貝雷梁下新型裝配式牛腿設(shè)計(jì)及施工力學(xué)性能分析

屈如意，肖 斌，朱彥飛, 羅童慶, 黃 鶯, 陳昌宏

(1.陜西建工第六建設(shè)集團(tuán)有限公司,陜西 咸陽 712000;2.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065;3.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院,西安 710055;4.西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院,西安 710072)

0 前 言

隨著城市建設(shè)不斷發(fā)展，出現(xiàn)大量具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式的建筑物，但是也給施工帶來了難題。當(dāng)高層建筑高空連廊現(xiàn)場澆筑施工作業(yè)時(shí)，由于懸挑跨度較大無法通過搭設(shè)懸挑型鋼平臺(tái)進(jìn)行支模，采用傳統(tǒng)落地式滿堂支撐架方式耗時(shí)費(fèi)力，且搭設(shè)高度過高，無法確保施工安全性。越來越多的工程采用貝雷梁作為剛性轉(zhuǎn)化平臺(tái)，在剛性轉(zhuǎn)化平臺(tái)上部搭設(shè)模板支架，完成上部結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場澆筑[1]，如圖 1所示。其中圖 2所示的貝雷梁桁架單元是由立桿、上下弦桿以及腹桿組成的桁架體系結(jié)構(gòu)，作為在現(xiàn)澆支架、施工便橋以及公路、橋梁建設(shè)中廣泛應(yīng)用的臨時(shí)結(jié)構(gòu)形式。貝雷梁支撐體系主要由貝雷架、支撐架、加強(qiáng)弦桿、工字鋼、鋼立柱等組成。

圖1 貝雷梁

圖2 貝雷梁桁架單元

有關(guān)學(xué)者做了相關(guān)研究，陳業(yè)偉等人[2]針對廈門市某大型綜合體工程中庭區(qū)域大跨度超高梁板高大模板施工，提出利用貝雷架作為平臺(tái)搭設(shè)扣件式鋼管腳手架支撐的施工方法，并與傳統(tǒng)搭設(shè)超高扣件式鋼管腳手架方法進(jìn)行對比，分析其支撐體系的方案設(shè)計(jì)、施工工藝與安全質(zhì)量控制要點(diǎn)。董開發(fā)等人[1]根據(jù)有限元分析、堆載試驗(yàn)及施工階段現(xiàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)測，對某項(xiàng)目的貝雷架高空支模平臺(tái)進(jìn)行了受力性能研究及分析。齊曉成[3]以實(shí)際工程為例，探討了貝雷架在現(xiàn)澆梁模板支撐體系中的應(yīng)用。以上分析針對貝雷梁進(jìn)行了分析，但針對支撐體系中的支座部分，缺少定量性分析與評估。針對高空大跨度混凝土連廊施工，齊從月等人[4]為提高整個(gè)平臺(tái)支撐體系的安全性和穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了預(yù)埋鋼牛腿板，并利用Midas有限元軟件對支撐體系進(jìn)行模擬。左明[5]以某高速公路互通立交項(xiàng)目施工為背景，采用牛腿貝雷梁支架法現(xiàn)澆箱梁的施工技術(shù)，該技術(shù)通過在墩柱預(yù)埋牛腿的方式降低滿堂支架搭設(shè)高度，有效解決了傳統(tǒng)作業(yè)中支架高寬比不滿足規(guī)范要求、地基處理、支架搭設(shè)及拆除需花費(fèi)較多人工、機(jī)械，尤其會(huì)造成施工工期延長，增加施工風(fēng)險(xiǎn)的問題。

綜上所述，目前帶有大跨度高空連廊的建筑物逐漸增多，而貝雷梁結(jié)合牛腿支座的支撐體系有效解決傳統(tǒng)支撐體系的復(fù)雜性與不確定性。本文設(shè)計(jì)了一種新型貝雷梁的裝配式牛腿，通過ANSYS有限元及現(xiàn)場監(jiān)測分析并計(jì)算分析了其受力特性及可靠性，實(shí)現(xiàn)了裝配化，以期達(dá)到高效、經(jīng)濟(jì)的目的,為高空大跨度多層型鋼混凝土連體結(jié)構(gòu)的新型支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供分析依據(jù)。

1 工程概況

陜西燃?xì)猱a(chǎn)業(yè)研發(fā)與孵化基地(見圖 3)項(xiàng)目位于西安市未央?yún)^(qū)鳳城八路與民經(jīng)一路十字西北角，由A、B、C 3座高層辦公樓組成(見圖4)，辦公樓AB座(主體地上19層，地下3層，框架剪力墻結(jié)構(gòu))，辦公樓C座(主體地上19層，地下3層，框架剪力墻結(jié)構(gòu))，地下車庫(主體地下3層，框架結(jié)構(gòu))；總建筑面積約117 120 m2，地上建筑面積81 100 m2，地下建筑面積36 020 m2。AB座為鋼筋混凝土連體結(jié)構(gòu)，AB座建筑高度為79.85 m，主樓部分結(jié)構(gòu)為型鋼混凝土柱、梁組成鋼骨架；連體部位為型鋼混凝土主梁與鋼筋混凝土連梁連接形成整體，連體結(jié)構(gòu)跨度21 m。本工程貝雷架組合支模體系采用牛腿、組合鋼箱梁及貝雷梁搭設(shè)平臺(tái)，作為大跨度高空鋼-混凝土連廊模板支撐體系的底座，降低了腳手架支撐高度，如圖6所示。通過減少模板支撐體系高度，降低支撐鋼管用量，優(yōu)化施工工藝，降低施工作業(yè)難度，保證施工作業(yè)安全，提高整體經(jīng)濟(jì)效益。陜西燃?xì)猱a(chǎn)業(yè)研發(fā)與孵化基地辦公樓立面如圖 5所示。

圖3 A、B、C三座高層辦公樓全景

圖4 連體結(jié)構(gòu)

圖5 建筑立面

圖6 牛腿貝雷梁支撐體系

2 裝配式牛腿設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

如圖7所示裝配式牛腿模型，矩形孔為抗剪鍵孔，圓形孔為高強(qiáng)螺栓孔，其中抗剪鍵大小為75 mm×30 mm(高×寬)，10.9級高強(qiáng)螺栓直徑為24mm，預(yù)緊力P=225 kN。牛腿端板尺寸1350 mm×750 mm×25 mm(長×寬×厚)，牛腿頂、底水平板厚度均為25 mm，牛腿豎向支撐板厚度30 mm，牛腿外伸長度為900 mm。預(yù)埋板(厚度25 mm)與立柱的連接通過兩種方式共同作用，如圖8所示，抗剪鍵與立柱型鋼焊接；帶彎鉤直鋼筋預(yù)埋于立柱混凝土中。預(yù)埋板安裝完成后如圖9所示。其中，抗剪鍵具有預(yù)埋板與立柱型鋼連接及抵抗豎向剪力雙重作用。構(gòu)件材質(zhì)采用Q355B，彈性模量E=2.06×105MPa，屈服強(qiáng)度fy=355 MPa，設(shè)計(jì)強(qiáng)度f=305 MPa。

圖7 裝配式牛腿

圖8 預(yù)埋板與立柱連接

圖9 預(yù)埋板安裝現(xiàn)場

2.2 牛腿安裝

本文中的支撐牛腿采用裝配式鋼牛腿(見圖 7)，牛腿構(gòu)件較重，施工人員操作高空吊籃至指定高度，塔吊吊裝鋼牛腿下落至安裝位置，施工人員將裝配式鋼牛腿與柱預(yù)埋鋼板上的螺桿用高強(qiáng)螺母連接，擰緊螺母并使用扭矩扳手測量扭矩值至規(guī)范扭矩值以上方可拆除吊裝鋼絲繩，裝配式牛腿裝配效果如圖10所示。

圖10 裝配式牛腿現(xiàn)場

2.3 牛腿支座反力

本文基于SAP2000有限元軟件建立貝雷梁整體模型(見圖 11)，貝雷梁局部應(yīng)力分布如圖 12所示，工字鋼箱形橫梁模型及應(yīng)力分布如圖 13所示。根據(jù)計(jì)算確定支座反力，支座反力如表1所示，其中，F(xiàn)1、F2和F3分別為支座X、Y、Z3個(gè)方向的反力，最大支座反力F3=2 205.52 kN。

表1 牛腿支座反力

圖11 貝雷梁整體模型

圖12 貝雷梁局部應(yīng)力分布

圖13 橫梁應(yīng)力分布

2.4 有限元分析

基于ANSYS軟件簡化分析牛腿應(yīng)力分布規(guī)律。采用10節(jié)點(diǎn)四面體的SOLID187實(shí)體單元(見圖 14)，裝配式牛腿網(wǎng)格劃分如圖 15所示，最大網(wǎng)格20 mm，最小網(wǎng)格2 mm。將本文2.3節(jié)所計(jì)算的支座反力F=2205.52 kN施加于牛腿頂板，荷載面寬度為箱梁寬度，如圖 16所示。計(jì)算所得牛腿部分的Mises應(yīng)力如圖 17所示，牛腿背板Mises應(yīng)力分布如圖 18所示(σmax= 402.5 MPa)。其中牛腿頂板及底板應(yīng)力分布分別如圖 19和圖 20所示，最大應(yīng)力分別為σmax= 196.2 MPa和σmax= 142.5 MPa。牛腿支撐板最大應(yīng)力為σmax= 96.9 MPa。如圖 22所示，牛腿的最大豎向變形Uy=0.38 mm，且根據(jù)應(yīng)力分布結(jié)果可知，牛腿背板的應(yīng)力位于牛腿頂、底位置，考慮到有限元建模的局限性，由此新型裝配式牛腿符合設(shè)計(jì)要求。但抗剪鍵與牛腿背板接觸附近的板件應(yīng)力大于螺栓孔附近應(yīng)力，應(yīng)引起重視，后續(xù)設(shè)計(jì)中可采用局部補(bǔ)強(qiáng)的方案，或盡量增加牛腿支撐板與開孔邊緣的距離。

圖14 SOLID187實(shí)體單元

圖15 牛腿網(wǎng)格劃分

圖16 荷載施加

圖17 牛腿部分Mises應(yīng)力分布

圖18 牛腿背板Mises應(yīng)力分布

圖19 牛腿頂板Mises應(yīng)力分布

圖20 牛腿底板Mises應(yīng)力分布

圖21 牛腿支撐板Mises應(yīng)力分布

圖22 牛腿豎向變形(Uy=0.38mm)

3 螺栓及焊縫校核

3.1 錨固配筋計(jì)算及強(qiáng)度校核

牛腿背板與預(yù)埋板采用10.9級M24高強(qiáng)螺栓連接，荷載選用最大荷載V= -2205.517 kN，偏心距e= 0.35 m(V= 2205.517 kN；M= 2205.5×(0.1+0.25)=753.5 kN.m)。

錨筋的錨固長度la計(jì)算如下：

(1)

公式(1)中：α為錨固鋼筋的外形系數(shù)，取0.14；fy為普通鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取360 MPa；d為錨固鋼筋的直徑，取值25 mm；ξa為錨固長度修正系數(shù)，取1.0。

若采用末端錨板(塞焊)，錨固長度計(jì)算如下：

la=ξalab=0.6×736.8=443 mm

(2)

(3)

公式(3)中：αr為錨固鋼筋層數(shù)的影響系數(shù)，取0.7；αv為錨固受剪承載力系數(shù)，取0.461：αb為錨固彎曲變形折減系數(shù)；z取值1200 mm。

配筋面積As計(jì)算如下：

(4)

其中

根據(jù)公式(3)和公式(4)計(jì)算可得錨固配筋面積As0=23348 mm2，本文所設(shè)計(jì)裝配式牛腿的預(yù)埋板實(shí)配12根直鋼筋和10根剪切鍵As=0.25×3.14×252×12+75×30×10=28387.5 mm2>As0=23348 mm2。

3.2 高強(qiáng)螺栓計(jì)算

高強(qiáng)螺栓單個(gè)螺栓最大拉力如下：

(5)

抗剪件承載力計(jì)算：[Nv]=10×75×30×170/1000=3825 kN > 2205.52 kN

端板承壓計(jì)算：[Nc]=10×25×30×400/1000=3000 kN > 2205.517 kN。

3.3 牛腿焊縫校核

牛腿頂板、底板、支撐板、背板采用E5016焊條，45°“V”型坡口焊接，計(jì)算按照hf=8 mm，荷載選用最大荷載V=-2205.5 kN，偏心距e=0.35 m。焊縫如圖23、24所示。

圖23 焊縫形狀

圖24 焊縫組合截面屬性

依據(jù)GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[7]的第11.2條，本文中增大系數(shù)βf保守取值βf=1.0，根據(jù)如下計(jì)算可知，焊縫滿足強(qiáng)度。

(6)

公式(6)中：σf為按焊縫有效截面計(jì)算，垂直于焊縫長度方向的應(yīng)力,MPa；We為焊縫組合截面按焊縫有效截面計(jì)算的截面模量，取值12 068 222 mm3。

(7)

公式(7)中：τf為沿焊縫長度方向的剪應(yīng)力,MPa；he為對接焊縫的計(jì)算厚度，取值5.6 mm；lw焊縫長度，取值944.4 mm。

(8)

4 結(jié) 論

本文開發(fā)了一種貝雷梁下的新型裝配式牛腿支撐結(jié)構(gòu)，并基于ANSYS軟件定量定性校驗(yàn)了牛腿節(jié)點(diǎn)的可靠性，形成結(jié)論如下：

(1)通過現(xiàn)場施工及計(jì)算分析，采用抗剪鍵與高強(qiáng)螺栓組合的方式實(shí)現(xiàn)貝雷梁下牛腿的裝配化具有較強(qiáng)可行性，所開發(fā)結(jié)構(gòu)方案具有安全、高效的特點(diǎn)。

(2)裝配式牛腿的頂板、底板、支撐板應(yīng)力約為背板的50%，背板應(yīng)力分布相對復(fù)雜。本文中所提裝配式牛腿豎向整體變形較小，滿足可靠性的要求。

(3)抗剪鍵與牛腿背板接觸附近的板件易出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力值大于螺栓孔附近應(yīng)力，實(shí)際工程設(shè)計(jì)中應(yīng)予以重視，可采用局部補(bǔ)強(qiáng)的方案，或盡量增加牛腿支撐板與開孔邊緣的距離。