关于混凝土叠合梁浇筑方案的研究

李旭 王东 孙武卫 彭博 刘运龙

(1.昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500； 2.云南博晖房地产开发有限公司 昆明 650500)

0 引言

随着建筑行业的飞速发展，我国出现了大量主楼带裙房的高层建筑，这样的建筑一般设置转换层在上下结构功能发生变化的部位，由于梁式转换层受力明确、设计和施工简单，使得其应用最为广泛[1]。为解决大体积混凝土梁施工问题，采用现浇二次受力叠合梁的施工方法[2]。王磊等[3]进行叠合梁试验，结果表明叠合梁的极限承载能力比整浇梁低，但接近整浇梁的承载能力。常鹏等[4]经过有限元模拟，得出叠合梁第一阶段加荷产生的预压区可抑制第二阶段斜裂缝开展。王鹏等[5]经过对叠合面混凝土应力的仿真分析，推导出叠合面混凝土应力的计算公式。

本文根据理论分析和有限元软件模拟，对比整浇梁支撑体系的跨距和步距得以改进，确定适宜的先浇高度，待混凝土养护龄期下的强度和刚度满足要求后，可提前拆除梁下支撑，达到施工便利的同时，又能提高经济性。

1 工程概况

某集商场、办公和住宅为一体的综合建筑，地上22～24层，裙楼5层，地下1层，塔楼A、B座各22层，C座24层，第5层为结构转换层。工程总建筑面积43 852.3 m2。结构安全等级为二级，采用部分框支剪力墙结构，设计使用年限50年，耐火等级为一级。工程在第5层转换层设置转换梁截面尺寸为：500 mm×1 500 mm，梁全长 9 m，钢筋等级为HRB400，C40混凝土，浇筑完混凝土后养护28 d拆除梁下支撑，梁下支撑采用碗扣式脚手架，连墙件设置为二步三跨，由于支撑位于第5层，故不考虑风荷载影响，梁底设3道支撑，间距0.3 m，支撑钢管类型选择Q235，尺寸φ48.3 mm×3.5 mm，支撑架自重8 kN/m2，模板自重1.5 kN/m2，施工均布荷载标准值2 kN/m2。

2 梁下支撑计算方式

《建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ 166—2016)[6]规定，对碗扣式脚手架进行计算，可根据计算公式(1)计算立杆的轴力设计值，然后可采用计算公式(2)对立杆进行稳定性的验算。

N=1.2(∑NGk1+∑NGk2)+1.4NQk

(1)

式中，NGk1为立杆由架体结构及附件自重产生的轴力标准值总和；NGk2为模板支撑架立杆由模板及支撑梁自重和混凝土及钢筋自重产生的轴力标准值总和；NQk为立杆由施工荷载产生的轴力标准值。

γ0N/φA≤f

(2)

式中，γ0为结构重要性系数，脚手架安全等级为I取1.1，安全等级为II取1.0；N为立杆的轴力设计值，N；φ为轴心受压构件的稳定系数，根据立杆长细比λ按规范附录C取值；A为立杆毛截面面积，mm2；f为立杆的钢材强度设计值，N/mm2。

2.1 整体梁浇筑时梁下支撑承载力分析

碗扣式脚手架搭设要求立杆横距1.2 m，根据脚手架荷载纵距可为1.2 m、1.5 m、1.8 m和2.4 m，步距为1.8 m和2.4 m。为了大体积混凝土梁整体浇筑的安全，跨距和步距都按0.9 m、1.2 m 和1.5 m考虑，不同跨距和步距组合下的单肢立杆轴力设计值和稳定性结果如表1所示。

计算单肢立杆轴力设计值，由于梁下设有横向间距为0.3 m的3道支撑，因此以立杆的纵横向间距按0.9 m×0.3 m考虑，整体梁浇筑的钢筋混凝土自重为30 kN/m3，则单肢立杆的轴力设计值N=1.2×(8+1.5+30×1.5)×0.9×0.3+1.4×2×0.9×0.3=18.41 kN。

验算立杆稳定性，以跨距和步距均按0.9 m计，计算长度l0=kμh=1.155×1.55×0.9=1.611 m，立杆计算长度附件系数k取1.155，连墙件设置二步三跨的立杆计算长度系数μ取1.55，λ=1.611×103/15.9=101.33，查《建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ 166—2016)附录C得到稳定性系数φ=0.570，求得σ=65.45 N/mm2。

从表1的数据可知：当梁下支撑的跨距为1.2 m、步距为1.5 m和跨距为1.5 m、步距为1.5 m，立杆稳定性的验算结果均超过了Q235钢材的屈服强度设计值205 N/mm2。跨距的增大会导致单根立杆的轴力设计值随之增大，不同步距的变化导致立杆长径比发生变化，造成轴心受压构件的稳定性不同。要提高支撑整体的稳定性，就要减小立杆的步距或减小支撑上部荷载，而减小支撑上部荷载可采用叠合梁分层浇筑法。

2.2 叠合梁分层浇筑时梁下支撑承载力分析

采用叠合梁分层浇筑时，本文选择多个先浇截面高度进行对比。《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(2015年版)中规定，先浇高度h1与梁总高度h之比h1/h≥0.4[7]。因此对应1 500 mm的梁高，选择先浇截面的高度为600 mm～900 mm，模数为100 mm。

由表1得出整体梁浇筑的梁下支撑，步距取0.9 m的立杆稳定性验算结果与屈服强度值差距较大，因此采用叠合梁分层浇筑时，先浇梁高设置以下4种高度，采取梁下支撑跨距分别按 0.9 m、1.2 m和1.5 m，步距分别按1.2 m和1.5 m，计算立杆稳定性的结果见表2。

表1 立杆稳定性验算

表2 不同先浇高度立杆稳定性验算 N/mm2

从表2的数据可知，先浇截面高度选择4种高度，跨距取0.9 m、1.2 m和1.5 m与步距取1.2 m和1.5 m的各种组合，稳定性验算结果均能够满足立杆屈服强度设计值205 N/mm2。对比表1和表2的数据，跨距取1.5 m，步距取1.5 m，采用整体梁浇筑，应力值为272.22 N/mm2，已经发生失稳；采用叠合梁浇筑，对应的应力值为130.23 ～173.43 N/mm2，相比屈服强度应力减小了31.57 ～74.77 N/mm2。

3 叠合梁模型

3.1 建模目的及本构关系

为得到混凝土叠合梁分两层进行浇筑在第一阶段和第二阶段分别出现变形的最大位移值，采用ANSYS中单元生死功能对叠合梁浇筑成型过程进行模拟。模拟过程中设置相应的两个荷载步，第一个荷载步是对先浇梁的求解，第二个荷载步是对叠合梁的求解，最终可得到两个阶段下变形的最大位移值，作为分析是否存在安全隐患和提供改进梁下支撑的条件。

本文模拟选取的混凝土本构关系模型是Rüsch模型，相比较Hogenestad模型不同的部分是混凝土受压时的下降段变为平直段，混凝土单轴受压应力应变采用MISO模型。钢筋采用HRB400级钢筋，受压时钢筋强度可视为无限大，受拉时经历弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段四个阶段，可采用多线性随动强化模型中的MKIN来描述钢筋的本构关系。

3.2 单元类型及模型选择

使用ANSYS模拟现浇钢筋混凝土叠合梁，首先要确定模拟混凝土和钢筋的单元类型。用Link8单元模拟钢筋，用Solid65单元模拟混凝土[8]。在使用Solid65模拟混凝土的时候，混凝土开裂的剪力传递系数βt=0.5，裂缝闭合的剪力传递系数βc=0.95，混凝土泊松比ν=0.2，破坏准则采用Willam-Warnke五参数破坏准则[9]，网格划分大小为100 mm。

利用力学中结构对称受力的特点，取梁长度为4.5 m、截面尺寸为250 mm×1 500 mm进行分析。建立叠合梁模型的先浇筑截面高度可按表2中的梁高进行选取，原设计的混凝土强度等级为C40，考虑到分析不同混凝土等级对叠合梁的影响，因此增加C35和C45两个混凝土的强度等级进行叠合梁的数值分析。叠合梁建模将模型分为先浇部分和后浇部分，叠合面形式采用自然叠合面，弹簧刚度取1.574×107N/mm[10]。

3.3 模型及结果

叠合梁的模型如图1所示，图2所示为C40混凝土叠合梁先浇高度h1=600 mm的变形云图。

图1 叠合梁模型

由图2的变形云图中可以得出当混凝土强度为C40，先浇高度为600 mm，第一阶段最大位移为2.551 mm，第二阶段最大位移为3.104 mm。按照同样方法得出C35和C45混凝土在不同先浇高度情况下的最大位移，并绘制两个阶段下，不同混凝土强度和最大位移关系的线性图，如图3所示。

(a)第一阶段

(b)第二阶段

(a)第一阶段位移

(b)第二阶段位移

由图3可知，最大位移随着混凝土的强度提高而减小。由于第一阶段的受荷发生了变形，在第二阶段受荷以后，导致整个叠合梁的变形增大。从图中可看出最大的位移是在第二阶段，采用先浇截面为600 mm的C35混凝土叠合梁，位移处于安全范围内，没有超过混凝土设计规范所规定的L/250(9 000/250=36 mm)。

3.4 改进梁下支撑拆除时间

以上的模拟是以28 d龄期的混凝土轴心抗压强度为基础进行的，如要进一步节省时间提前拆除梁下支撑，混凝土的强度不再是28 d龄期的混凝土轴心抗压强度，以下内容基于数值模拟分析对叠合梁不同先浇高度和拆除梁下支撑的时间进行分析。通过试验统计资料和文献[11]可知，随养护龄期的增长，混凝土的抗压强度与弹性模量变化基本保持一致。按混凝土的强度和刚度同比例增长考虑，C35、C40和C45混凝土抗压强度百分比为80%～90%的养护龄期如下，C35：80%为12 d、90%为16 d；C40：80%为8 d、90%为14 d；C45：80%为 7 d、90%为12 d。

由叠合梁的变形分析可知，叠合梁的变形云图在混凝土不同强度的情况下是相似的，选择C35混凝土作为最不利分析情况的最大位移。叠合梁4种不同先浇截面高度在混凝土强度百分比逐渐增大的情况下，出现的变形位移分为第一阶段和第二阶段，并且随着混凝土强度百分比的增大，变形位移呈现出不同的走势。因此在两个阶段下，绘制混凝土强度百分比与位移的关系图，如图4所示。

(a)第一阶段位移

(b)第二阶段位移

由图4可知，先浇截面高度小于700 mm 的叠合梁在混凝土达到轴心抗压强度的90%后变形才趋于稳定；先浇截面高度不小于700 mm 的叠合梁在混凝土达到轴心抗压强度的80%后变形才趋于稳定。因此，先浇截面高度小于700 mm的混凝土强度应达到混凝土轴心抗压强度的90%后可以进行拆除梁下支撑，C35混凝土为16 d、C40混凝土14 d、C45混凝土为12 d；先浇截面高度大于等于700 mm可以在混凝土强度达到轴心抗压强度的80%后拆除梁下支撑，C35混凝土12 d、C40混凝土为8 d、C45混凝土为7 d。

4 结论

(1)对于大体积梁下支撑的跨距和步距，分别采用整体梁浇筑和叠合梁分层浇筑，选择同样的跨距和步距，采用整体梁浇筑时发生失稳，而采用叠合梁分层浇筑，能够达到立杆稳定性的要求。

(2)以本文1 500 mm高的梁为例，跨距取1.5 m，步距取1.5 m，采用叠合梁分层浇筑，先浇高度范围选择在600～900 mm，立杆稳定性满足要求，实际工程中一般跨距和步距均按比计算值小的间距设置，故使安全性得以保障。

(3)采用叠合梁分层浇筑，对于梁的先浇截面高度和混凝土强度等级的不同，针对不同的情况，对梁下支撑的拆除时间也不同。通过分析后得出，1 500 mm高的叠合梁先浇截面高度范围适宜选择700～900 mm，在混凝土强度达到轴心抗压强度的80%后，即C35混凝土12 d、C40混凝土为8 d、C45混凝土为7 d时，可拆除梁下支撑。