预制混凝土路面板水平通孔吊装力学行为及验证_柯文汇.pdf

收稿日期：基金项目：湖北省住建厅科技计划项目（）；武汉市政工程集团科技计划项目（）作者简介：柯文汇（），男，湖北阳新人，高级工程师，工学博士，：。第 卷第期 年月长安大学学报（自然科学版）（）柯文汇，周然，方明镜，等预制混凝土路面板水平通孔吊装力学行为及验证长安大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：预制混凝土路面板水平通孔吊装力学行为及验证柯文汇，周然，方明镜，陈一鸣，王潇（武汉市市政建设集团有限公司，湖北 武汉 ；武汉理工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 ）摘要：针对预埋件吊装预制构件不能很好满足装配式混凝土路面的几何连续及可重复使用问题，设计采用一种新型通孔吊装方式，即水平外伸钢筋网架法吊装路面板。通过测试不同配筋混凝土路面板通孔吊装应变响应，验证通孔吊装方式的可行性。采用有限元软件 和测试数据，分别建立和验证路面板三维数值模型，并分析不同尺寸的预制混凝土路面板水平通孔吊装力学行为。研究结果表明：当混凝土路面板（长、宽、高分别为、）采用平面四点通孔吊装时，吊装方向和垂直吊装方向的配筋率分别从 和 降到 和 （极限配筋）下，自重和常规吊速使得板底、板顶分别产生约 的拉、压应变。吊装全过程路面板混凝土均处于弹性变形阶段，未开裂破坏。路面板通孔吊装结构受力大小与通孔吊距及路面板尺寸呈正相关，且混凝土与钢筋在吊点处应力集中现象明显。为防止集中应力引起混凝土开裂，建议在应力集中区域对钢筋网做局部加密，并选用较粗钢筋（如钢筋直径）作为吊装主筋，以降低钢筋与混凝土咬合部位集中应力。同时，通孔吊装宜优先选择长边起吊，且吊距不宜大于。当路面板采用通孔吊装方式需要减配钢筋时，宜先减配垂直吊装方向钢筋。研究结果可为预制混凝土路面板或类似构件采用通孔平吊的结构尺寸设计、配筋布置以及吊点布设等提供参考。关键词：道路工程；装配式路面；预制混凝土板；吊装；力学行为；数值分析；试验验证中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，（），（）（）（），（），（），：；引言装配式结构作为建筑领域践行绿色发展理念的重要着力点，已成为全球研究热点。同时，相比传统建筑施工模式，装配式结构施工方式发生了重大转变，特别是预制构件的吊装贯穿了装配式结构的各个施工环节，包括脱模起吊、养护翻转、存放易位、运输吊装及现场装配等。预制构件的吊装设计与吊装施工成为装配式结构从设计到成品实施全过程的重要环节。然而，当前仅 混凝土结构设计规范（）提供了预制构件吊装设计参考方案，并且对预制构件的吊装结构受力研究较少。因此，如何结合不同装配式结构及不同吊装方式的受力特点，对预制构件的结构尺寸、配筋布置及吊点位置进行优化布设，为预制构件吊装设计与施工提供参考是当前装配式结构发展中亟需解决的问题。一般而言，预制混凝土构件有平吊和立吊种吊装方式。对于水平预制构件，多采用平吊，其最不利荷载发生在脱模起吊阶段；对于竖向预制构件，多采用立吊，其力学性能与安全性能较好。汪中林等研究了异形预制构件吊装行为，指出异形预制构件在布置吊点时应先确认构件重心，再根据重心位置结合构件几何外形确定吊点数量及吊装方法，其研究解决了异形预制构件重心位置及安全吊点数量的确定问题。赵国辉等研究了超大预制构件吊装应力及预埋件选用方法，指出对于大跨度预制梁的吊点设置以及吊装验算应首先考虑吊装附加弯矩的影响，再根据预制梁的高跨比、吊装角度计算确定合理的吊点位置，解决了长大预制构件多点吊装及荷载计算问题 。尹锦明等对预制构件吊装应力进行了数值分析，研究得出当板块尺寸不超过 时，其拉应力值不超过 ；当板块尺寸较小时，可不配置吊装受拉钢筋，优化了预制构件配筋设计问题 。郑艺杰等研究了预制构件吊装施工的荷载取值、计算模型等问题，得出对于预制梁、板的吊装，可通过对相应构件承载力和抗裂能力计算，验算预制构件的吊装安全性；对于剪力墙的吊装验算，可通过有限元模拟验算过程，解决了预制构件的吊装荷载验算问题。姚一辰等建立有限元模型对叠合板进行吊装仿真模拟，并分析了各因素对叠合板受力性能的影响，研究得出针对小于 的 叠 合 板 底 板，其 安 全 起 吊 悬 臂 长 度 取；针对大于 的预制板，需增加吊点。第期柯文汇，等：预制混凝土路面板水平通孔吊装力学行为及验证现有文献表明，对预制构件吊装性能的研究多采用预埋件吊装，且主要侧重于房屋建筑等方面。对道路工程领域，预埋件吊装方式存在一定局限性。因为预埋件需在路面板表面增设吊装孔洞，而吊装孔洞的存在破坏了路面板表面几何连续性，对行车影响较大。同时，预制混凝土路面板与房屋建筑领域预制构件相比，其多为较薄的矩形结构，需采用平吊方式吊装路面板，便于拼装和减少翻转，且预埋件对预制构件的厚度及安装工艺有严格要求，预埋件的固定施工也相对困难。为简化预埋件施工工艺，等采用待混凝土浇筑后或硬 化后钻 孔埋入 预埋 件 的 方 式 进 行 施工，但这些都增加了预制构件的施工环节和复杂程度。此外，预埋件需要安装在路面板中部，其位置多为行车轨迹下方，不论采用对预埋件切除还是预埋孔洞填充修复方式均降低了路面板行车舒适性，影响了路面板重复利用及换板维修的可操作性。因此，预埋件吊装在装配式混凝土路面领域的适用性较低。随着装配式混凝土路面应用愈加广泛，为降低采用预埋件吊装对装配式路面平整度及连续性的破坏，发挥装配式路面快速铺装及重复利用的优势，笔者提出一种新型平面通孔吊装方式，即外伸主受力筋平面排架法吊装混凝土路面板。这种吊装方式将路面板的吊装孔槽布设在路面板外侧，减少预埋件对路面板表面整体性与连续性的破坏，并且吊装钢筋位置固定方便、不需拆除与养护作业，拼装完成后的路面需要处理的孔槽更少。当前，关于预制混凝土路面板水平通孔吊装方面的相关研究鲜有报道。鉴于此，本文通过对不同配筋路面板通孔吊装试验，测试预制混凝土路面板通孔吊装力学行为，并结合有限元数值分析方法，揭示路面板通孔吊装结构行为规律及特点，为预制混凝土路面板采用通孔平吊的尺寸设计、配筋布置以及吊点优化布设等提供技术参考。路面板水平通孔吊装理论与方案设计 吊装方式比较预埋件 吊 装 是 将 吊 装 构 件 埋 设 在 预 制 板 内部，依靠预埋件的抗拉强度完成预制构件的吊装方式。通孔吊装是在预制板内部布设钢筋网，将主受力筋延伸至路面板外侧作为吊装构件，依靠外伸钢筋的抗弯强度完成路面板的吊装方式。预埋件吊装力学性能较好，适用各种预制构件的吊装，但需在路面板表面埋设预埋件，预埋孔洞的存在破坏了路面板表面连续性及整体性。同时，预埋件固定施工较为困难，路面拼装完成后，不论采用对预埋件切除还是预埋孔洞填充修复方式均降低了路面板重复利用及换板维修的可能性。通孔吊装路面板孔槽设置在预制构件外侧，减少了预埋件对路面板表面整体性与连续性的破坏，并且，吊装钢筋位置固定方便、不需拆除与养护作业，拼装完成后的路面需要处理的孔槽更少，适用于对平整度及 连 续 性 要 求 较高的 装 配 式混 凝 土 路 面板。预埋件吊装和水平通孔吊装种形式对比，如图所示。图两种预制构件吊装方式 水平通孔吊装理论可行性分析预制混凝土构件采用通孔吊装，省去了预埋吊环施工步骤，减少了预埋件对预制构件表面连续性与平整度的破坏。同时，通孔吊装孔槽设置在预制构件外侧，拼装完成后的路面需要处理的孔槽更少，适用于对平整度及连续性要求较高的装配式路面板。同时，通孔吊装作为非传统水平吊装方 式，旨在 防 止脱 模 后 起 吊 过 程 吊 筋 弯 曲。通孔吊装钢筋直径由材料力学公式推算得出，计算如 图（）所 示，通 孔 吊 装 安 全 防 护 措 施 如 图（）所示，即 （）式中：为通孔吊装钢筋直径（）；为吊装钢筋抗弯强度设计值（）；为受弯节点弯矩最大值（），弯 矩，其中为力 矩长度（），为吊装绳索拉力（）。路面板结构尺寸与吊装方案设计路面板结构设计尺寸为 （长）（宽）（高），总质量约，由式（）计算吊装钢筋直径不应小于。安全起见，吊装钢筋选用市场中直径 钢筋。路面板配置单层钢筋网，构造筋直径，以横筋距板底 为标长安大学学报（自然科学版）年图通孔吊装示意 准。不同通孔吊装路面板的配筋率见表，对应配筋布置方案如图所示。路面板配筋率计算如下（）（）式中：为配筋率（）；（）为受拉或受压区纵向钢筋截面面积；为受压受拉截面面积。表通孔吊装路面板配筋率变化 配筋方案吊装方向配筋率 垂直吊装方向配筋率 备注方案 正常配筋方案 减配吊装方向钢筋方案 减配吊装方向钢筋方案 减配垂直吊装方向钢筋方案 减配垂直吊装方向钢筋方案 减配钢筋方案 减配钢筋方案 仅配置通孔吊装钢筋与吊装保护筋注：通孔吊装钢筋参与配筋率计算；钢筋减配时，仅减配构造钢筋。图通孔吊装路面板配筋布置方案 对于吊点位置，由赵国辉等，对预制板吊点设计研究可知，当采用四点起吊时，吊点距板端约 时吊装受力最优，为板长。路面板正常吊装时，使用长边吊装，通孔吊距，吊点距板端 ，约为 ；为验证水平通孔吊装的可行性，本次吊装试验采用最不利长边，通孔吊距，吊点距板端，约为 。预制路面板构造与吊装设计如图所示。其中：外伸钢筋为吊装钢筋，其他为构造钢筋。有限元数值模型根据上述路面板设计方案构建有限元数值分析模型。根据设计规范和文献 、文献 ，建立 混凝土塑性损伤本构模型，钢筋处于弹性变形阶段，材料基本参数如表所示。路面板选用实体单元，赋 予 混 凝 土 塑 性 损伤参数；构造钢 筋选用 单元，吊装钢筋需承担弯拉应力，选用 单元，钢筋网架用 嵌入混凝土板单元中。吊装时不考虑惯性力与绳索水平力作用，使用静力学计算分析，对路面板施加均布体力，对个吊点的个自由度进行约束，边界约束与荷载作用如图所示。路面板水平通孔吊装试验验证 吊装测试及分析根据上述方案设计完成种预制路面板配筋和制备。采用电阻式应变片检测路面板通孔吊装应变，吊装时，每块路面板进行次起落工况。吊装试验及应变片粘贴位置如图所示。因路面板板底粘第期柯文汇，等：预制混凝土路面板水平通孔吊装力学行为及验证图预制路面板构造设计 表材料属性 部件材料弹性模量 泊松比路面板混凝土 内置钢筋钢 图边界约束与荷载作用 贴应变片困难，将其应变片粘贴在侧边跨中与板顶跨中位置，其中号应变片粘贴在预制板板顶中部，号应变片粘贴在预制板侧边跨中。种钢筋减配吊装方案应变测试结果如图所示。各减配方案路面板最大应变对比如图所示。吊装时路面板板底受拉、板顶受压，混凝土抗拉强度设计值为 ，混凝土弹性模量为 图吊装试验及应变片粘贴位置 ，计算板底开裂抗拉应变设计值约为 ；混凝土受压破坏应变值较大，不考虑受压破坏应变值。图反映了路面板吊装阶段混凝土应变与受力状态关系，可见，吊装阶段路面板进行次起落工况，各配筋路面板应变时程检测曲线与试验工况基本一致。由图对各减配方案路面板最大应变分析得出，路面板侧边跨中最大拉应变约 ，路面板板顶跨中最大压应变约 。由 混凝土开裂抗拉应变设计值可知，各钢筋减配方案下，路面板侧边跨中未受拉抗裂，混凝土路面板仍处于弹性变形阶段，即使仅配置通孔吊装钢筋，混凝土依然处于弹性变形阶段，在满足路面板吊装条件下，还可继续减少钢筋使用量。数值模型验证提高路面板自重，使路面板达到破坏阶段，路面板混凝土拉应力应变曲线如图所示，图中：，为混凝土单轴抗压强度代表值；，为混凝土单轴抗拉强度代表值；，为与单轴抗压强度，对应的混凝土峰值压应变；为应力应变曲线下降段应力等于.，时的混凝土压应变；，为与单轴抗拉强度，对应的混凝土峰值拉应变。由图可知，模型计算结果与混凝土结构设计规范给出的混凝土单轴应力应变曲线一致，此次吊装模型应变计算与理论计算结果比较吻合。路面板在自重荷载下，通孔吊装应变如图 所示。可见，通孔吊装方式下，路面板侧边跨中产生约 个最大拉应变，板顶跨中产生约 个最大压应变，与现场吊装检测应变结果基本吻合。路面板水平通孔吊装力学行为结合现场试验，分析水平通孔吊装路面板结构受力及内部应力分布，并分析板厚及通孔吊距对路面板结构受力的影响。通孔吊装路面板结构受力分析通孔吊装阶段，路面板通孔吊装破坏形式如图长安大学学报（自然科学版）年图不同配筋方案路面板水平通孔吊装应变时程 图路面板最大吊装应变对比 所示，路面板应力分布如图 所示。由图、图 可知：通孔吊装时，混凝土板上部受压、下部受拉，在吊点处，钢筋与混凝土板产生较大集中应力，吊点与板底混凝土可能发生受拉开裂。为防止吊点处混凝土受拉开裂，路面板应使用较粗钢筋做为通孔吊装构件，并且宜设吊装保护装置，避免混凝土板因应力集中而受拉破坏。结合图 与现场吊装试验可知：当路面板混凝土处于弹性变形阶段时，内部钢筋与混凝土共同受力，吊装应力主要由混凝土板承担，此阶段钢筋受力较小；当混凝土进入塑性破坏阶段时，因混凝土开裂，吊装方向钢筋承担主要应力，但垂直吊装方向钢筋基本不承担应力。可以得出，预制板采用通孔吊装方式进行钢筋减配时，可先减配垂直吊装方向钢筋，后减配吊装方向钢筋。由现场试验可知，当路面板长、宽、高分别为、时，在仅配置通孔吊装钢筋与吊装保护筋条件下，混凝土板依然处图应力应变塑性损伤对比 于弹性变形阶段，路面板进行钢筋布设时，可仅配置吊装钢筋，但为了保证预制路面板承受吊装冲击荷载的能力，应配置一定数量的构造筋。板厚及通孔吊距对预制板通孔吊装结构受力的影响以 最优受力设计吊点，研究 、第期柯文汇，等：预制混凝土路面板水平通孔吊装力学行为及验证图 数值模拟与现场试验结果比较 图 路面板通孔吊装典型破坏形式 图 路面板应力分布云图 ，路面板通孔吊装力学行为。并以 为初始吊装厚度，计算组预制板吊装应力，研究板厚及通孔吊距对预制板通孔吊装结构受力的影响，通孔吊装路面板应力与板厚关系如图 所示。可见，吊装阶段，随着预制板厚度的增加，在自重荷载作用下，路面板板顶压应力与板底拉应力均减少，吊装钢筋应力随板图 通孔吊装路面板应力随板厚变化 厚的增加而增加，吊点处混凝土应力先增大后减小，厚板更有利于路面板混凝土抵抗吊装受拉变形。在吊点处，混凝土与钢筋均产生较大集中应力，且集中长安大学学报（自然科学版）年应力与路面板尺寸及通孔吊距相关，预制板在相同尺寸及重量下，短距吊装吊点处集中应力更小，吊装受力更合理。由板底拉应力变化曲线可知，当通孔吊距为、板厚 ，混凝土抗拉强度设计值为 ，此时路面板板底混凝土受拉应力接近抗拉强度设计值，板底混凝土在自重荷载下发生受拉开裂。结合现场吊装试验可知，长距吊装虽然同样可以满足吊装要求，但其预制板内部比短距吊装承受更大集中应力，建议预制混凝土板采用短距吊装，且通孔吊距不宜大于。结语（）采用水平通孔吊装方法技术可行，即水平外伸钢筋网架可满足预制混凝土路面板的吊装要求。预制 混 凝 土 路 面 板（长 宽 高 分 别 为、）采用平面四点通孔吊装起吊时，在自重荷载作用下，板底与板顶产生约 应变。在吊装 方 向 和 垂 直 吊 装 方 向 的 配 筋 率 分 别 从 和 降到 和 （极限配筋）下，吊装过程路面板混凝土均处于弹性变形阶段，混凝土未开裂。（）预制路面板通过减配钢筋降低成本，必要且技术可行。路面板配筋的主要目的是防止混凝土在吊装阶段发生开裂。然而，由现场试验可知，当路面板长、宽、高分别为、时，仅配置通孔吊装钢筋和保护筋即可满足吊装要求；由数值分析可知，当路面板采用水平通孔吊装方式进行钢筋减配时，宜先减配垂直吊装方向钢筋，后减配吊装方向钢筋。（）平面通孔吊装会引起路面板在吊点处产生应力集中，应对相应部位钢筋网予以强化。为防止应力集中引起混凝土开裂，建议在应力集中区域对钢筋网做局部加密，并选用较粗钢筋（如）作为通孔吊装主筋，降低钢筋与混凝土咬合部位集中应力。（）预制路面板采用平面通孔吊装时，建议优先选择长边起吊，并控制吊距。预制路面板采用平面通孔吊装时，板顶与板底应力随着板厚的增加逐渐减小，吊装处钢筋与混凝土最大应力与通孔吊距及预制板尺寸正相关。数值分析及现场试验表明，水平通孔起吊优先选择路面板长边，且通孔吊距不宜大于。（）本文基于现场吊装试验及有限元模拟研究了预制混凝土路面板水平通孔吊装结构行为，从板底吊装应变及结构受力角度分析了不同尺寸及配筋路面板通孔吊装的可行性与结构受力，但本文仅基于有限的起吊测试数据，对于混凝土路面板多次通 孔 吊 装 后 吊 点钢 筋 的 疲劳 行 为 需 深 入研究。参考文献：，：，混凝土结构设计规范 ，孟宪宏，张斯远，谷立 国内预埋吊件应用现状及国内外相关规范对比分析施工技术，（）：，（）：吴焕娟，黄清杰，蒋勤俭，等大型预制柱吊装技术研究混凝土与水泥制品，（）：，（）：张亚楠，尤克泉，孔兰兰，等 新型层间抱柱式悬臂吊装施工安全 性 探 究 结 构 工 程 师，（）：，（）：周光毅，宫立宝，王佳斌，等 装配式混凝土结构停车楼吊装施工技术 施工技术，（）：，（）：汪中林，周仪，肖桃李，等装配式建筑异形 构件吊装技术分析混凝土，（）：，第期柯文汇，等：预制混凝土路面板水平通孔吊装力学行为及验证 ，（）：左学兵，雷翔栋 山东海阳核电站大型结构模块吊装重心计算及配平施工技术，（）：，（）：于喜年，杨盈彧，王建国 某核电厂混凝土底板模块化吊装 设 计 及 应 用 核 动 力 工 程，（）：，（）：赵国辉，谢兰敏，金玲玲 超大 构件起吊结构分析建筑结构，（增）：，（）：冯国祥，蒋勤俭，吴焕娟大跨度预制梁吊装应力分析及预埋吊件 选 用 方 法 研 究 混 凝 土，（）：，（）：孟宪宏，戴承良，吕雪源，等专用预埋吊件在大型预制看台板中的应用研究施工技术，（）：，（）：尹锦明，姜毅，韩光义装配式水泥混凝土路面板块吊装 应 力 分 析 施 工 技 术，（增）：，（）：叶浩文，周冲装配式建筑的设计加工装配一体化技术施工技术，（）：，（）：郑艺杰，张晋，尹万云，等装配整体式剪力墙结构构件 吊 装 分 析 施 工 技 术，（增）：，（）：姚一辰，韩普各钢筋桁架混凝土叠合板底板吊装受力性能分析 混凝土与水泥制品，（）：，（）：，（）：，：，：（），（）：陈伟光，李浩，郭志鑫，等大尺寸预制板吊点最优布设 方 式 的 探 讨 施 工 技 术，（增）：，（）：，：（），（）：方自虎，周海俊，赖少颖，等 混凝土应力应变 关 系 选 择 建 筑 结 构，（增）：，（）：曾宇，胡良明 混凝土塑性损伤本构模型参数计算 转 换 及 校 验 水电 能 源 科 学，（）：，（）：长安大学学报（自然科学版）年