混凝土施工技术及有限元分析

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目前建筑行业解决大跨度混凝土建筑刚度不足、结构开裂问题的常用方法有三种，其一是施加预应力使楼盖产生反向内力，达到抵消弯沉、防止开裂的效果，但是增加了工程量；其二是使用由高强度轻质材料组成截面形式的楼盖，在减轻自重的同时又能提高刚度，但是成本较高；其三是将上述两种技术的优势相结合，其中应用效果较好的是装配箱混凝土空心楼盖。当然，要想真正发挥装配箱混凝土空心楼盖的应用效果，必须要落实精细化的施工管理。在工程设计环节，借助于特定的软件开展有限元分析，对施工参数进行优化，完善设计方案；在工程施工环节，从模板工程、钢筋工程以及混凝土工程等各处细节上加强技术控制，保证工程高质量建设完成。

1工程概况

某博物馆总建筑面积47056.1m2，总高度24.8m，共6层。其中负1层为地下室，地上5层。该建筑主体部分为钢筋混凝土框架结构，耐火等级II级，抗震设防烈度8级。根据功能不同，分为大厅、展览区、办公区、休息区四部分。其中，大厅与展览区上方屋盖统一采用装配箱混凝土空心楼盖体系。前者跨度为35.5m×7.2m，后者跨度为43.3m×10.5m。受力钢筋选择HRB400，混凝土强度等级为C40，预制装配箱的顶板与底板上，均布置φ4mm双向冷拔钢丝网。装配箱混凝土空心楼盖主要由3部分组成，分别是装配箱、钢筋骨架、密肋空腔楼盖。

2装配箱混凝土空心楼盖的施工技术

2.1施工准备

组成预制装配箱的所有构件都必须执行严格的进场检验。检验人员除了要核对构件的数量、类型、规格外，还要检查产品有无生锈、裂缝等质量问题，对于存在瑕疵的不得使用。装配箱构件入场后，使用起重机完成吊装。为保证吊装作业的稳定性和安全性，需要提前在地面上放置两条直径为60mm的钢管，将2条钢管分别置于装配箱构件的左右两侧、距离边缘100mm的位置[1]。然后使用钢丝绳分别连接钢管，最后启动起重机将装配箱构件缓缓吊起。整个吊装装置见图1。

2.2施工流程

完成现场施工准备工作后，开始铺设底板模板，并依次完成模板检查、布设装配箱位置线、粘贴密封胶条等一系列工作，整个施工流程见图2。

2.2.1布设模板，标记装配箱位置线

本次工程中经过计算确定起拱高度为总跨度的1/500。底板模板铺设完毕后，进行质量验收。确保模板对齐，接缝处无明显裂缝，在通过验收的底模板上弹出肋梁边线，作为下一步放置装配箱时的参考。弹线作业前，施工人员还需要重新核对轴线尺寸，经检查不存在问题后再进行弹线。使用记号笔在装配箱暗箱所在位置划线，提高箱体放置精度。

2.2.2粘贴密封胶条，涂刷脱模剂

本次施工中，选择已经弹出的肋梁边线作为参照物，垂直该线向内移动25mm，粘贴海绵双面胶条[2]。海绵胶条填塞完成后，检查底模板与箱体底板固定是否牢固，经检查确定符合施工要求后，在底模板与箱体底板上分别涂刷脱模剂。涂刷前注意清洁模板、底板表面的杂物，保证干净后再使用毛刷蘸取适量的脱模剂，按照相同的方向涂刷。注意防止出现脱模剂流挂的现象，每个作业面均匀涂刷2次，然后进行下一步骤的施工。

2.2.3安装箱体底板，绑扎钢筋

由于装配箱的底板和顶板受力情况不同，因此的箱体配筋布置也有所差异。现场布设钢筋时必须要根据图纸，分别绑扎顶、底板的钢筋，见图3。现场施工按照先绑扎钢筋、后放置板体的顺序，要求所有板必须对准已经画好的标记线。吊装的装配箱构件在下放时，在塔吊操作人员和现场施工人员的沟通、配合下匀速、准确放置。底部的外边缘需要与肋梁边缘线完全重合。装配箱就位前，施工人员再次检查密封胶条是否牢固，以及有无破坏情况。装配箱的底板、底板外伸筋与肋梁之间通常选择绑扎方式固定。对于外伸到肋梁底筋下方的底板钢筋，必须要采取向内折弯处理，并且折弯半径需要严格设计要求，避免弯曲度过大而导致肋梁主筋移位。为保证装配箱混凝土构件的性能达标，需要在肋梁主筋、箍筋安装时，设置一定厚度的保护层。其中，垂直方向上的保护层厚度较大，为25mm；侧向保护层的厚度偏小，为10mm[3]。在肋梁钢筋安装作业中，要求将底板预留锚固钢筋与肋梁主筋牢牢固定，两者的构造见图4。

2.2.4放置侧壁，浇筑混凝土

本次工程中使用的装配箱侧壁为玻镁板，其主要成分为高纯氧化镁、优质氯化镁、抗碱玻纤布等，在实际应用中表现出良好耐火性、耐腐蚀性。工程中使用的玻镁板主要有2种型号，即2440mm×1820mm×12mm和1820×900mm×6mm。其主要性能参数见表1。侧壁安装结束后，根据装配箱的施工图纸，继续进行顶板安装。现场施工人员注意检查顶板预留钢筋是否平直，然后使用工具将预留钢筋做成向下的弯钩，并与肋梁主筋连接、固定。整个装配箱的楼盖施工顺序见图5。

2.2.5混凝土的养护与模板的拆除

根据设计好的配合比现场制备混凝土，混凝土经检查无质量问题后开始浇筑作业。按照垂直于主龙骨的方向有序浇筑，肋梁位置处的混凝土在浇筑厚度达到50cm后，立即使用插入式振捣器予以振捣。振捣作业中注意必要触碰到装配箱的底板与侧壁。为避免混凝土水分过快蒸发出现干缩裂缝，应当在浇筑至标高后使用塑料薄膜进行覆盖。然后进行不少于28d的养护，养护期结束后检查混凝土性能，等到实测强度达到设计强度的95%以上后即可拆除模板[4]。模板的拆除作业必须遵循“先支后拆、后支先拆，先拆不承重、后拆承重”的原则，保证混凝土结构的稳定性。

3装配箱混凝土空心楼盖的有限元分析

3.1基于ANSYS软件的模型构建

本次工程选择土木行业常用的有限元分析软件ANSYS进行模型构建并展开分析。其中，构建模型主要分为3步：第一步是定义单元类型。选择ANSYS软件中的Solid70单元，该单元适用于岩石、混凝土等抗压能力远大于抗拉能力的材料开发，根据设计需要能够模拟混凝土自身以及混凝土内部钢筋的拉裂、压溃情况。从Solid70单元中选择整体式配筋模型，在该模型中钢筋被均匀分布到整个单元中，因此可以将单元看做成连续的、均匀的材料。在此基础上选择以下公式表示该单元的刚度矩阵[K]：第二步是定义材料参数。根据施工设计方案输入材料参数，例如长跨、短跨的数值，楼盖结构的高度，以及装配箱尺寸、肋梁的截面尺寸等。第三步在前两步的基础上构建模型。可选择的模型构建方法有映射网格划分法、自由网格划分法。本文选择后一种，可适用于一些结构比较复杂的模型，保证网格划分满足拓扑关系，提高模型精度。划分网格后，还要赋予各单元的属性，并设置边界条件以及施加荷载。

3.2模型的有限元分析

在模型上施加一个4kN/m2的均布面荷载，模拟装配箱混凝土空心楼盖在正常使用状态下的受力情况。可以发现该模型各处部位在垂直方向上发生位移。其中，最大位移出现在跨中位置，位移量20.3mm；最小位移出现在柱位置，位移量-2.6mm。参考《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010），楼盖等受弯构件实际跨度＞9m时，其垂直方向的位移极限不得超过L/300。本次工程中最大跨度78.8m，所以该模型在垂直方向上允许的最大位移为78.8/300=0.263m，即26.3mm，而模拟分析中最大位移量为20.3mm＜26.3mm，故该装配箱混凝土空心楼盖在正常使用状态下的垂直位移符合规定中的安全要求[5]。

4结论

现代大跨度建筑中使用装配箱混凝土空心楼盖，具有减轻结构自重、保证结构稳定、提高施工效率等一系列优点，因此得到了广泛使用。在正式施工前，应使用ANSYS软件构建装配箱混凝土空心楼盖的三维模型并展开受力分析，根据分析结果优化结构和参数，在此基础上完善施工方案。在实际施工中，还应强化质量控制，围绕整个施工流程，对其中的装配箱底板与顶板安装、混凝土浇筑与养护等关键工序，加强技术管控，才能确保装配箱混凝土空心楼盖的高质量施工完成。

参考文献

[1]张俊腾,杨祁,袁亚芳,等.装配箱混凝土空心楼盖的技术和经济性分析[J].福建建筑,2020(1):46-47.

[2]林大伟.建筑工程中现浇混凝土空心楼盖施工技术分析探究[J].中国设备工程,2021(8):118-119.

[3]林振霖.装配箱现浇混凝土空心楼盖技术应用———以福州正祥广场工程为例[J].福建建筑,2020(1):7-9.

[4]张家波,饶大全.浅析现浇混凝土空心楼盖施工技术建造研究与应用[J].建筑技术开发,2020(5):117-118.

[5]林相春.建筑工程薄壁方箱现浇空心楼盖技术应用研究[J].中国建设信息化,2020(24):20-22.

作者:陈莎丹 单位:浙江省东阳市南方建筑工程有限公司