钢管混凝土柱施工阶段应力应变研究.pdf

第4 0卷第 1 2 期 2 0 1 3 年 1 2 月 建筑技术开发 B u d i l d i n g T e c h n i q u e De v e l o p me n t Vo 1 4 0 No 1 2 De c 2 01 3 、 、 、 i 技术开发报道i ； 蛤、 蝠、 坷 ； ! f 、 ! 蠕 钢 管 混凝 土 柱施 工 阶段 应 力应 变研 究 王伟 孙忠 邢估慧 蔡斌 ( 1 北京建工四建工程建设有限公 司， 北京 1 0 0 0 7 5： 2 北京交通大学土木建筑工程学院， 北京 1 0 0 0 4 4 ) 【 摘 要】 近年来钢管混凝土柱形成的框架一 核心筒混合结构应用越来越多， 施工中钢管混凝土柱多采用混凝土一次浇 筑完成的工艺施工 ， 混凝土浇筑高度多达到1 0 m以上 ， 钢管柱外壁受力较大， 对于钢管柱外壁钢板在浇筑混凝 土过程中的实际受力情况分析不多， 故采用有限元软件进行施T校核验算 ， 以验证钢管柱在施工过程中的应 力和变形值是否都能满足设计规范的要求。 【 关键词】 钢管混凝土柱； 有限元分析； 应力分析； 应变分析 【 中图分类号】 T U 3 1 2 1 【 文献标志码】 A 【 文章编号】 1 0 0 1 5 2 3 X( 2 0 1 3 ) 1 2 0 0 0 1 0 7 1 工程概况 海 南 大 厦 ， 占地 面 积 2 6 5 0 0 m ， 建 筑 面 积 2 4 4 0 0 0 m ， 由主楼和副楼两部分组成 。主楼 4 5 层 ， 高约2 0 0 m( 结构高度 1 8 0 m) ， 副楼 l 7 层， 高约8 0 m ( 结构高度 6 8 m) ， 两楼之间以四层裙房连接为一个 整体 ， 并在底部设 置一南北贯通 的两层高的商业步 行街 ， 作为主楼的主要出人 口( 见图 1 ) 。 图 1 海南 大厦 2 研究 目的与意义 工程主楼采用矩形钢一 混凝土组合柱 ， 如 图2 所 示 ， 外包钢柱 内设加劲肋 ， 与梁连接处以及层间部位 设有不 同厚度的隔板 。由于组合柱施工 时 ， 每层浇 筑混凝土会放缓施工进度， 但一次浇筑混凝土过高， 又会 因施工时新 浇混凝土产生 的侧压力 、 振捣 以及 收 稿 日期 ： 2 0 1 30 91 5 作者简 介 ： 王伟( 1 9 7 0 一 ) ， 男， 辽宁省绥中县人， 毕业于沈 阳建筑大 学 ， 本科学历 ， 工程师 ， 项 目技 术负责人。 倾倒产生的冲击荷载作用下， 有可能使外包矩形钢 柱局部产生开裂或变形过大 ， 导致影响该建筑结构 的承载力或正常使用功能 。因此 ， 施工方初 步拟定 施工方案为每三层( 约 1 2 m高) 浇筑一次混凝土 ， 为 确保钢一 混凝土柱的安全性 ， 有必要对矩形外包钢柱 浇筑混凝土过程进行施工校核验算 ， 以防止焊接处 可能出现开裂 ， 观察其最大变形及 出现位置 ， 并对此 采取相应的施工设计或施工措施 ， 避免出现破坏。 注： 梁头楼层横隔板3 5 m m 厚， 层间横隔板2 4 m m 厚。 图2 矩形外包钢柱立面示意 设计图纸及相关施工资料表明， 钢一 混凝土柱自 下而上多次变截面 ， 故选取 四个有代表性的截 面尺 寸的外包钢柱分别进行施工浇筑验算 ， 分别为标高 位于 2 1 4 0 0 4 1 5 3 0 m、 4 1 5 3 0 7 8 3 3 0 m、 1 0 2 3 3 0 1 3 5 1 3 0 m、 1 6 3 1 3 0 1 8 9 8 0 0 m时的柱截面尺寸。为 1 第 4 O卷 王伟， 等： 钢管混凝土柱施工阶段应力应变研究 第 1 2期 多数问题 的分析 ， 性能稳定 。对这一过程能较好 的 进行模拟分析 ， 取得可靠的分析效果 。 划分网格后 的有限元模型如 图8 所示。模型坐 标原点位于柱的顶部。 4 钢一 混凝土组合柱施工浇筑荷载分析 4 1 规范中关于模板的荷载 1 ) 模板及其支架 自重 ； 2 ) 新浇筑混凝土 自重 ； 3 ) 钢筋 自重 ； 4 ) 施工人员及施工设备荷载； 5 ) 振捣混凝土时产生 的荷载 ； 6 ) 新浇筑混凝土对模板侧面的压力 ； 7 ) 倾倒混凝土时产生 的荷载。 根据 建筑模板安全技术规 范 表 4 3 2 参 与模 板及其支架荷载效应组合的各项荷载应符合表 1 的 组合 。 表 1参与组合的荷载项 参与组合 的荷载项 模板类型 计算承载能力 验算刚度 平板和薄壳的模 板及支架 1 ， 2 ， 3 ， 4 1 ， 2 ， 3 梁和拱模板的底板及支架 1 ， 2 ， 3 ， 4 1 ， 2 ， 3 梁 、 拱 、 柱 ( 边长3 0 o mm) 、 ( 厚 3 0 0 m m ) 、 墙( 厚 1 0 0m m) 的侧 面 6 ， 7 6 由于柱子体型 巨大 ， 两边长均大于 3 0 0 mm， 所 以参与组合的荷载项应选取表中最后一栏。计算承 载力时是 6 、 7 ， 即新浇筑混凝土对模板侧面的压力和 倾倒混凝土时产生的荷载； 验算刚度计算变形时是 6 ， 即新浇筑混凝土对模板侧面 的压力。 4 2 新浇筑混凝土对模板侧面的压力标准值的计算 混凝土对模板侧面的压力 F的计算分布图如图 9 所示 。 采用 内部振捣器时 ， 新浇筑的混凝土作用于模 板 的最大侧压力 ， 可按下列二式计算 ， 并取二式 中的 较小值。 F=0 2 2 y c t o 。 ( 1 ) F= T H ( 2 ) 其中 ： F一 新浇混凝土对模板的侧压力计算的标准值 ( k N m ) ； y 一 混凝土 的重力密度 ； 一 新浇筑混凝土 的初凝时间 ( h ) ， 可按实测确 定。当缺乏实验资料时， 可采用 计算 t = 2 0 0 (T +1 5 ) ( 7 1 为混凝土的温度 ， c c ) ； 一 混凝土的浇筑速度 ( m h ) ； 一 外 加 剂影 响修 正系 数 ， 不 掺 外加 剂 时取 1 0 ； 掺具有缓凝作用的 l- JJ n N时取 1 2 ； 一 混凝土坍落度影响修正系数 ， 当坍落度小 于 1 0 0 m m时 ， 取 1 1 0 ； 不小于 1 0 0 m m时 ， 取 1 1 5 ； 一 混凝土侧压力计算位置至新浇混凝土顶面 的总高度( m) 。 根据施工方提供的相关数据 ， 本例 中各个参数 的取值如表 2 所示。 表2 新浇混凝土侧压力计算各参数取值 | 参数 y t 0 h 卢 。 卢 ： H m 类别 ( k N m ) ( m h ) 取值 2 4 2 8 1 2 1 1 5 1 2 将各参数代入上面两个公式中， 并分别计算出 各 自的到新浇混凝土侧压力。 按公式( 1 ) 计算得到F的最大值为4 0 9 3 k N m ， 而按公式 ( 2 ) 计算得到的 F： 2 8 6 k N m ， 因此 ， 取 F= 40 9 3 k N m 。 图9中 h为有效压头高度 ， 可按下列公式计算 ： h =F c =1 71 8 m 4 3 倾倒混凝土时产生的荷载标准值的计算 根据 建筑模板安全技术规范 表 4 1 2 ， 倾倒混 凝土时对垂直面模板产生 的水平荷载标准值可按表 3 取值 。 表 3 倾倒混凝土时产生的水平荷载标 准值 向模板内供料方法 水平荷载 ( k N m ) 溜槽 、 串筒或导管 2 容量小 于 0 2 rn 的运输器具 2 容量为0 2 0 8 m 的运输器具 4 容量 为大于0 8 m 的运输器具 6 图9 混凝土侧压力计算分布 注： 倾倒混凝土时产生的荷载作用范围在有效压头高度以内。 3 第 4 O卷 钟海军， 等： 桥面系 保护层裂缝压注环氧树脂处理施工技术 第 1 2期 3 裂缝处理方案 3 1 裂缝的检查和确认 仔细查看裂缝的情况， 确定其长度和宽度， 在裂 缝附近沿裂缝划出标记线 ， 并标明裂缝长度和宽度。 3 2 裂缝表面混凝土的处理 用钢丝刷或角磨机将裂缝走向5 C ll l 宽的范围加 以打磨， 清除水泥浮浆、 松散物、 油污等， 露出清洁、 坚实的混凝土表面。 3 3 固定注射 器基 座 根据裂缝的宽度和长度决定注射基座的位置， 沿裂缝的走 向每米布置三个基 座 ， 裂缝分岔处应有 基座。在注射基座的底部涂上准备好的密封胶， 在 已经确定好的基座位置上粘贴 和固定基座 ， 并将基 座的中心点与裂缝 的中心点结合在一起 。然后在混 凝土的接缝周围处用密封胶密封 ， 以免注射时注射 胶的流失。 3 4 裂缝处的表 面封 闭 在裂缝附近5 e m的范围内用密封胶封闭 ， 厚度 为 2 mm左右 。混凝土剥落或缝宽过大处应经两侧 向内填充 。 3 5注入 注射胶 将注射胶按照供应商产品说明书的比例进行称 量 、 混合和充分的搅拌 以备用 。将注射胶吸入 注射 器 的注射筒 中 ， 吸入 时应注意不要 吸人空气。将 注 射器小心的安装在注射基座上， 并装上加压用的橡 皮筋。橡皮筋的数量应按照注人 的需用增减。如果 注射筒的注射胶在固化前就用完， 应尽快更新装有 注射胶的注射筒继续注入混凝土内。注射器可用丙 酮或酒精清洗干净， 重复使用2 3 次。 3 6注射胶 的 固化 当注射器内的注射液不能再注入裂缝时， 稳定 6 0 9 0 mi n ， 可取下注射器。 3 7混凝土表面磨修 当注射胶 固化 6 h ( 2 5 o C ) 2 4 h ( 2 5 ) 后就可拆 除 固定基座 ， 并用角磨机将 密封胶除去 ， 并加 以磨 平 。 4 结束语 混凝土施工 中没有裂缝是不现实 的， 但是通过 合理选材、 精心设计、 科学管理， 从源头抓起 ， 注重过 程管理 ， 及时将隐患扼杀在摇篮中 ， 对于大幅度减少 混凝土肉眼可见的裂缝是容易实现的。 参考文献 1 王铁梦 工程结构裂缝控制 M 北京： 中国建筑工业出版， 1 9 9 7 2 袁海军， 姜红 建筑结构检测鉴定与加固手册 M 北京： 中国建筑 T I 出版社 ， 2 0 0 3 ( 上接 第6页) - ? 、 ( c ) 验算段3 图2 1 钢一 混凝土组合柱各验算段变形云图 表 8 各验算段最大应力及变形 最大应力 最大变形 是 否满足 验算段 第 一 段层 第二段层 第三段层 | MPa 要求 间 mm 问 mm l司 mm 1 l 3 O 0 - 0 0 8 9 - 0 0 8 0 - 0 0 8 5 是 2 l 8 4 0 O 1 2 3 0 1 1 4 0 1 1 6 是 3 2 5 3 3 O 1 7 7 O 1 6 3 0 1 6 5 是 4 3 4 8 9 0 2 6 7 0 2 4 8 0 2 5 1 是 统 计 结 果 如 表 8所 示 。对 比 表 8和 表 6 ， A B A Q U S 计算结果与 A N S Y S 计算结果基本一致 ， 说 明有限元分析结果正确可信。 6 结论 依据 建筑模板安全技术规范 ( J G J 1 6 2 2 0 0 8 ) ， 建筑工程大模板技术规程 ( J G J 7 4 2 0 0 3 ) 和 混凝 ( d ) 验算段4 土结构工程施工 质量验收规范 ( G B 5 0 2 0 4 2 0 0 2 ) ， 对海南大厦钢一 混凝土组合柱浇筑混凝土过程进行 施工校核验算 ， 可得出如下结论 ： 1 ) 每3 层( 约 1 2 m高) 浇筑一次钢一 混凝土柱时， 外包矩形钢柱的应力和变形值都能满足设计规范的 要求， 因此， 该施工方法安全、 高效、 合理。 2 ) 浇筑过程中 ， 外包钢柱的最大应力出现在横 隔板与纵向加劲肋相交处 ， 此外 ， 外包钢柱钢板面与 纵 向加劲肋 、 横隔板相交处 以及外包钢柱角部焊缝 处 ， 应力相对较大。因此 ， 施工过程 中应注意合理浇 筑和振捣 ， 防止局部应力过大。 3 ) 每 3 层浇筑时 ， 最底部层外包钢柱 的变形较 大 。最大变形值位于外包钢柱长边侧 ， 出现在楼层 横隔板与柱中部横隔板之间。 39