装配式弦支混凝土组合楼盖施工与力学分析方法研究

张桂田

（山东华邦建设集团有限公司，潍坊262500）

1 前言

装配式弦支混凝土组合楼盖是一种结构系统，它采用预制的混凝土构件和预应力钢索作为主要受力元件，通过模块化的设计和工厂化的生产，实现在现场迅速组装和安装。在力学分析方面，需要研究弦支混凝土组合楼盖的受力特点、结构稳定性和承载能力等关键问题，通过数值模拟与实验验证，为结构设计和施工提供科学依据。

2 施工方法研究

2.1 施工方法的选择

2.1.1 模块化设计与预制构件

弦支混凝土组合楼盖的装配式施工，首先要考虑的是模块化设计和预制构件的使用。通过将楼盖结构划分为适当大小和形状的模块，并在工厂预制构件，可以有效提高施工效率和质量[1]。

2.1.2 基础准备和就位方式

装配式施工中，基础的准备和就位方式至关重要。在选择施工方法时，需要考虑基础的设计和施工要求，包括基础底板的平整度、混凝土浇筑和固化等。

2.1.3 安装顺序和工艺流程

装配式施工的成功与否，还取决于合理的安装顺序和工艺流程的安排。施工方法的选择应考虑到构件的安装顺序，以确保施工的连贯性和顺畅性。工艺流程应明确各个工序的具体要求和要点，包括螺栓连接、芯浇筑、预应力张拉等。在施工过程中，要严格控制工序的顺序，确保每一步施工的质量以及施工安全。

2.2 装配式施工方法的关键技术和要点

2.2.1 模块化设计和构件精度

模块化设计是装配式施工的核心，通过将楼盖结构拆分为适当大小的模块，既提高了施工效率，又方便了运输和安装。此外，构件精度对于装配式施工来说至关重要，构件的准确尺寸和平整度直接影响施工的一致性和精度。一般要求构件的偏差控制在规定范围内，常见的要求是长度偏差不超过±3mm，平整度限差为±5mm/m。

2.2.2 精确的测量和定位

测量和定位是确保装配式施工精度的重要环节。使用精确的测量工具如全站仪、激光测距仪等，对构件的位置进行准确定位，确保各模块之间对位准确。测量误差一般控制在±2mm 以内[2]。在安装过程中，可以使用定位板、标线等方式进行临时定位，保证构件的准确对位。

2.2.3 确保安全和稳定的连接

对于螺栓连接，需要保证螺栓的规格符合设计要求，并严格控制预紧力。预紧力的计算可以采用预紧力系数法，其公式为：

公式（1）中，FP代表螺栓的预紧力，K代表预紧力系数，AP代表螺栓剖面积，P代表螺纹阻力系数。

焊接连接的强度计算可以根据焊缝有效截面面积和焊缝的强度计算公式进行，具体公式可根据焊缝类型和规范选取。其中，焊接电弧能量计算公式为：

公式（2）中，E代表焊接电弧能量，U代表焊接电压，I代表焊接电流，t代表焊接时间。此外，在进行焊接作业时，需要利用公式计算焊缝尺寸，具体公式为：

公式（3）中，W代表焊缝宽度，V代表焊接速度。

2.2.4 施工设备和工艺的优化

合理选择施工设备和工艺，是确保装配式施工质量和效率的关键。例如，起重设备应具备足够的承载能力以及高度控制精度；模板支撑应具备稳定性与可调节性，以适应不同构件的安装需求。工艺优化方面，要考虑施工的流程性和连贯性，合理安排多个施工环节的先后顺序，确保施工的顺畅进行。

3 力学分析方法研究

3.1 结构受力分析方法的建立

3.1.1 结构模型建立

装配式弦支混凝土结构模型，需要考虑各个构件之间的连接方式以及受力传递机制，常见的连接方式包括焊接、螺栓连接等。在建立结构模型时，需要确定结构各个部位的几何形状、材料参数和载荷条件等。几何形状数据可以通过CAD 软件进行建模，材料参数可以根据混凝土和钢筋的材料特性进行选择，载荷条件可以根据设计要求和规范确定。

3.1.2 材料力学性能

装配式弦支混凝土结构通常由混凝土和钢筋组成，所以需要考虑两种材料的力学性能。混凝土的力学性能包括弹性模量、抗压强度、抗拉强度等，这些数据可以通过试验获得，并根据试验结果选择合适的弹性模量和强度值。钢筋的力学性能包括弹性模量、屈服强度、抗拉强度等。

3.1.3 受力计算与公式

当对装配式弦支混凝土结构进行受力计算时，研究人员需要考虑弦支混凝土梁的弯矩、剪力以及截面特性等数据。在进行弯矩计算时，需要考虑梁的跨度、荷载情况和梁的截面特性。其公式为：

公式（4）中，M代表弯矩，代表跨度，FR代表移动平行力系的合力，α 为所选临界荷载作用点的合力，M1临界荷载以左部分力对该点力矩之和。对于连续梁，需考虑各支点处的弯矩影响。可以使用弯矩分布系数法，根据支点处的弯矩系数，通过乘法原理，计算得到各点的弯矩。

剪力计算常用于钢筋混凝土板的设计和分析，其具体公式为：

公式（5）中，V剪代表剪力，q代表单位长度上的荷载，L代表剪力作用长度。

计算截面特性时，研究人员需要考虑梁的截面形状，以及钢筋的位置与布置。其中，矩形截面的抗弯截面模量计算公式为：

公式（6）中，b代表梁的宽度，h代表梁的厚度。

T 形截面的抗弯截面模量计算公式为：

公式（7）中，b1与h1分别代表T 型截面翼缘宽度与高度，b2与h2则代表梁身宽度与高度。

3.2 力学分析方法数值模拟与验证

3.2.1 数据收集

收集装配式弦支混凝土结构设计和施工所需的数据，包括结构的几何形状、材料参数、受力情况和加载条件等。例如，收集梁的截面尺寸、支座位置、截面钢筋布置等数据（详见表1）。

表1 装配式弦支混凝土结构数据

基于上述数据，研究人员可以尝试建立结构模型，分析该结构的力学特点。

3.2.2 结构模型建立

在建模过程中，准确地绘制结构的各个部分，建立准确的装配式连接模型[3]。这可能涉及到连接的刚性和结合方式，如焊接连接或螺栓连接（如图1 所示）。

图1 装配式弦支混凝土结构模型

将结构模型导入数值分析软件（如ANSYS、ABAQUS 等），进行后续力学分析。

3.2.3 数值模拟分析

（1）结构建模

研究人员使用CAD 软件或其他建模工具，绘制装配式弦支混凝土结构的几何模型。

（2）网格划分

根据结构的几何形状和精度要求，在结构模型上进行网格划分。网格的划分应足够细致，以精确地描述结构的几何形状和应力分布。网格划分可以使用直线网格划分方法，或自动生成网格工具进行。

（3）材料定义

根据混凝土和钢筋材料参数，定义相应的材料属性。包括混凝土的弹性模量、抗压强度、抗拉强度，以及钢筋的弹性模量、屈服强度和抗拉强度等。在有限元分析软件中，采用相应的材料模型和参数进行材料定义。

（4）边界条件和加载条件定义

根据构件的受力情况以及加载条件，定义结构边界条件与加载方式。对于弯矩加载，使用相应的加载方式施加于结构模型的相应位置。对于剪力加载，施加相应大小的剪力载荷到适当的位置[4]。定义边界条件，如固定支座或约束点等。

（5）运行有限元分析

根据定义的模型、网格、材料和加载条件，运行有限元分析。在分析过程中，有限元软件将计算结构的应力、变形和响应。

（6）结果解读和优化

根据有限元分析的结果，解读结构的应力分布、变形情况和稳定性。如果所需，可以根据分析结果进行结构的优化。

4 结论和展望

4.1 主要研究结论总结

基于分析结果，得出了以下主要研究结论：

第一，通过数值模拟分析，相关研究人员能够获得装配式弦支混凝土结构的应力分布、变形情况和稳定性表现。这些分析结果可以提供对结构的受力特性的详细理解，为结构设计和优化提供重要参考。

第二，通过结果验证的比较，相关研究人员发现数值模拟的结果与实验数据或理论预测具有一定的一致性。这表明相关研究人员所建立的模型和采用的数值方法对装配式弦支混凝土结构的分析是可靠和有效的。

4.2 对未来研究方向的展望

第一，进一步优化和改进模型的建立和分析方法，以更准确地描述装配式弦支混凝土结构的力学行为[5]。未来的研究可以探索更精细化的模型建立方法，包括考虑材料的非线性行为、大变形和接触问题等。

第二，深入探究结构连接的特性和性能，研究不同连接方式对结构力学性能的影响。未来的研究可以探索不同连接方式的性能，包括机械连接、钢筋混凝土连接、粘接等，并通过实验和数值分析揭示连接在结构中的力学行为。

第三，扩大研究范围，考虑不同的加载情况、工作条件和环境因素对结构的影响。未来的研究可以进一步研究这些加载条件下结构的响应和性能，并针对特定工况下的结构进行优化设计和耐久性评估。

第四，结合可持续发展和绿色建筑的理念，进一步研究装配式弦支混凝土结构的节能、减排和可持续性，推动其在实际工程中的应用。未来的研究可以关注结构的能耗、碳排放等环境指标，并探索新型的建筑材料和设计理念，以提高结构的能源效率和环境友好性。