁外有主体结构的现浇承重剪力墙时，卫生间侧壁与现浇承重剪力墙之间设置厚25 mm难燃型挤塑聚苯板。

由上述连接方式及措施可知：卫生间所产生的荷载对主体结构水平构件仅产生内力影响，因此在设计主体结构水平构件时，只需根据卫生间有关参数考虑相应荷载即可；卫生间与主体结构竖向构件之间采用铰接连接，不传递弯矩，所以卫生间仅对竖向构件产生一定的竖向轴力和附加扭矩，且此部分内力非常小。同时，由于卫生间与主体结构之间设置了聚苯板隔离，故不仅能节能保温，而且可保证卫生间在风荷载、水平地震等作用下不参与主体结构受力，只产生较小的水平作用力。此外，卫生间四角吊钩与凹口梁或挑耳之间为构造拉结，同样不参与建筑主体的受力。

2.2 主体结构刚度有限元分析

2.2.1 有限元模型建立

为了分析卫生间对主体结构的影响程度，我们还分别建立了带卫生间模型M-1和不带卫生间模型M-2，如图2所示。带卫生间的模型M-1由卫生间、主体结构（局部）、聚苯板隔层和砂垫层组成，均按实际尺寸进行建模；由于卫生间影响范围主要限于周边剪力墙和框架梁，故仅对主体结构与卫生间相连的3片剪力墙和1根框架梁进行建模，形成主体结构（局部）模型M-2。

图2 卫生间与主体结构（局部）模型

2.2.2 计算方案与结果

模型M-1和M-2设置相同边界条件，采用刚性楼板假定，在剪力墙底部施加固定约束。根据设计资料，共考虑表1所示的4种工况。

表1 主体结构计算工况

计算结果如表2所示。增加卫生间后，主体结构刚度在水平向仅增加了0.4%，竖向增加了0.5%；2种工况下，卫生间最大拉、压应力均远小于混凝土材料强度。图3为卫生间主体结构主要应力云图。从结果可知，卫生间对主体结构影响很小。

表2 主体结构计算结果

图3 卫生间主体结构主要应力云图

3 预制卫生间吊装验算

3.1 吊装加载方式

该预制一体化卫生间采用专用吊架进行安装。为分析吊装过程对卫生间的影响，采用动力学分析软件LS-DYNA进行模拟计算。有限元计算模型由卫生间、吊环、起吊钢索、吊架4个部分组成，塔吊起吊钢索长度取5 m，塔吊的最大起升速度和最大回转速度均取0.5 m/s，最大起升加速度和最大回转加速度均取1 m/s2。加载按照“卫生间自重→竖直加速→竖直减速→水平加速→水平减速”的顺序进行，总计算持续时间为8 s。卫生间吊环大样及加载方式如图4所示。

3.2 吊装计算结果

图5为卫生间吊装过程中4根吊索的拉力变化时程曲线。由此可知，吊索4的拉力最大，且最大值出现在0.94 s，最大拉力值为15.92 kN，此时卫生间处于加速上升阶段。

图6为卫生间吊装过程0.94 s时的应力分布情况。由此可知，4个吊点位置出现了明显的应力集中现象。为此，对门洞吊点附近的混凝土和吊环进行精细化建模，吊环钢筋与混凝土之间采用接触算法，模拟它们之间的黏结作用，对吊环施加竖向拉力15.92 kN。

图4 吊环大样及加载示意

图5 吊索受力时程曲线

图7为吊环周围的裂缝分布情况，图8为吊环周围混凝土的应力分布情况。由此可知，吊环黏结应力的主要影响范围在卫生间顶部以下约200 mm，周围混凝土产生了较大应力，但由于处于三向应力状态，故混凝土未产生裂缝。

经进一步计算表明，吊环所受剪力（7.93 kN）小于其侧壁混凝土抗剪承载力（18.3 kN），所受压力（13.26 kN）小于其抗局压承载力（40.1 kN）。

综合以上结果可知，预制一体化卫生间在吊装过程中能承受各种常见荷载，不会发生破坏。

4 剪力墙、挑耳承载分析

4.1 计算参数

主体结构剪力墙及挑耳为预制卫生间的主要承托体系。为研究其设计合理性，根据剪力墙和挑耳的构造和受力特点，进行分离式建模；采用Link180单元对钢筋进行模拟；采用六面体扫掠网格进行网格划分。

图6 吊点应力集中情况

图7 吊环周围混凝土开裂情况

图8 吊环周围混凝土应力云图

为了确定卫生间吊装时主体结构承托体系的最小养护龄期，根据现场施工情况，取龄期为4 d时的混凝土强度参数进行计算，即弹性模量21.4 GPa，轴心抗压、抗拉强度分别为10.85、1.39 MPa。钢筋采用理想弹塑性模型，弹性模量200 GPa，泊松比0.3，屈服强度335 MPa。挑耳受力面上的设计均布荷载为105 kN/m2。

4.2 剪力墙、挑耳计算结果

图9为剪力墙、挑耳计算结果。由此可知，混凝土最大拉应力发生在挑耳顶面与剪力墙连接处，为0.464 MPa，最大压应力在挑耳底面与剪力墙连接处，为0.566 MPa；最大竖向位移在挑耳悬臂端，为2.39×10-3mm。由计算结果可知，当主体结构承托体系龄期达到4 d时，剪力墙、挑耳所受应力及变形均很小，可满足承载能力与正常使用要求。