大型工业厂房钢筋混凝土柱半装配化工艺研发及应用研究

2021-03-30王建刚李智军张心玥刘媛莹

西安建筑科技大学学报（自然科学版） 2021年1期

王建刚，张清，李智军，张心玥，刘媛莹，梅源

(1.陕西建工第五建设集团有限公司，陕西西安 710032；2.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安 710055)

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.

1 工程概况

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

2 现浇钢筋混凝土柱半装配化工艺设计

2.1 工艺流程设计

现浇钢筋混凝土柱半装配化工艺通过对传统现浇混凝土柱工艺的创新，优化设计基础钢筋排布，利用柱模板钢托架使柱模板与柱钢筋笼组装为一起，整体吊装直插入预留柱基础并进行加固校正，再进行混凝土现场浇筑，其工艺流程图见图3.

图3 半装配化工艺流程Fig.3 Semi assembly process

2.2 关键工序施工控制方法

2.2.1 筏板柱坑设计与施工

在基础垫层上依据轴线定位框架柱位置及预留相应框架柱位置边界线预埋精轧螺纹钢筋定位线，并进行标识.随后按照框架柱标识线安装预留柱下沉基础的筏板钢筋定位支架，使用M12膨胀螺栓固定.再将基础筏板钢筋安放于定位支架上的定位卡槽内，进行基础筏板钢筋绑扎.然后采用快易收口网、60 mm×80 mm菱形钢板网以及Φ16@250的钢筋绑扎在筏板钢筋定位支架外侧，进行基础筏板混凝土拦截，并在柱下沉基础四角预埋8根精轧螺纹钢，与基础筏板钢筋焊接固定.

基础筏板施工时，进行模板定位底座设计(见图6)，预埋固定模板底座预埋件(见图7)，预埋件采用1.3 m的Φ32的精轧螺纹钢，预埋深度为入筏板内80 cm，漏出筏板面50 cm，用于固定模板底座.模板底座依据位置安放后采用2根[16#槽钢背面对焊用螺母固定于预埋精轧螺纹钢筋上，以固定模板底座，底座安装完毕后再次复核底座的安装位置及标高.

图4 钢筋定位支架设计Fig.4 Design of steel bar positioning support

图5 筏板钢筋绑扎施工Fig.5 Binding construction of raft reinforcement

图6 模板定位底座设计Fig.6 Design of template positioning base

图7 模板定位底座安装Fig.7 Installation of template positioning base

2.2.2 柱钢筋笼与模板一体化设计、加工及拼装

如图8所示，在场外加工厂集中进行柱钢筋笼绑扎，按照施工图纸及柱钢筋优化设计图纸进行柱钢筋下料加工，借助柱钢筋笼绑扎操作平台先将柱一面主筋摆放在操作平台上表面，依次穿入柱箍筋并按照间距排布，依次与柱主筋进行绑扎，后依次穿入其余面的柱主筋并与箍筋绑扎，柱钢筋保护层使用L40×40×3 mm角铁制作，间距2 500 mm布置.依照柱大小将角铁先对焊成两个L形，套入钢筋笼后进行对焊，焊点用Φ12钢筋进行补强.

图8 柱钢筋笼绑扎制作Fig.8 Binding and fabrication of column reinforcement cage

现浇混凝土柱模板采用2块L型定型钢模板(见图9、10)，在专业加工厂集中加工后运至现场.模板所用材料材质均为Q235级钢，具体设计参数见表1.操作平台采用50 mm方管进行焊接制作，加工操作架三角支撑，与钢模板螺栓连接使用.模板长度为11.03 m，每块模板采用M20×60螺栓连接.

表1 柱模板设计参数Tab.1 Design parameters of column formwork

图9 柱模板截面设计细部尺寸Fig.9 Detail size of column formwork section design

图10 柱模板加工Fig.10 Processing of column formwork

模板与钢筋笼拼装时，将第一块模板安放于模板支架上并固定，将钢筋笼平稳吊运，安放于模板上，钢筋笼吊装采用专用吊具进行，钢筋笼吊放于第一块模板上并固定后吊装第二块L型模板，与第一块模板进行拼装(见图11).柱钢筋笼与钢模板连接顶部采用定制钢托架，钢托架与模板螺栓连接固定，柱钢筋笼主筋顶部套丝45.5 mm，加工与柱主筋同规格、同型号钢筋丝杆，丝杆采用300 mm长Φ36的钢筋两头套丝，一头套丝150 mm，另一头套丝45.5 mm，柱主筋与丝杆采用Φ36套筒连接固定，丝杆另一头采用套筒加垫片卡在钢托架上，使柱子钢筋笼与钢模整体固定，拼装形成整体.在钢筋笼一角位置安装混凝土浇筑串筒，混凝土浇筑串筒选用9 m长Φ200钢管制作，每间隔50 cm三面依次向上留设150 mm×150 mm孔洞.

图11 钢筋笼与模板拼装Fig.11 Assembly of reinforcement cage and formwork

2.2.3 柱钢筋笼与模板运输及整体安装

利用平板车将拼装好的钢筋笼和模板运至现场，柱钢筋笼与模板的整体安装设计如图12所示，钢筋笼与模板整体吊装选用130 t履带吊与75 t汽车吊配合使用(见图13).汽车吊的起吊点位于柱模板底部吊耳位置，履带吊吊点位于模板顶部吊耳位置，履带吊与汽车吊配合同时平稳起吊，待模板水平吊离地面高度约2 m后，起吊模板底部的汽车吊停止起吊并向起吊模板顶部履带吊旋转靠近，起吊模板顶部履带吊继续起吊使模板与钢筋笼整体竖立，后对中预留柱位置进行安装.吊装完成后安装模板斜向支撑及拉设揽风绳，借助模板斜向支撑、缆风绳及模板底座再次校正模板的垂直度及柱顶部标高，复核无误后固定.

图12 柱钢筋笼与模板整体安装设计Fig.12 Integral installation design of column reinforcement cage and formwork

图13 柱钢筋笼与模板整体吊装施工Fig.13 Integral hoisting construction of column reinforcement cage and formwork

2.2.4 混凝土浇筑与振捣

提前一天浇筑现浇柱底部筏板预留口位置混凝土，浇筑时由现浇柱筏板预留口对角同时进行浇筑，浇筑高度同筏板顶面齐平，并振捣密实，收面成型.第二天待底部混凝土凝固后，拆除柱钢筋笼与模板顶部固定托架，安装操作平台，操作平台与柱模板采用螺栓连接，采用曲臂车配合汽车吊进行安装.安装完毕后进行柱混凝土浇筑.如图14所示，柱混凝土浇筑选用37 m臂架泵车进行，由于框柱高度较高混凝土浇筑时落差较大，在混凝土浇筑时借用预先埋入的串筒进行放料，每根柱浇筑混凝土配备2条长12 m的振捣棒进行振捣，每次浇筑高度约80 cm时停止放料进行振捣，由柱角对角进行下棒振捣，每次振捣时长约20 s，浇筑混凝土后串筒埋入柱内.

图14 柱混凝土浇筑Fig.14 Pouring construction of column concrete

2.2.5 模板拆除与养护

柱混凝土浇筑完成后，待柱混凝土强度达到要求且能保证柱表面及棱角不因拆模而受损坏后再进行柱模板拆除[14]，柱模板拆除的顺序和方法遵循自上而下的原则，先拆除混凝土操作架与柱加固件，再拆除柱两个角的模板连接件，柱模板脱离柱混凝土面后利用汽车吊吊拆，即模板拆除中也为两张整模，拆除中利用吊车进行单张整模吊拆.柱混凝土养护采用覆盖保湿的养护方法，采用双层PE薄膜将柱缠绕保湿养护(见图15).

图15 柱混凝土保湿养护Fig.15 Curing of column concrete

3 基于数值分析的半装配化施工质量与安全控制

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.

(1)

F=γcH

(2)

其中：F为新浇筑混凝土对模板的最大侧压力(kN/m2)；γc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

=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.