高层建筑时变力学分析与混凝土施工关键技术研究.pdf

第 22 卷 第 7 期2023 年 7 月中国建筑金属结构CHINA CONSTRUCTION METAL STRUCTUREVol22 No7Jul2023450 引言随着各地经济发展、城市化进程的加快，人民群众对物质与精神生活需求的不断提升，建筑结构形式与规模日趋多元化，各类大跨度、长悬挑、超高层等复杂结构的建筑在市场越来越多。其中，高层建筑、超高层建筑往往是一个区域的象征，此类建筑能全面反映出该区域的经济实力与科技水平，而在城市用地日益紧缺的今天，开发高层建筑更是受到房地产开发商的青睐。根据相关数据统计，在全球范围内，已经有超过 40 栋建筑高度超过 400 m 的超高层建筑，高层建筑数量更是数不胜数。为规范此类工程的施工，全面提升工程质量，石雪洁1以某高层结构建筑为例，通过引进机器视觉技术对现场施工过程中的危险区域进行识别。魏斌乾2从外围护结构入手，对施工过程中的蒸压加气混凝土板进行承载力计算，根据板材在建筑结构的承载效果，提出了对应的施工质量控制方法，以此种方式，为高层建筑围护结构的规范化施工予以技术层面的帮助。以谢秉鑫3引进了脚手架施工技术，对此项技术在高层建筑工程项目中的应用展开了研究，为相关工程的实施积累了大量经验。根据现有研究成果可知，科研小组与施工方已经投入了大量资金与人力用于开展此方面的研究，为进一步深化高层建筑施工，下述将以某高层结构建筑为例，对其施工展开设计与研究。1 项目实例分析1.1 工程模型概况为保证工程项目的顺利施工，施工前，利用 BIM 技术，在计算机中建立高层结构建筑模型，根据已知数据与现场基本情况可知，此模型为一个结构相对简单的 15 层建筑，该建筑的结构为钢筋混凝土结构，建筑工程结构模型简图如图 1所示。在此基础上，应明确此建筑模型的外框架无论是在横向方向上，或是在纵向方向上，均为 4 跨，其中横向方向的跨距为 5m，纵向方向的跨距为 4m。此建筑结构的总高度为 45.6m，底部结构的层高为4.5m，其他层均为标准层，层高为 3m。在对此项目进行研究中发现，建筑的梁结构对应截面面积为 500mm250mm，对应的柱结构对应截面面积为500mm500mm，设计中为满足建筑结构的承载力需求，所有的梁柱结构均使用 C30 混凝土施工。根据现场工程方的统计，对建筑不同结构的荷载进行分析，经过分析后发现，屋面的荷载为 5kN/m2、屋面的荷载为7kN/m2。为确保构建的建筑工程结构模型在实际应用中可以满足预期，参照工程项目结构施工图纸，辅助计算机中的 Midas/Gen 软件，先进行结构中梁、柱等基本结构的建模，在此基础上，利用软件中自带的三维梁单元，对整体结构进行模拟，并集成若干个单元结构。集成过程中，需要保证建筑结构的楼板、剪力墙等基础的平面结构可以与整体结构之间发生单元交互。同时，参照混凝土结构设计规范等相关文件，设定建筑工程项目所在环境的温度为 25，平均湿度为 75%，在确保结构设计满足基本要求与标准的基础上，模拟施工过程中混凝土结构的收缩系数、增长系数，以此种方式，实现在施工前，对高层结构建筑的建模分析。1.2 建筑工程项目施工中的时变力学分析在常规的结构力学分析中，结构的受力体系是已知的，并且在分析过程中不会发生任何的变化，也就是结构的几何形状和刚度等不会随着时间的推移而改变。与此同时，外部载荷作用也会保持一个相对固定的状态，所以在计算时，一般都是将荷载一次性作用在结构上。通过此种方式分析得到的结构体受力过程称之为一次加载法，此过程如图 2 所示。作者简介：王峰（1984-），男，硕士研究生，研究方向：房地产开发与管理。高层建筑时变力学分析与混凝土施工关键技术研究王 峰（广西地产集团有限公司，广西 南宁 530000）摘 要：为了达到提高高层建筑施工质量的目的，本文以某高层建筑为例，分析建筑在施工中的时变力学，并通过介绍某高层建筑施工关键技术研究内容，提出了一种通过深基坑施工、混凝土配合比设计、浇筑前准备、大体积混凝土浇筑施工，实现高层建筑施工的观点。研究结果表明，新的施工技术可以有效提高高层建筑施工质量。关键词：高层建筑；时变力学；混凝土施工中图分类号：TU973.2 文献标识码：ADOI：10.20080/ki.ISSN1671-3362.2023.07.016图 1 建筑工程结构模型简图技 术 46中国建筑金属结构2023 年图 2 一次加载法分析建筑结构体受力此种方法计算简单，但应用范围受限，无法进行结构受力的动力学分析。因此，引进时变力学数值求解方法，展开此方面内容的进一步分析。以一个单榀框架结构的 4 层建筑为例，对其施工受力过程展开分析，假定根据施工的次序，对结构进行了逐层施工，施工时可以将其分为 4 个子结构，每一个子结构只有顶层承担了垂直荷载，任何楼层的内力是由其后各子结构在该楼层所产生的内力进行叠加而得的。此过程如图 3 所示。子结构1子结构2子结构3子结构4图 3 时变力学分析方法根据上述内容，对建筑结构中第 i 层构件所受到的内力进行计算，计算公式为：41iijjFF=（1）式中：Fi表示建筑结构中第 i 层构件所受到的内力；j 表示建筑结构中第j个子结构。在持续受力的条件下，可以按照式（2）计算建筑结构的竖向方向位移。41iijjdd=（2）式中：di表示建筑结构中第 i 层构件的竖向方向位移。假设荷载作用力完全作用在第 j 个子结构上时，子结构中第 i层构件存在最大竖向位移与最小竖向位移，分别可以表示为maxijd、minijd，在此种条件下，中第 i 层构件最终竖向变形差可以用ijd表示为：maxminijijijddd=（3）按照上述方式，完成基于时变力学分析的建筑受力条件下竖向变形差计算。2 深基坑施工针对上述高层建筑对其进行深基坑施工，在基坑的两侧有两条既有市政道路，其中围护结构的上部为已经完成建设的道路挡墙，下部为采用双排抗滑桩、冠梁结构开挖后加锚索固定的结构4。因为在此之前，已经完成了抗滑桩、冠梁和基坑内的大部分土石方开挖工作，所以在进场之后，需要挖掘的深度是 5.48m，局部是 8.08m。根据基坑的开挖深度、周边环境和地勘报告等，决定在基础边坡使用土钉墙进行支护。为确保工程安全，在土钉墙结束后，在其内侧再加一层毛石混凝土墙5。图 4 为该高层建筑施工项目基坑开挖顺序图。开挖开挖开挖开挖土方开挖临时通道出土方向出土方向图 4 高层建筑施工项目基坑开挖顺序图按照图中的顺序进行土方开挖。开挖时采用反铲挖掘机，并为其配备 10 辆自卸载重卡车。当基坑挖到 500 mm 以下的时候，测量员抄取 500 mm 的水平线，在基坑底部打上水平标高的小木桩，并在基坑内部抄取多个参照点，拉通线进行平整，预留的300 mm的土层，用手修平6。为避免对持力层造成干扰，在基底施工结束后，必须及时进行封堵。基坑开挖后，应及时浇筑地面混凝土，以避免坑底隆起和冒顶。3 大体积混凝土施工3.1 混凝土配合比为确保大体积混凝土施工满足工程设计规范和相关要求，合理配置混凝土材料。在配置时设计一种首选配合比方案和一种备选配合比方案，如表 1 所示。表 1 大体积混凝土施工材料配合比No材料名称首选配合比方案（kg/m）备选配合比方案（kg/m）1水泥2002102水1801753石子8508204沙子9209005外加剂 I8.58.16外加剂 II42.041.007矿渣100808粉煤灰110100表 1 中首选配合比方案的矿渣掺量较高，依据混凝土施工规范要求，当粉煤灰与矿渣掺量占总凝胶材料的三成以下，矿渣对于降低水化热效果与粉煤灰相比更加显著7。按照上述首选配合比方案，完成对混凝土试件的制作，并对其进行 28d、60d 强度测试和抗渗性能测试，在确保材料各项指标满足表 2中要求时，将其应用到施工中。表 2 大体积混凝土施工材料各项指标要求记录表No项目（单位）指标1坍落度损失（mm）552坍落度扩展度（mm）500 5503坍落度（mm）180 2004泌水率（L/m）125入模温度（C）12 156压力泌水率比（%）857初凝时间（h）1247第 7 期中国建筑金属结构3.2 浇筑前准备在浇筑前需要完成对冷却管的布置。选用外径为 30mm，壁厚为 2.2mm 规格的冷却管。冷却管之间的间隔距离为 120cm，其中第一道距离地基顶部 150cm，第二道距离地基底 150cm。将水管网安装在钢筋支撑的大梁上，并将水网固定在大梁上，防止水管网变形，或在混凝土浇筑时出现接头脱落。在管道安装好之后，还要进行水压试验，确保管道通畅，不会出现漏水的情况8。为了满足混凝土内部温度降低要求，在浇筑前需要使水在冷却管中的流速控制在 0.5m/s 左右，进一步得出流量应为：QVA=（4）式中：Q 代表流量。V 代表流速。A 代表冷却管的横截面面积。水泵的功率为：1.2/(3600)PQHgh=（5）式中：P 代表水泵功率。H 代表扬程。g 代表重力加速度。1.2/(3600)PQHgh=代表水泵效率。冷凝水在管中停留的时间为：SVt=（6）式中：S 代表管的总长度。t 代表水在冷却管当中停留的时间。在确定冷却管的布置方式后，为了保证后续混凝土浇灌的连续性，需要商品混凝土生产商优先确保大体积混凝土的浇筑施工。为了保证在浇筑的过程中不会出现冷缝，综合考虑搅拌站到施工现场的距离、运输车辆车速、行走路线等因素，合理制定搅拌运输方案。通常情况下，在浇筑的过程中若设备出现机械故障问题，则需要另外联系一台臂架泵设备、一台车载泵和十辆混凝土运输车作为备用。结合施工现场的经验，每台泵的平均每小时浇筑量为 35m，结合下述公式可以计算得出每台泵车所需最少的运输车辆：11()tQLNTVS=+（7）式中：N 代表每台泵车所需最少的运输车辆。Q1代表泵的输出。V 代表每台车的容量。L1代表往返距离；S 代表运输车辆的行驶速度。Tt代表每台车辆的总停歇时间。3.3 大体积混凝土浇筑施工在完成上述准备工作后，进行大体积混凝土的浇筑施工。在施工过程中，预计使用 5 套混凝土泵，包括 1 套 56m 机动泵和 4 套 HBT60 混凝泵。在混凝土浇筑的时候，要确保有足够的混凝土供给，并且要有 1 台汽车泵，根据混凝的初凝时间和浇筑状况，及时地对裂缝进行养护，防止出现冷缝。在混凝土浇筑时，采用二次振捣技术。图 5 为大体积混凝土的浇筑顺序图。图中 1 5 为五台泵，其中 1 号泵主要负责南侧条基和抗水板区域，2 号泵主要负责北侧条基和抗水板区域，3 5 号泵同时集中浇筑核心区域。混凝土采取斜面分层、推移式连续浇筑的方式，分层施工，一次浇筑厚度为 50 cm，上层混凝土的浇筑应先于下层初凝，并有专人监督，防止冷缝产生。在浇筑的过程中需要注意，对混凝土的振捣需要采用插入式的振捣棒。振动点排列成 500mm500mm 的形状，以避免振动漏泄。在对混凝土进行振动时，不能使用振捣棒对钢筋进行振动，振动棒与模板之间的距离应为 20 cm。在混凝土初凝前，应及时对表面进行二次振捣。由于该工程的混凝土初凝时间为16.5h左右，因此二次振捣必须在混凝浇筑完毕后12h才能进行。二次振捣对于混凝土的抗裂性有很大的影响，特别是对于混凝土的抗裂性，众多的工程实践表明，在混凝土浇筑完毕但尚未凝固的时候，需要进行二次振捣，这样可以提高混凝土的密实度，可以将混凝土的抗压强度提高 15%，并且可以有效地防止裂缝的出现。4 结论本次研究以某高层结构建筑为例，对其时变力学与混凝土施工展开研究，通过本次的研究，得到如下几个方面的结论：（1）明确了高层结构建筑施工中的混凝土施工步骤，为实现对施工技术方案的优化，在后续的研究中，应加大对配合比设计的优化，进一步完善浇筑前的准备工作，以规范浇筑作业。（2）尽管本次研究基于理论层面具有一定的实用价值，但要实现此方面工作的进一步优化，还需要结合本次研究的成果，以某工程为试点，将其投入使用，通过此种方式，为完善高层结构建筑施工予以帮助、指导，以此为高层结构建筑建造积累经验。参考文献1 石雪洁.基于机器视觉技术的高层建筑施工现场危险区域识别方法 J.佳木斯大学学报(自然科学版),2023,41(03):104-107.2 魏斌乾.高层装配式建筑外围护结构蒸压加气混凝土板承载力计算和施工质量控制 J.建筑技术,2023,54(08):922-926.3 谢秉鑫,王璐楠,李文博.附着升降脚手架施工技术在高层建筑项目中的应用 J.中国建筑金属结构,2023,22(05):52-54.4 张军.土木工程施工中混凝土浇筑施工技术的应用 J.中国建筑金属结构,2023,22(05):85-87.5 杨正华.边坡高层建筑施工中基坑排桩方案的优化及分析 J.科技通报,2023,39(06):74-77.6 李文展,王兴伟,鞠新强,等.道路 SMA 沥青混凝土面层施工质量控制 J.中国建筑金属结构,2023,22(05):106-109.7 王颢霖.混凝土结构施工技术在土木工程建筑项目中的应用研究J.中国建筑金属结构,2023,22(02):24-26.8 王俊铭,陈林鸿.关于装配式钢筋混凝土结构吊装施工质量控制的分析 J.中国建筑金属结构,2023,22(02):147-149.23451图 5 大体积混凝土浇筑顺序图