高巨型转换梁叠合浇筑施工有限元分析

赵 领 志

(天津市房屋鉴定建筑设计院，天津 300381)

高巨型转换梁叠合浇筑施工有限元分析

赵 领 志

(天津市房屋鉴定建筑设计院，天津 300381)

采用大型有限元软件对马来西亚某大楼高巨型梁式转换层结构的叠合浇筑施工过程进行了计算分析，分别模拟对比了一次性浇筑完成及采用叠合浇筑依次浇筑的施工方法，研究了施工过程中转换梁、模板支撑和下层梁板结构的内力及变形情况，通过有限元计算的全过程施工模拟，提出采用叠合浇筑法施工时高层建筑梁式转换层结构的模板支撑及下部结构设计和施工建议。

转换梁，叠合浇筑，有限元，应力分析，结构变形

马来西亚某大楼所设梁式转换层位于结构地上第4层，其高度达4.5 m，若采用一次性完成浇筑的方法，会给施工带来很大的问题：首先，如此大量的商品混凝土供应难以保证；其次，转换层巨型构件的自重过大，下部支撑若想安全传递上部荷载，横纵间距将小于0.5 m，这样密集的支撑布置方式是不易完成现场的安装及检验工作的；最后，如此大体积的混凝土施工需多次分层浇筑，连续施工时间过长。

综上所述，针对具体的施工过程，采用大型通用有限元软件ABAQUS建立精细化有限元模型，对转换大梁采用叠合浇筑法的施工过程进行模拟，采用有限元软件对施工过程进行分析的目的，一是为了验算结构整体在施工过程中的安全性；二是找出施工过程中结构的危险部位，局部采取构造措施等，对可能发生的问题进行有效预防，确保施工过程的顺利进行。

1 有限元模型

本文以马来西亚某大楼工程为例，通过大型通用有限元软件ABAQUS来实现实际工程的模拟，结构转换梁高度为4.5 m，考虑到大体积混凝土浇筑的温度控制、混凝土供给能力等因素，决定分3次完成转换梁的浇筑工作，第一浇筑层高度为1 m，第二浇筑层高度为2 m，第三浇筑层高度为1.5 m。在施工过程中，梁下支撑只考虑叠合梁下部h1高度内荷载，上部高度h2的自重和施工荷载由第一次浇筑的h1高度来承受，故按施工阶段不加支撑的叠合梁受弯构件计算，即b×h1=1 000×1 000的简支梁计算。通过对此浇筑方案进行受力验算，各次浇筑的转换梁均能承受第二次浇筑梁的自重及施工荷载，结构整体模型有限元网格划分及转换梁模板和支撑布置如图1所示。

考虑到刚刚浇筑完成的混凝土依然具有部分流动性或刚刚完成初凝，混凝土抗剪强度很低，可以忽略不计，因此在转模型换梁底部的模板表面上直接施加大小为36 690 N/m2的面荷载。转换层结构中的高巨型转换梁自重非常大，属于恒荷载起控制作用的，其计算公式为：1.35×1 m高钢筋混凝土梁的自重+1.4×施工荷载×0.7。图2即是荷载布置的示意图，图中箭头指示出荷载作用的方向。除此之外，整个模型的部件均布置有自重荷载。

2 计算结果

2.1 转换梁首层浇筑

转换梁首层浇筑高度为1 m，模型中使用的是φ48×3.5钢管脚手架，其计算长度为2.402 m，通过计算并查阅GB 50017—2003钢结构设计规范，可知其轴心受压稳定系数为0.331，将厚度低于16 mm的Q235钢的抗压强度设计值215 MPa乘以稳定系数0.331，得到控制强度71.165 MPa。

图3为转换梁首层浇筑完成后支撑体系的应力云图，由图3可以看出，支撑体系的MISES应力最大为65.71 MPa，小于根据规范计算到的钢管控制强度，在施工阶段可以满足设计要求。

图4和图5分别为首层浇筑后下层楼板和混凝土梁的最大主应力图，从图中可以看出，转换梁首层浇筑后支撑下楼板的大部分区域混凝土的最大主应力在1 MPa以下，柱下区域的楼板属于施工中的薄弱区域，其主应力也都在1 MPa左右，最大主应力位置出现在前部电梯井附近，最大值为1.65 MPa，小于转换梁混凝土的抗拉强度设计值1.71 MPa，因此，转换梁首层浇筑后楼板及混凝土梁在施工浇筑阶段的安全性是可以得到保证的。

2.2 第二层浇筑

第二浇筑层高度为2 m，此时考虑第一浇筑层混凝土的承载能力，其弹性模量偏保守地乘以折减系数0.9，第二浇筑层以布置在第一浇筑层大小为70 440 N/m2的面荷载进行模拟。

根据GB 50010—2010混凝土结构设计规范中的规定，当预制层高度不足全截面高度40%时，浇筑叠合层时，不宜拆除模板下的支撑。经过验算，本文预制可以独自承担上部混凝土荷载，但由于脚手架的刚度较大，支撑会抑制预制层的竖向变形，所以支撑所受压力较首层浇筑时略有上升，绝大部分支撑的MISES应力在56 MPa以下，如图6所示，有个别MISES应力超过70 MPa的支撑，由图7可以看出，首层混凝土绝大部分的最大主应力在1.8 MPa以下，不会产生开裂现象，可能出现受拉破坏的部位集中在电梯井局部区域，可以在局部临时增设支撑以及少量的构造配筋分担荷载，防止混凝土受拉破坏。如图8所示，支撑下楼板所受最大主应力最大值为1.60 MPa，小于抗拉强度设计值，混凝土不会产生裂缝。

2.3 第三层浇筑

实际施工中第三层混凝土浇筑施工在第二层浇筑完成20 d后，浇筑高度为1.5 m，第一层混凝土已成形40 d，认为混凝土强度已达标准值，故不再对其弹性模量进行折减。根据本文前述的理论，弹性模量乘以折减系数0.9。此时第一、二浇筑层均被视为预制层，则预制层高度达3 m，为总截面高度4.5 m的67%，第三浇筑层施工前将转换梁下部支撑全部拆除。

从图9中可以看出，第一、二浇筑层的混凝土绝大部分最大主应力在1.16 MPa以下，最大主应力的最大值为1.51 MPa，小于其抗拉强度标准值1.71 MPa；如图10所示，第一、二浇筑层的混凝土最小主应力最大为6.85 MPa，小于其抗压强度标准值14.3 MPa，因此，在第三浇筑层施工过程中，转换层混凝土没有发生破坏，柱群所受第三主应力的最大值仅为5.69 MPa，如图11所示，远远未达其抗压强度设计值，结构的安全性可以得到保证。

3 结语

转换层结构作为高层建筑的关键区域，实际受力状态与设计、施工过程紧密联系，通过ABAQUS软件对马来西亚某大厦高巨型转换梁叠合浇筑施工全过程的模拟和分析，可以得出以下结论：1)高巨型转换梁采用叠合浇筑法施工过程中混凝土和支撑系统在施工阶段均可以满足设计要求，结构整体的安全性可以得到保证。2)转换梁首层浇筑高度及支撑的位置是施工安全的关键，柱下及电梯井等区域的下层楼板属于施工中的薄弱区域，局部应力可能达到混凝土的抗拉强度设计值，因此，应在变化较大区域增加支撑数量并且增加构造配筋。3)采用层叠浇筑法施工，为了优化荷载传递，预制层高度达到总截面高度的67%时即可拆除部分或全部支撑，充分发挥先浇筑部分混凝土的承载能力。

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Finite element analysis of superimposed pouring for the high-giant transfer beam

Zhao Lingzhi

(TianjinArchitecturalDesign&IdentificationInstitute,Tianjin300381,China)

A transfer floor of a high-giant building construction in Malaysia was simulated with finite element software to research the construction of superimposed pouring method. The two cases were calculated and analyzed, one-time puring completed and superimposed pouring. The internal force and deformation of structure, such as transfer beam, supporting system and structure under floor was calculated for comparison. According to the entire process simulation, the recommendations of design and construction for the high-giant building construction transfer floor was been proposed.

transfer beam, superimposed pouring, FEM, stress analysis, structural deformation

1009-6825(2015)16-0069-02

2015-03-27

赵领志(1976- )，男，高级工程师

TU761

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