企口叠合梁在装配式建筑中的应用与思考

刘 军，杨 松

(1.中建八局深圳科创发展有限公司,广东 深圳 518000; 2.中建八局南方公司设计研究院,广东 深圳 518000)

0 引言

早在1994年曾有学者对企口连接进行了研究,得出了企口干式连接[1]的特点。魏文晖等[2]对单齿柱和企口梁连接节点进行了研究,发现了该节点具有良好的抗震性能。马文浩等[3]对端部设钢企口的预制梁进行了分析,提出了企口搁置处采用加劲板补强的建议。随着装配式政策和技术的大力推广,大量重载物流园仓储项目引入企口做法装配式建造技术。如先张法预应力预制整浇混凝土框架体系[4-5]预制叠合梁中采用企口梁[6-9]做法,采用高强钢筋及预应力技术节省了材料用量,优化了节点做法,提高了施工便利性,也缩短建造工期。企口叠合梁快速发展的同时也带来较多安全问题,我们需要引起重视,因此有必要开展对企口叠合梁的研究与复盘。

1 项目概况

国贸物流海口仓储项目位于海口保税区老城开发区,建设用地面积约为7万m2,规划总建筑面积约为12.2万m2,由A,B两栋仓库、装卸平台及盘道等组成。其中A,B栋为装配式钢结构建筑,卸货平台及盘道采用“先张+后张”预应力技术,层高为12 m。卸货平台模型与现场如图1所示。

本工程抗震设防烈度为8度(0.2g),设计地震分组为第二组,抗震设防类别丙类,50年基本风压0.75 kN/m2,本工程楼面活载设计值见表1。

表1 楼面活载取值 kN/m2

在施工巡场中发现预应力叠合次梁搁置长度偏小,引起了工程师对预应力叠合梁企口部位安全的担忧和思考,图2为预应力企口叠合梁搁置长度的实况。

2 汽车吊楼面作业分析

2.1 楼面等效均布活荷载分析

本工程拟采用75 t汽车吊上二层楼面作业,吊装第三层大跨度预应力叠合框架梁(倒T梁)(见图3),截面为T850×2 300,其单拼质量约31 t,具体参数见表2。

表2 汽车吊参数

75 t汽车吊在二层楼面行走时支腿收起,前轮单轮轮压为5 t,荷载作用面为200 mm×300 mm;后轮双轮轮压为6.5 t,荷载作用面为200 mm×600 mm。

当荷载作用面长边平行于板跨时,简支板上荷载的有效分布宽度如图4所示。

楼板局部荷载的有效分布宽度b可由式(1)—式(4)[10]计算:

当bcx≥bcy,bcy≤0.6l,bcx≤l时:

b=bcy+0.7l

(1)

当bcx≥bcy,0.6l≤bcy≤l,bcx≤l时:

b=0.6bcy+0.94l

(2)

bcx=btx+2s+h

(3)

bcy=bty+2s+h

(4)

楼板上局部荷载的等效均布荷载可由式(5)计算:

qe=8Mmax/(bl2)

(5)

其中,l为板的跨度;bcx为荷载作用面平行于板跨的计算宽度;bcy为荷载作用面垂直于板跨的计算宽度;btx为荷载作用面平行于板跨的宽度(轮胎接地宽度);bty为荷载作用面垂直于板跨的宽度(轮胎接地长度);s为垫层的厚度,取10 mm;h为板的厚度;Mmax为楼板的最大弯矩。

75 t汽车吊楼面作业时楼面等效均布活载计算结果如表3所示。

表3 楼面等效均布活载

由上述可知:75 t汽车吊上楼面作业时,楼面等效均布活载约为35.1 kN/m2,前轮与后轮荷载符合荷载作用面长边垂直于板跨的情况,本工程设计卸货平台楼面活荷载为40 kN/m2,故75 t汽车吊上楼面作业行走安全[11]。

2.2 汽车吊支腿反力分析

本工程最不利工况为汽车吊吊装倒T主梁(长度24.3 m),由预制尺寸为250 mm×1 650 mm双拼而成,单拼构件自重31 t,含吊钩32 t,采用50 mm×400 mm×500 mm矩形管,材质为Q355B,作为汽车吊支腿承压面,前腿搭设在次梁上,后腿压在主梁上。刚性支撑方案示意图如图5所示。

汽车吊上二层楼面吊装作业时,支腿通过钢梁转换到预制次梁上,支腿荷载可由式(6)计算:

N=∑P/4±[M·(cosα/2a+sinα/2b)]

(6)

其中,∑P为吊车自重及预制梁自重,楼面吊装时,吊车自重为46 t,配重为22.4 t,最重主梁含吊索具32 t,吊装时整体质量100.4 t;M为起重力矩;α为起重臂与车身夹角;a为支腿纵向距离,a=6.31 m;b为支腿横向距离,b=7.7 m。

根据不同吊装角度,对最不利工况下支腿反力进行计算,汽车吊在楼面吊装次梁作业时,最不利为工况3和工况4(工况3与工况4为对称关系),结果详见表4。

表4 不同工况下支腿反力

2.3 楼面作业最不利工况分析

工况3是吊装就位前某个时间段,此时单个支腿最大荷载N1撑在次梁上,另一支腿N3支撑在主梁上,支腿位于1根次梁上时为最不利情况,考虑1.3的动力放大系数。偏于保守计算,吊车支腿压力按集中力,次梁按两端简支计算,工况3如图6所示。

工况4是起吊回撤某个时间段,此时单个支腿最大荷载N1和N2撑在次梁上,考虑折算一半到主梁上,N3和N4撑在主梁上,考虑1.3的动力系数,实际采用50 mm×400 mm×500 mm矩形管将支腿反力传递至主梁上,工况4如图7所示。

依据工况3与工况4计算简图可以得到如下数据,如表5所示。

表5 最不利工况分析结果

根据以上分析可知:1)工况3时平台二层企口叠合次梁扣除恒载外设计抗弯承载力MR>M,故企口叠合次梁满足施工时的支腿荷载承载能力要求。2)工况4时平台二层主梁扣除恒载外设计抗弯承载力MR>M,且余量较大,满足施工时的支腿荷载承载能力要求。3)实际吊装中支腿下方垫50 mm×400 mm×500 mm矩形钢管,钢梁架于两根次梁上,单个支腿荷载会根据支腿位置情况分配到两根次梁上,次梁受到的集中力会偏小。

3 企口叠合梁施工中的思考

预制企口叠合次梁间距为2.8 m,标准跨度11.5 m,截面250 mm×1 080 mm,叠合后挑头总高为580 mm,计算活荷载28 kN/m2,施工阶段梁端剪力设计值Fv=200 kN,使用阶段梁端最大剪力设计值Fv=800 kN,理论设计搁置长度180 mm,根据现场实际施工情况,按最小搁置100 mm进行验算,预应力叠合主梁、次梁见图8。

3.1 搁置点局压分析

企口叠合梁预制部分混凝土强度等级均为C50,企口叠合次梁参数详见表6。

表6 企口叠合次梁局压参数

考虑可能存在的不利因素,承压系数取0.9,由局压公式可知:长度为11.5 m的企口叠合次梁搁置长度大于100 mm时,搁置点局压承载力满足规范要求。

3.2 结合面接缝抗剪分析

根据75 t汽车吊,次梁附近最大支腿力(考虑动力系数1.3)为650 kN,保守考虑该支点力全部由一根次梁承担,集中力距离梁端4.8 m,荷载简图如图9所示。

由图9可知吊装三层平台预制梁时,次梁一端产生的最大剪力为492 kN。考虑吊机上二层楼面吊装时,可由式(7)[12-13]验算梁端结合面1截面抗剪安全性:

Vu=0.07fcAcl+1.65Asd(fcfy)0.5

(7)

其中,Acl为叠合梁端截面后浇混凝土叠合层截面面积;fc为混凝土轴心抗压强度;fy为垂直穿过结合面钢筋抗拉强度设计值;Asd为垂直穿过结合面所有钢筋的截面面积。

考虑到三层平台吊装时,二层平台强度不得低于设计强度的75%[14],垂直穿过结合面钢筋的截面面积仅计入现浇层内纵筋。因挑头底承压承载力N1=520 kN,由上式可知梁端接缝抗剪承载力设计值Vu=303 kN,总的抗剪承载力设计值V=303+520=823 kN远大于492 kN;故汽车吊上楼面作业安装三层预制梁时,二层预制次梁端部抗剪承载力满足要求。

3.3 叠合梁截面抗剪分析

因存在预制与后浇结合面,按图示断面1(如图10所示)进行端部不利截面的正截面抗剪验算,不考虑预制梁端粗糙面对界面抗剪的有利作用,仅考虑叠合层的混凝土、穿过该计算截面的钢筋及梁端底部搁置点的支撑力。

搁置长度大于100 mm时,满足正常使用阶段的安全要求,但承载力富余较少,建议对搁置长度为100 mm～150 mm的梁,梁侧板内或箍筋内增加附加抗剪钢筋,抗剪钢筋穿过主梁伸出15d。

按图示断面3进行端部不利截面斜截面计算,挑头内已增设钢板抗剪件,可按型钢混凝土梁计算式(8)[15]考虑。

V=0.7ftbh0+fyvAsvh0/s+0.58fatwhw

(8)

其中,b为梁截面宽度;h0为梁截面有效高度;Asv为箍筋全截面面积;tw为钢板厚度;hw为钢板宽度;ft为混凝土轴心抗拉强度设计值;fyv为箍筋抗拉强度设计值;fa为型钢抗拉强度设计值。

由式(9)可知叠合梁斜截面抗剪承载力满足设计要求,挑头抗剪承载力不受搁置长度变化的影响。

3.4 叠合梁端部补强措施

预制次梁在主梁上搁置长度约为100 mm～150 mm时,为使其在施工阶段和使用阶段均满足要求,宜对梁端进行抗剪补强处理,企口叠合次梁详图如图11所示。

为弥补搁置不足所产生的承载力下降,拟采取以下补强措施:1)考虑到部分梁端在支墩上产生偏置,在修补支墩缺口后可能存在接触面受力不均匀的情况,建议每个次梁端头附加抗剪钢筋。抗剪钢筋配置在预制次梁叠合面及两侧各200 mm宽的楼板内,应横跨主梁并伸入次梁或楼板不小于400 mm。2)当局压不满足时,由于梁端预应力的作用,防治局部脆裂可以在叠合梁企口处底部增设钢板[16],截面为-400×250×20,施工便利对构件无损伤。

4 结语

企口叠合梁在装配式建筑中的应用越来越广泛,文章以国贸物流海口仓储项目为例,从汽车吊楼面作业分析到企口叠合梁施工中的思考分析得出:1)大型汽车吊上楼面作业须引起设计、施工的重视,重点关注汽车吊行走和吊装时不同工况下对梁板的受力影响,必要时可采取有效的临时补强措施。2)企口叠合次梁底筋采用不入支座内的做法,便于生产、运输和吊装。为保证接缝的抗剪要求,构件加工时须做好粗糙面或键槽,叠合梁现浇层宜附加抗剪钢筋。抗剪钢筋配置在预制次梁叠合面及两侧各200 mm宽的楼板内,应横跨主梁并伸入次梁或楼板不小于400 mm。3)由于梁端预应力的作用,防治局部脆裂在梁端采用设置垫块(钢板)是一种较好的解决局压措施,其施工便利性好且无损伤。进一步为企口叠合梁在装配式工程应用提供数据支撑。