超高延性混凝土无筋拱壳结构设计与建造

2023-12-27黄永强

建筑结构 2023年24期

张洛, 黄永强,2

(1 华建集团华东建筑设计研究院有限公司，上海 200002；2 上海超高层建筑设计工程技术研究中心，上海 200002)

1 工程概况

竹藤馆是中国第十届花卉博览会三个永久场馆之一,坐落于上海市崇明岛花博园花协展区主轴西侧的竹藤园中[1]。竹藤馆室内的展陈空间主要由一异形形态的拱壳结构提供,如图1所示,其位于竹藤馆的下沉广场,底部与筏板基础相连接。展厅底部跨度为中间大、两端小,最大跨度约为8.3m,最小约为3.5m。展厅平面中心线总长度约34.1m;展厅一端拱高6.5m、另一端拱高约3.1m,中间曲面由端部拱截面从高到低按自由曲线扫略生成。壳体侧面开有不规则的一个门洞及四个窗洞,门洞尺寸高约2.6m、宽约2.4m,窗洞高约1.5m、宽约2.2m。

为了探索结构设计新方法和施工建造新工艺,竹藤馆展厅采用同济大学余江滔团队研发的以聚乙烯纤维为增强材料的超高延性混凝土(ultra-high ductile concrete, UHDC)无配筋建造而成。此材料为工程水泥基复合材料(ECC)中的一种,但其拉伸应变能力可达5%～8%,与钢材的拉伸伸长率基本相当[2]。UHDC的高抗拉强度、高延性为无筋建造提供了可行性,即结构无需配置钢筋,仅通过混凝土材料完成建造便可满足各种设计要求[3-4]。无筋建造免去了钢筋绑扎等繁琐的工序,大幅度提高了建造效率。此外,由于UHDC材料的高强度,也可以大幅度减少壳体厚度,实现“轻薄化”设计。竹藤馆展厅结构系国内首次在建筑结构中完全采用UHDC材料且无配筋建造的案例,此前UHDC多应用于桥梁结构、建筑幕墙与外立面、预制构件连接和结构维修加固等[5-8]。

复杂造型结构、异型结构构件和不规则尺寸构件采用基于传统建筑工业化的大工业生产方式去制造,存在着模板专项专用、资源浪费、耗时耗力的现象,且无法做到按需定制和个性化定制。在这样的背景下,为适应特殊建筑造型的建筑工业化的要求,可将3D打印建造技术应用于此类建筑装饰或结构构件的制造生产中[9]。如在乌镇互联网之光示范项目中,应用3D打印模板对自由形态的壳体结构——智慧亭进行了建造,取得了显著的经济和社会效益[10]。竹藤馆展厅采用3D打印模板作为内侧模板,后续作为内装饰永久保留,同时采取喷射混凝土工艺,使得异形拱壳结构成型更加简单快捷,免去了拆除外模板的工序。

2 UHDC材料设计参数

本项目所采用的UHDC材料配合比见表1,其力学性能参数与普通C30混凝土对比见表2。可以看出,UHDC材料抗压强度略高,且抗拉强度是后者的2.5倍,极大地提高了混凝土的抗拉能力。UHDC材料单轴试件拉伸曲线如图2所示,其拉伸应变能力可达5%～8%,与钢材的拉伸伸长率基本相当,与普通混凝土相比具有较好的抗拉延性。

表1 UHDC材料配合比/(kg/m3)[11]

设计展厅结构时,根据试验数据对UHDC材料本构关系进行简化,拉、压均采用如图3所示的理想弹塑性本构,式(1)、(2)分别为对应的本构方程。

图3 UHDC材料设计本构曲线

(1)

(2)

式中:Ec为UHDC弹性模量;εt为UHDC受拉应变;ft为UHDC抗拉强度设计值;εtu为UHDC抗拉峰值应变,不小于3%;fc为UHDC抗压强度设计值;εc为UHDC受压应变;εm为UHDC抗压峰值应变;εcu为UHDC抗压极限应变,不小于1%。

3 结构设计与分析

结构弹性分析软件采用SAP2000 V21.0.2,采用壳单元模拟展厅混凝土薄壳,壳厚度为75mm。建筑门洞及机电所需的预留洞口在模型中均有体现,以保证分析的准确性。壳体底部通过预留的翻口与筏板基础连接。为保证壳体底部的可靠锚固,配置少量钢筋。结构分析时,不考虑锚固钢筋的作用。

壳体上附加恒载SD主要为保温及建筑面层等的自重,取3kN/m2。洞口的窗台荷载按线荷载加3kN/m。活载按不上人屋面取L=0.5kN/m2。抗震设防烈度为7度(0.1g),特征周期取0.65s,阻尼比取0.05。

3.1 结构动力特性

结构前3阶周期及振型如图4所示,第1阶周期为0.221s,前3阶振形均为壳体入口处的局部振动。模态分析时共取90阶振型,累计质量参与系数均满足90%以上。

图4 结构前3阶振型

3.2 壳体应力分析

各荷载组合工况下展厅壳体最大应力分析结果如表3所示,不考虑温度作用的非地震工况下壳体最大拉应力为1.5MPa,地震工况下壳体最大拉应力为1.8MPa,均小于UHDC混凝土抗拉强度设计值。考虑温度作用时非地震工况下壳体最大拉应力达3.6MPa,出现在展厅底部嵌固端即局部应力集中区域。由此可见,在无须配筋情况下,UHDC材料就能满足竖向荷载以及多遇地震下的强度设计要求,且壳体表面不会开裂。

表3 各主要荷载组合工况下壳体最大应力分析结果

3.3 结构变形分析

荷载标准组合(1.0D+1.0L)下壳体竖向变形云图见图5,壳体跨中最大竖向变形为1.04mm,约为最小跨度的1/3 378。考虑长期作用下混凝土徐变作用,壳体刚度折减0.5,此时壳体最大竖向变形为1.84mm,约为跨度的1/1 902,满足相关规范[12]要求。

图5 荷载标准组合下壳体竖向变形云图/(×10-3mm)

4 弹塑性分析及验证

为了验证UHDC壳的变形能力是否满足要求,采用ABAQUS软件对UHDC壳进行弹塑性分析,材料本构已在第2节给出。此外,对比了UHDC壳和普通混凝土壳在竖向荷载及水平荷载作用下的极限承载能力以及变形能力。最后,将有限元分析结果与样板段试验结果进行对比[13],验证有限元计算的可靠性。

4.1 UHDC壳竖向极限承载能力分析

竖向极限承载力分析时,以1.0D+1.0L为基准荷载值,逐倍增加直至达到极限状态。将壳面所加荷载值与基准荷载值的比值定义为荷载因子,分析得到壳体荷载因子-位移曲线如图6所示。UHDC壳的极限荷载为17倍基准荷载,普通混凝土壳的极限荷载为10倍基准荷载,说明UHDC壳具有更高的承载能力。

图6 竖向荷载因子-位移曲线

图7分别给出了普通混凝土壳和UHDC壳在极限荷载下的竖向变形,最大变形均发生在壳体跨中,普通混凝土壳极限荷载下最大变形约为6.9mm,UHDC壳极限荷载下的最大变形为29.4mm,约为普通混凝土的4.2倍。表明UHDC壳在竖向加载至破坏时,变形能力更强,结构具有更好的延性。图8给出了竖向极限荷载下,UHDC壳的拉应力分布情况,最大拉应力约为4.2MPa,集中在壳体顶部跨中区域,以及壳身洞口边缘区域。

图7 竖向极限荷载下壳体竖向变形云图/mm

图8 竖向极限荷载下UHDC壳拉应力云图/MPa

4.2 UHDC壳水平极限承载能力分析

水平极限承载力分析时,先预先施加1.0D+ 1.0L,然后以展厅自重作为基准值,逐倍加载直至达到极限状态。将壳面所加荷载值与基准荷载值的比值定义为荷载因子,分析得到水平荷载因子-位移曲线如图9所示。水平加载模式下,UHDC壳的极限荷载为9倍基准荷载;普通混凝土壳的极限荷载为3倍基准荷载;说明水平荷载模式下UHDC壳的水平极限承载能力约为普通混凝土壳的3倍。

图9 水平荷载因子-位移曲线

图10分别给出了普通混凝土壳和UHDC壳在极限荷载下的水平变形,最大变形均发生在壳身洞口边缘,普通混凝土壳极限荷载下最大变形约为8.6mm,UHDC壳极限荷载下的最大变形约为27.5mm,约为普通混凝土的3.2倍。说明UHDC壳在水平加载至破坏时,变形能力更强。图11给出了水平极限荷载下,UHDC壳身的拉应力分布情况,最大拉应力约为4.2MPa,集中在壳体端部入口区域,以及壳身洞口边缘区域。

图10 水平极限荷载下壳体变形云图/mm

图11 水平极限荷载下UHDC壳体拉应力云图/MPa

从以上极限荷载分析表明,极限荷载作用下,无筋设计的UHDC壳破坏区域主要集中在壳体的端部区域、洞口边缘以及底部区域。为了提高结构安全度,在这些区域采取构造加强措施。主要包括在壳体底部600mm高度范围内增加壳体厚度,并增加双向配筋。在洞口边缘增加翻口,并加配双向钢筋等。

4.3 有限元分析验证

由于缺少相关新材料、新建造工艺的实际项目参考,在展厅建造前,按实际设计方案与施工方案建造1∶1的实体样板段,并进行竖向和水平加载试验。在竖向50kN的设计荷载下,有限元模拟与试验结果吻合较好,壳体顶部位移几乎一致,约为0.5mm。在水平方向18kN的设计荷载下,有限元模拟与试验结果测得各监测点的水平位移均为4～5mm,且各测点的变形趋势一致。有关样板段试验和有限元分析的详细内容见文献[13]。通过样板段的试验与有限元分析对比,论证了有限元分析方法用于UHDC无筋混凝土壳的准确性,说明了整体模型计算分析的可靠性和建造方式的可行性,且表明该混凝土壳在设计荷载下具有足够的安全度。

5 施工工艺

竹藤馆展厅UHDC无筋壳采用了3D打印模板结合喷射混凝土这种新型施工工艺,可参考的项目案例较少,为保证工程施工质量,施工前制定了详细的施工方案,以及工程质量控制要点。以UHDC喷涂过程为例,制定的质量控制措施以及检验标准,如表4所示。

表4 UHDC喷涂过程中的质量控制措施

竹藤馆展厅UHDC无筋壳施工工艺流程分为以下步骤:脚手架安装,3D打印模板安装、门窗套安装、预埋件安装,保温喷涂、砂浆找平层、涂膜防水,UHDC混凝土喷涂、表面收光、室内防火涂料喷涂、混凝土外涂料等。其中,喷射混凝土分7层喷射完成,前4层每层按15mm左右的厚度施工,后两层按7.5mm左右的厚度施工,最后一层喷射混凝土为完成面,需按设计要求效果慢速喷涂。注意每层需连续喷涂完成,中间不可有冷缝。UHDC壳体室内完工照片见图12。此外,UHDC混凝土的制备也是施工控制要点之一,需要制定专门的投料和搅拌流程,对投料顺序、搅拌时间进行严格控制,使纤维均匀分散,确保UHDC材料的力学性能达到设计标准。