装配式弦支混凝土组合楼盖施工过程力学性能试验研究

张国泰, 陈宗学, 乔文涛, 孟丽军, 赵华国

(1.石家庄铁道大学 土木工程学院,河北 石家庄 050043;2.河北建设集团股份有限公司 钢结构工程分公司, 河北 保定 071051)

0 引言

近年来,体育场馆、会展中心、大剧院等大型公共建筑不断兴建,为了满足结构内部大空间的需求,需要采用大跨度楼盖结构。肋梁楼盖、井式楼盖、密肋楼盖等传统楼盖形式已经无法满足大跨度空间使用要求,一些新型的大跨度楼盖结构形式被提出。

陈志华等[1]提出弦支混凝土集成屋盖结构并研究了其基本力学特性;乔文涛等[2]分析了影响弦支混凝土集成屋盖力学特性的主要因素;李洋[3]详细描述了弦支混凝土集成楼盖构造并通过试验及有限元模型进行静力学特性分析;邓拥哲[4]对弦支混凝土集成楼盖施工过程力学性能进行研究;QIAO et al[5-8]对弦支混凝土集成楼盖进行了静力学特性、动力学特性以及施工阶段力学特性的理论与试验研究。以上研究表明,弦支混凝土集成楼盖充分发挥材料自身性能且受力合理,但仍存在楼板自重较大、施工装配化程度低等缺点。针对弦支混凝土集成楼盖的缺点,张海影[9]提出一种新型装配式弦支组合楼盖结构。以装配式弦支混凝土组合楼盖为研究对象,通过采用分级张拉方法研究组合楼盖施工阶段力学性能,观察组合结构在张拉试验过程中撑杆的竖向位移变化、板间连接件及肋梁应力变化,同时试验结果验证了所采用有限元分析方法的可靠性。

1 试验概况

1.1 试件制作

试验共制作了16块四周带肋梁的钢筋桁架叠合板,叠合板的尺寸大小及板内钢筋布置均相同。叠合板四周肋梁截面尺寸为50 mm×180 mm,上部钢筋桁架板厚度为20 mm,肋梁纵筋采用直径6 mm的光圆钢筋,肋梁箍筋及板内钢筋采用直径3 mm的铁丝。将4个绑扎好的肋梁钢筋骨架通过钢筋末端90°弯钩互相绑扎到一起,形成一个封闭的矩形钢筋骨架,顶部板采用双层双向配筋。将矩形钢筋骨架以及板钢筋桁架放置到模板中,肋梁中的钢筋和顶部钢筋桁架叠合板中的钢筋连接成钢筋笼,将预埋螺栓的PVC管一同绑扎到钢筋骨架上,叠合板的钢筋桁架的上部钢筋裸露、下部钢筋与四周肋梁由混凝土浇筑为一体,制作完成四周带肋梁的钢筋桁架叠合板,其构造如图1所示。

图1 带肋梁的钢筋桁架叠合板图(单位:mm)

试验制作了2根400 mm撑杆和1根600 mm撑杆,撑杆截面采用直径为42 mm、壁厚4 mm的圆环截面,撑杆结构形状如图2所示。一根长10 m直径为30 mm的钢丝绳,钢丝绳采用6×37M+FC规格,采用若干截面88 mm×100 mm、厚度为4 mm的钢板以及若干截面65 mm×120 mm、厚度为6 mm的带预埋螺栓孔的钢板。

图2 撑杆结构图(单位:mm)

1.2 材性试验

试验中叠合板采用的混凝土为人工搅拌混凝土,设计强度等级为C30,在制作叠合板浇筑混凝土的同时,制作3个150 mm×150 mm×150 mm立方体试块,并与试件同条件养护,经过试块加载试验得出,混凝土试块平均抗压强度为35.2 MPa。钢丝绳采用公称直径为1.38 mm的钢丝,公称抗拉强度为1 770 MPa,试验测得抗拉强度最大值为1 966 MPa,最小值为1 832 MPa。肋梁纵向钢筋采用HPB300光圆钢筋,钢板及钢管撑杆采用Q355B钢材,钢材的材性试验结果见表1。

表1 钢材力学性能表 MPa

1.3 试验张拉方案

将结构组装完成后,结构固定端一侧将连接件焊接在支座上,结构滑移端一侧将连接件放置在支座上,通过螺栓来约束连接件沿宽度方向移动,使得螺栓仅能沿跨度方向发生位移。在结构固定端通过花篮螺栓给拉索施加拉力,拉索受到拉力后对中间撑杆起到弹性支撑作用,上部结构在撑杆的支撑作用下向上起拱变形,在施工阶段需要严格控制最大竖向位移不超过结构跨度的1/600。采用静力平衡法在Midas/gen中计算达到最大竖向位移时,需要给拉索施加的初始预应力,采用分级张拉法,对结构进行4次张拉,张拉比例依次为65%、80%、90%、100%,对应的拉力大小为53.95、66.4、74.7、83 kN。

1.4 测点布置

试验中测量了试件应变以及撑杆竖向位移,测点S1～S8将应变片布置在混凝土肋梁底面,测得混凝土肋梁应变,测点S9～S22将应变片布置在H型短钢钢板侧表面,测得钢板应变,应变片测点布置方案如图3所示。在撑杆与方钢板连接位置,将3个位移计H-1、H-2和H-3放置在方钢板底部,测得撑杆竖向位移,位移计布置如图4所示。

图3 测点布置图

图4 位移计布置图

2 试验过程及结果

2.1 试验过程

将已经绑好的钢筋骨架放置到模板中并浇筑混凝土制作叠合板,待混凝土养护完成后拆除模板,在肋梁侧面将板间连接件翼缘钢板通过螺栓固定在肋梁上,然后将单块叠合板吊装到已经安装好的脚手架上,将板间连接件腹板焊接到翼缘两侧,在叠合板肋梁底部安装方钢板,将撑杆、拉索和花篮螺栓连接完成,将组合结构固定端连接件焊接到钢梁一端,滑移端连接件通过螺栓固定到钢梁另一端,连接件上预留出螺栓可以沿跨度方向滑移的孔洞,组合结构安装完成。

根据静力平衡法求解张拉过程所需要施加的预应力大小,组合结构按照已经制定好的张拉方案进行4次张拉。通过拧紧花篮螺栓对组合结构拉索施加预应力,在拧花篮螺栓过程中拉索不断伸长,拉力值不断增大,随着拉索拉力值增大,拉索将力作用到撑杆上,上层楼板在撑杆的顶升作用下向上起拱变形,叠合板逐渐脱离脚手架,张拉示意图如图5所示。

图5 张拉示意图

2.2 试验结果

当跨中位置达到最大竖向位移时,停止张拉花篮螺栓,此时除了最外侧与支座相连的叠合板未脱离脚手架,其余叠合板全部与脚手架分离,相邻叠合板之间通过H型短钢腹板相连,在张拉过程中承受了较大应力,但未发生明显变形;随着楼板向上起拱变形,滑移端沿跨度方向向固定端横向位移,但位移量较小;由于采用花篮螺栓单侧张拉,张拉过程中撑杆向张拉侧倾斜。

3 有限元分析

3.1 模型建立

图6 有限元模型图

采用软件Midas/gen来建立装配式弦支混凝土组合结构的计算模型,并对其进行数值分析。叠合板采用的是四周带肋梁的钢筋桁架叠合板,故上部叠合板采用厚板单元,四周的肋梁则采用3D线性梁单元。板间连接件也采用3D线性梁单元,肋梁与连接件采用刚性连接。撑杆采用3D线性梁单元,且因撑杆上端钢板通过销轴连接,故采用释放梁端约束的方式释放撑杆上端的沿跨度方向的约束,使撑杆可以沿跨度方向转动。拉索则采用只受拉单元来模拟。拉索中的初始预应力可以以初拉力的方式施加到索单元上,通过修改初拉力的数值,模拟分级张拉对拉索施加初始预应力的大小。对组合结构设置边界条件,结构的固定端采用三向铰接,滑移端为两向铰接(释放沿跨度方向的水平约束)。有限元模型如图6所示。

3.2 有限元结果与试验结果对比分析

3.2.1 竖向位移对比

图7 撑杆竖向位移图

在有限元模型中,给拉索施加初应力,对结构进行分级张拉,将结构分级张拉得到的撑杆竖向位移大小与试验数据进行对比,如图7所示。

由图7可以看出,有限元结果与实际结果变化相符,随着拉索施加初始预应力数值变大,撑杆竖向位移不断增大,直到初始预应力增大到83 kN时,跨中竖向位移达到组合结构跨度的1/600;两侧撑杆竖向位移近似相等,但靠近滑移端撑杆竖向位移比靠近固定端撑杆竖向位移大;有限元结果比试验结果偏大,在叠合板制作过程中,由于误差原因肋梁宽度及高度比图纸尺寸稍大,使得组合结构自重偏大,在张拉过程中结构竖向位移变形减小。

3.2.2 板间连接件应力对比

在施工阶段,叠合板之间主要靠H型短钢连接件连接,连接件保证叠合板之间相连并伴随叠合板变形,是施工阶段的关键。根据有限元模拟分析结果,得出肋梁及板间连接件应力图如图8所示,从图8中可以看出张拉完成后板间连接件承受压应力,靠近支座位置应力较大,肋梁应力远远小于板间连接件应力。试验对于S9～S15中的内侧7个板间连接件以及S16～S22中的外侧7个板间连接件进行测量,根据采集仪测得数据,分别挑选出内侧及外侧连接件测量数据的最大值与有限元分析得出的数据进行对比,最大应力值出现在靠近支座处的板间连接件S15和S16,对比结果如图9所示。

图8 肋梁及板间连接件应力图(单位:MPa)

图9 板间连接件应力图

由图9可以看出,2测点应力值为负值,在张拉过程中板间连接件受压,随着拉索初始预应力增加,板间连接件应力不断增大,直到张拉完成后最大应力值小于200 MPa,H型短钢钢板采用的Q355B钢材,所有连接件钢板一直在弹性范围内工作;试验测得结果比有限元结果偏小,由于在试验过程中,将H型短钢腹板焊接到翼缘两侧产生残余应力,而且试验采用的钢板材料性能与有限元在理想条件下的材料性能存在偏差,因此有限元模拟结果与试验结果产生偏差。

图10 肋梁应力图

3.2.3 肋梁应力对比

在施工阶段,随着拉索初始预应力增加,撑杆竖向位移增加,撑杆将叠合板顶起,叠合板肋梁产生应力。通过S1～S8应变片测得肋梁应力,根据试验数据,肋梁最大应力位于跨中位置2块叠合板的肋梁处,测点5的试验数据比测点4稍大,随着拉索初始预应力的增加,肋梁应力增大,将试验测得数据结果与有限元分析数据对比分析,如图10所示。

由图10可以看出,有限元分析数据与试验数据变化趋势相同,由于Midas/gen建模过程中对于方钢板建模简化,而在试验中方钢板与肋梁通过螺栓连接为一个整体,方钢板对肋梁的应力影响较大,因此有限元模型数据比试验数据偏大,但在整个施工过程中肋梁承受应力较小,远远小于C30混凝土抗压强度。

在整个施工过程中,通过给拉索施加初始预应力对组合结构完成4级张拉,在组合结构关键节点位置布置应变片与位移计,测得撑杆竖向位移、板间连接件应力以及肋梁应力的数据,将试验测得数据与有限元模拟数据对比分析,得到的试验结果与有限元模拟结果变化趋势基本一致,而且混凝土及钢材都在弹性范围内变化。

4 结论

(1)装配式弦支混凝土组合结构,采用四周带肋梁的钢筋桁架叠合板以及H型短钢钢板焊接作为连接件,装配化程度高且整体性好;采用单根撑杆与上部楼板相连,受力合理且传力路径明确。

(2)在施工阶段为了避免单次张拉成形对结构产生永久性破坏,试验采用分级张拉方案,一级张拉对拉索施加预应力较大,由于在一级张拉过程需要克服楼板重力,在一级张拉完成后,为了便于读取试验数据,拉索预应力增加较小。

(3)在施工阶段叠合板之间靠H型短钢连接件相连,连接件是保证施工阶段成败的关键。在施工过程中,H型短钢钢板连接件均处于弹性工作阶段,且张拉完成后,组合结构满足在施工阶段跨中最大位移限值要求。

(4)采用Midas/gen有限元软件能较好地模拟试验,有限元模拟结果与试验结果接近,由于试验构件材料性能未能达到理想状态以及试验构件尺寸存在误差,因而有限元模拟结果比试验结果偏大。