逐段升模现浇柱升板施工工艺.docx
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逐段升模现浇柱升板施工工艺
逐段升模现浇柱升板施工工艺
升板建筑具有节约95%以上木材、减轻劳动强度、操作技术容易掌握、设备投资少、加工维修简单、施工工期短、成本低及适合于狭窄地区施工等优点。
因此这种建筑方法很受施工单位欢迎,在较短时间内得到大量的推广应用。
我国地处广大的地震区,升板建筑能否用在地震区,工程技术人员对此十分关心。
我们根据升板法施工特点,结合天津市果品公司冷库升板工程,对升板建筑的抗震性能与抗侧力结构的迭型,进行了试验研究。
通过各种抗震结构方案的电算、升板建筑震害的调查研究和现场自振周期实测,肯定了升板建筑具有一定的抗震性能,提出了适合于升板法施工的三种类型六种形式的抗震结构型式。
在此基础上,根据抗侧力结构的布置进行了升板法施工工艺的研究以及相应的变刚度柱及变刚度墙体的稳定性研究。
对各类抗侧力结构还提出了供设计应用的简化的设计计算方法。
一、升板建筑的抗震性能
(一)我国升板建筑的震害情况
我国升板建筑自七十年代初才开始大量推广采用,为了解其抗震性能,我们对唐山、丰南地震后升板建筑的震害进行了调查。
唐山、丰南地震时,天津市(八度地区)和北京市(六度区)有十二幢已建成和两幢正在施工的升板建筑。
其中有仓库四幢、商场三幢、轻工车间二幢、化工车间二幢。
从结构方面看,有无粘着预应力平板、普通钢筋混凝土平板、格梁板等;有后浇柱帽、承重销、剪力块等三种板柱节点,楼板上有大开孔和有大集中荷载的,有开敞式的也有较多内隔墙的。
这些工程基本上反映了国内升板建筑、结构和应用的情况,它们的震害具有一定的代表性。
京津地区十二幢升板建筑(约三万多平方米)绝大部分没有考虑抗震设防,其震害情况归纳如下:
1、柱子:
这些升板工程的所有柱子,震后基本完好,未发现严重的裂缝。
只是天津电信总局902库第三层柱离楼面20~70厘米高处,有一至三道周圈的发丝裂缝,裂缝深度不到1厘米。
据了解,该层柱子同下层柱子原设计都为后浇柱帽节点,后来认为顶层板活荷载较小,施工时将柱帽省去,并将顶层板直接搁置在承重销上,未加焊接和钢牛腿,冬季灌注板柱缝混凝土质量较差。
所以灌缝部分的混凝土下皮有些碎裂,柱子上端的横向支撑减弱,悬臂作用明显,在反复的地震荷载作用下,形成第三层柱根部的发丝裂缝。
由于裂纹深度很浅,不影响继续使用。
正在施工的天津市机电公司仓库和北京市西南郊冷库工程,采用一群独立悬臂柱,其中冷库工程的柱子高达40米,震后未发现有任何裂缝。
2、楼板、屋面板:
在十二幢升板建筑中,绝大部分的楼板、屋面板采用普通钢筋混凝土平板,只有天津制帽厂礼帽车间采用无粘着预应力平板,北京向阳化工厂某车间采用梁板式楼板。
震后,楼屋面板均未发现有任何新的裂纹。
预应力板及其锚夹具也未发现任何问题。
天津市工农兵商场升板工程的三层楼板,因施工造成板面对角向裂缝。
震前因超载使用,板面裂缝有所扩展,震后这些原有裂缝无明显变化。
北京东方红炼油厂及首钢化肥厂的升板工程,楼板开口率达50%;在6×6米的区格范围内,有4个13吨的集中荷载。
震后板面也未发现有新的裂纹。
3、板柱节点:
升板建筑常用的三种板柱节点,震后均未发现异常情况。
天津电信总局902库第三层板柱节点,因未按原设计和《升板建筑结构设计与施工暂行办法》的要求施工,致使板销之间略有错位,灌缝混凝土下皮局部压碎,这是例外。
4、钢筋混凝土抗震墙:
在已建升板工程中,只有天津中纺进出口公司程林庄库的一、二层中追加采用了抗震墙。
由于平面布置不对称、竖向布置不到顶、抗震墙间距(达56米)太大等因素,震后发现抗震墙有45°的斜裂缝,一层比二层严重。
这说明了抗震墙承担了相当大的地震力。
5、围护墙与隔墙:
由于多层仓库和多层厂房升板建筑的层高高,柱距大,维护墙和隔墙缺少拉结,因此,垂直于地震作用方向墙体倒塌较多,或者在楼板面下的墙体有通常的水平裂缝。
平行于地震作用方向的墙体,一般均有交叉斜裂缝,门窗洞口均有八字形裂缝。
总之,升板建筑的主体结构,柱子、楼板和板柱节点,震后基本完好;维护墙与隔墙均有不同程度的破坏。
(二)苏联地震区应用升板建筑的情况
苏联自60年代初,在9°地震区的阿美尼亚采用升板法建筑。
他们通过模拟和实体试验,确定了升板建筑的动力特性和抗震措施。
从而在埃里温、列宁纳干和阿波杨等地大量建造升板住宅。
(三)对升板建筑抗震性能的评价
京津地区升板建筑震害调查表明,虽然大多数工程都未进行抗震设防,但也经历了地震烈度为6°或8°的地震考验。
板、柱及板柱节点基本完好,说明升板建筑的主体结构的整体性较好,具有一定的抗震能力。
我们认为,如果在升板建筑工程中进行专门的抗震设计,设置必要可靠的抗侧力结构,加强维护墙、内隔墙等与主体结构的连接构造,则升板建筑的抗震性能是好的,在地震区可以推广应用。
国外在地震区对升板建筑的研究和应用也说明了这一点。
二、升板建筑抗侧力结构的选型及布置
抗侧力结构是指承担水平荷载(例如地震荷载、风荷载等)的结构。
抗侧力结构的型式及布置是各类建筑物抗震设防的关键。
升板建筑抗侧力结构的型式和布置,应根据升板建筑技术来确定。
我国的升板建筑震害调查表明,如果抗侧力结构型式选得不好,布置得不恰当,不仅不能起到应有的抗震作用,相反回加剧震害。
例如,电梯间的侧向刚度很大,本来是很强的抗侧力结构,地震时可分担较大的地震荷载。
可是天津长城无线电厂的电梯间布置在该建筑物的一角,刚度很不对称,地震后破坏比较严重。
因此,割据升板建筑的特点研究其抗侧力结构的型式及布置是十分必要的。
(一)升板建筑抗侧力结构的型式
升板建筑技术的特点是:
先立好柱子,然后把地面浇筑好的楼板提升到设计标高,最后在空中将楼板与柱子连接在一起,形成板柱结构体系。
工业厂房或仓库升板建筑的特点是使用空间越大越好,因而层高高,柱网大,不设置间隔墙。
一般建筑的抗侧力结构型式可有框架、剪力墙、框架—剪力墙、框架—筒体、筒中筒等。
升板建筑由于上述特点,没有筒中筒纯剪力墙抗侧力结构型式。
升板建筑的框架也不是由梁柱组成框架,而是由板柱等组成的框架。
所以升板建筑的抗侧力结构型式为板柱结构、板柱—剪力墙结构、板柱—筒体结构。
另外还有板柱—壁式框架结构。
(二)升板建筑抗侧力结构的选型及布置原理
根据升板建筑技术的特点,板柱——剪力墙抗侧力结构中的剪力墙,通过楼板在墙位预留孔洞,与楼板浇注成整体。
剪力墙的位置一般在升板柱之间,所以楼板在柱轴位置上需要预留孔洞。
这样削弱了板的刚度,增加了板在提升阶段的挠度。
有时因孔洞应力集中导致板面裂缝。
因此剪力墙最好不布置在结构内部,这一点也满足工业厂房或仓库升板建筑的空间使用要求。
为了不削弱楼板的刚度,宜把剪力墙布置在升板建筑的周边,形成外筒体式。
或者放在升板建筑的中央,形成内筒体式。
但不宜在中轴线形成十字形剪力墙,因为这种布局无助于整个升板建筑的抗扭刚度。
利用升板建筑的周边维护墙作为抗侧力结构,无论在建筑功能或结构受力性能方面都是比较理想的,此时维护墙为壁式框架,侧力由板柱——壁式框架结构承担。
板柱——筒体结构(包括内外筒体),如果筒体先施工,则筒体在施工阶段可提高整个升板建筑在提升阶段的群柱稳定性,给施工带来了方便,为建造高层升板建筑开辟了道路。
升板建筑抗侧力结构型式列于表一:
三、各类抗侧力结构的计算图式和计算方法
这里仅介绍有关的计算原则和方法,更具体的请参阅相应的资料。
(一)板柱及板柱——壁式框架结构
在侧向荷载作用下,板柱结构可近似按等代框架计算。
板柱——壁式框架结构在侧向荷载作用下时,可按带刚域的框架进行计算。
(二)板柱——剪力墙结构
一般升板建筑的结构布置在水平面上有两个对称轴,而在某一方通过对称轴线的总侧向力作用下,其计算图式可用图1来表示。
板柱与壁式框架、剪力墙之间,主要是通过楼板平面内的剪应力来传递和分配水平荷载的,因而在计算图式中可用饺接连杆联系。
图中∑表示同类的抗侧力结构应迭加计算。
具体的计算方法可参阅资料。
(三)板柱——筒体结构
高层升板建筑采用板柱——筒体结构作为抗侧力结构,无论从建筑功能、结构内力与位移、结构施工来看,都比较合适。
其动力分析及内力位移计算参考文献。
升板建筑的自振周期计算及地震作用下各杆件的内力计算及结构的变位计算,一般可由电子计算机完成,也可采用具有足够精度的简化计算。
(四)抗侧力结构方案比较
我们选择了两个升板建筑工程作为例子,对其抗侧力结构方案进行比较。
一个工程是四层、高为17.25米的南京烷基苯厂仓库,另一个是八层、高为38米的天津果品公司冷库。
每个工程都计算了三类抗侧力结构:
板柱、板柱——剪力墙及板柱——壁式框架。
计算结果如下:
①板柱结构的侧向刚度比其他两种类型侧向刚度小。
对于高度不超过20米,地震裂度不大于7度,以及高度不超过14米,地震裂度不大于8度,可采用升板建筑本身的板柱结构作为抗侧力结构。
板柱结构的等代梁宽度从b=1/2l增加到3/4l时,周期约降低10%,地震力约增加10%。
如果宽度在这两个值之间时,可用线性插入法得到。
板柱结构的总地震力为最小,其它抗侧力结构总地震力是板柱结构的2.5~3.5倍。
其中80%的地震力是由剪力墙承担,其余20%的地震力由板柱结构承担。
②板柱——剪力墙结构,ⅡA1型式太刚,周期太短,地震力太大,是板柱结构的4倍。
顶端相对位移小于1/6000,不必要那样严,同时给地基基础处理带来很大困难,对于不太高的升板建筑不宜采用。
ⅡA2型式,有分段多少的区别。
合理的分段数,应以满足抗震要求为前提,由综合的技术经济指标来确定。
由于ⅡA3、ⅡA4是ⅡA2的特殊情况,差别是数量多少的问题,因此确定的原则是相同的。
ⅡB、ⅡC型式的计算简图和计算方法也与ⅡA1要小,与ⅡA2相当。
如果分段数与壁梁跨数相同时,则壁式框架结构的刚度大一些,它依赖于门窗口的多少和大小。
壁式框架既作承重抗震用,又作围护墙用,采光开门不受影响,结构刚度分布比较均匀,传至基础的地震力不过于集中,是一种比较经济合理的抗侧力结构。
四、升板建筑竖向构件的施工工艺
升板建筑的水平构件是楼板和屋面板,竖向构件是柱子、剪力墙、维护墙和隔墙。
一般升板法只解决了水平构件的施工,竖向构件仍采用预制柱、支模现浇墙体等传统施工方法。
由于大量混凝土浇筑的工作量在地面完成,提升机具又不占施工场地,所以升板法在狭窄地区能建造较高房屋。
这是别的施工方法做不到的。
当在建筑群中建造房屋,吊装柱子的机械进不了现场,或者整根柱子太高太重而超出吊装机械的吊装能力时,可采用劲性配筋混凝土柱,“以升带滑”或“以升带提”。
这样使升板法更适应于在狭窄地区建筑房屋。
劲性钢筋混凝土柱在未浇筑混凝土之前,是由角铁、扁铁和钢筋焊接成的钢柱,它在施工阶段至少要承担一层楼板的自重和施工荷载,并在风荷载作用下,满足强度和稳定性的要求。
它的用钢量和现场焊接工作量,大于普通钢筋混凝土柱。
为克服这些缺点,可以考虑采用工具柱提升的方案。
但通过现场中间试验和理论分析,发现工具柱不易从混凝土柱中拔出,且稳定性差,在仓库和厂房升板建筑中不宜采用。
在“以升带提”或“以升带滑”基础上,去掉钢柱子,就成为逐段升模现浇柱升板施工工艺。
它是在已浇筑的一段钢筋混凝土上挂提升机,在屋面板上立操作平台及柱子模板。
在操作平台上绑扎柱子钢筋和浇筑柱子混凝土。
待柱子混凝土达到一定强度(150/厘米2)后,提升机就可沿柱子往上爬一步(一般1.8米~2.0米),并把屋面板往上提升一步,屋面板上的操作平台及柱模板也随之往上升一步,这是又可以施工一段柱子。
如此往复进行,就可以把柱子浇筑到顶。
利用柱子混凝土结硬这段时间,可以提升其余各层的楼板。
这种施工工艺,不仅能在狭窄地方施工多层建筑,而且也能施工高层建筑。
逐段升模现浇柱升板施工工艺的具体作法应根据提升设备不同而差异。
一般电动蜗杆蜗轮提升机的作法:
在屋面板上每个柱子位置安装一个5.8米高的塔架,塔架之间用走道连通,形成浇捣柱子混凝土的操作平台。
在塔架上(操作平台面下)安装1.95米高的柱模板。
柱模板下端与屋面板间的距离为3.85米,以满足提升机提升操作的要求。
这样现浇筑的每步浇筑比屋面板提前三步。
待柱子混凝土强度达到负担屋面板自重及施工荷载时就提升屋面板。
另外,在屋面板下悬挂钢筋混凝土剪力墙的模板,也随着屋面板的提升,逐步浇筑剪力墙的混凝土。
因此剪力墙比楼板提升先行施工,在提升楼板过程中剪力墙可作为群柱稳定性的依据。
逐段升模现浇柱、提模现浇墙的升板施工工艺,把升板建筑中竖向构件的施工从传统支模现浇发展到比较先进的提升现浇法。
它具有工期短、省大量木材、省钢材(工具柱或劲性配筋钢材)、不需用大型起重吊装机械,即可建造多层和高层升板建筑工程,使升板建筑更适用于城市狭窄场地上施工。
这种工艺对框架剪力墙结构亦能适用。
五、逐段升模现浇柱群柱稳定性验算
群柱稳定性是升板法施工中十分重要而又十分突出的问题。
对逐段升模工艺则更为突出。
预制柱升板建筑的群柱稳定性验算,已在编制《升板建筑结构设计与施工暂行规定》以前就展开了讨论研究,并给出了验算公式[8],满足了工程实践的需要。
随着升板建筑技术的发展,出现了“以升带滑”及“以升带提”施工升板建筑柱子和剪力墙的新工艺,提出了升板建筑现浇柱群柱稳定性这个课题。
根据工程实践,升板建筑现浇柱可分为两种:
即劲性钢筋混凝土和普通钢筋混凝土。
劲性钢筋混凝土是变断面、变刚度柱,普通钢筋混凝土柱。
只是变刚度柱。
我们用能量法和迭代法分别导出了这两种柱子在层楼板作用下(包括搁置和提出)和自重作用的折算荷载公式。
再用《升板建筑结构设计与施工暂行规定》的有关公式进行这两种柱子的群柱稳定性验算。
(一)逐段升模现浇混凝土柱的刚度
逐段升模现浇柱是属于变刚度普通钢筋混凝土柱,其弯曲刚度取决于柱的截面惯性矩和混凝土弹性模量。
逐段升模现浇柱的截面惯性矩是常数,柱的弯曲刚度的变化取决于混凝土弹性模量的变化。
如果要确切地知道混凝土早期弹性模量与期龄的关系,需要做一系列的试验研究,这本身是一个研究课题。
但是“以升带滑”或“以升带提”升板建筑在施工期间的强度和稳定性计算,可根据实际情况,确定柱、墙的混凝土强度和弹性模量。
混凝土的各期龄的强度是容易取得的,而混凝土弹性模量可以根据混凝土强度与混凝土的期龄、养护条件、水泥标号及混凝土配合比的关系确定。
根据《钢筋混凝土结构设计规范》与《钢筋混凝土工程施工及验收规范》中的有关规定和数据,经综合整理可绘制混凝土弹性模量与期龄的曲线图。
例如由500号普通水泥拌制的混凝土,养护期间的平均温度为20℃时,E~t的变化图形如图2所示。
图中两天以前的弹性模量因资料不全,是近似地按曲线延长的方法得到的,认为混凝土强度为零时的弹性模量也为零。
有图可知,混凝土早期弹性模量的增长率比后期的快得多,28天后的弹性模量已是常数。
如300号混凝土的弹性模量3天时已达2.0×105公斤/厘米2,7天时为2.5×105公斤/厘米2,28天后为3.0×105公斤/厘米2。
当混凝土硬化期间的平均温度不是20℃或加有各种掺合剂时,E~t曲线要作相应的修正。
如果“以升带滑”或“以升带提”的施工速度是均匀的,则柱子沿高度方向的刚度值可根据混凝土的期龄确定。
显然它应是一条光滑的曲线,如图3中的实线所示。
由图3可知,要使柱子在施工过程中具有足够的刚度,施工速度不能太快。
当每天按一个台班施工,刚度沿高度方向的变化是台阶式的,如图3中虚线所示。
为安全和计算方便起见,施工阶段混凝土柱子刚度的变化按线性变化取值,如3中的影阴部分。
通过以上简化,逐段升模现浇柱的刚度公式为(如图4):
(二)逐段升模现浇柱的折算荷载公式推导
1.能量方法
(1)如果有n层楼板搁置作用在柱子各个高度上,其中第I层板重Ni作用在Ll高度处(如图5)。
求各层楼板重量折算到Lm处。
设柱子弹性侧移曲线为:
(2)如果(n-1)层楼板搁置作用在柱子各个高度上,而其中第j层板重Nj正在提升,册柱子的弯曲变形能同
(2)式,被提升板所作的外功可作如下的推导。
由于柱子侧移时,吊杆倾斜,其内力将在标高lj和lm处对柱产生大小相等、方向相反
其中ξ同(4)式。
比较(3)式与(5)式可知,除了第j层楼板因正在提升而不同外,其余的均相同。
(3)柱子自重的折算荷载
(4)小结
能量法在求解临界荷载时,可将构件的材料、截面尺寸及外荷载类型和作用位置的因素分开。
例如(3)式、(5)式、(6)式的等号左边是构件的材料和截面尺寸,而等号右边是荷载类型和作用位置。
而构件的临界荷载是构件抵抗失稳破坏的能力。
它只与构件的材料、截面尺寸、外荷载的类型和作用位置及构件的边界条件等因素有关。
式(3)、式(5)与《升板结构施工阶段单支柱稳定性计算》中的对应式子比较可知,等号的右边完全相同,等号左边由于柱子刚度线性变化而不同,即多了一个因子ξ。
也说明变刚度柱的临界荷载可按常刚度柱折算,其折算系数要比常刚度的大
倍。
ξ值是变刚度柱临界荷载与长刚度柱临界荷载的比值。
因此,求变刚度柱的临界荷载的实质就是求ξ值。
求得ξ值,其荷载的折算就容易解决了。
2.迭代方法
搁置和提升状态的各在可分为两种类型:
即集中荷载和主自重荷载。
下面针对这两种荷载分别讨论。
若选用满足部分边界条件而不满足所有边界条件的初始位移函数v[0],代入方程(12),得到新的位移函数,令为第一次近似位移函数v[1],再代入方程(12),可得v[2],如此循环下去则有:
其中c2n-1,c2n由边界条件求得(积分号外的常数为计算方便在计算过程可略去),当n→∞时,必收敛于真值:
一般情况先,经过几次迭代就收敛于真值。
如果初始位移选得恰当,例如选用满足全部边界条件的初始位移函数,则迭代2~3次就可以得到较为精确的结果。
为简便积分运算,采用无量纲自变量表达式:
其中υ[1]、υ[2]为第一次、第二次得到的位移近似值,并在全长范围内作一次顶积分。
由于式子太长,这里略去,具体值见表2b。
3.系数表
已浇筑的普通钢筋混凝土柱在集中荷载作用下的临界荷载折算系数,由公式(4)或公式(25)求得,折算系数见表2。
已浇筑柱的普通钢筋混凝土柱在自重荷载作用下的临界荷载折算系数,由公式(7)、(8)或公式(28)求得,折算系数见表3。
正在浇筑的普通钢筋混凝土柱,相应B=0,其折算系数相应于表中B=0时的值。
普通钢筋混凝土柱在集中荷载作用下的临近荷载折算系数表2
B值
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
ξ(1a)
ξ(1b)
0.7026
0.5960
0.7324
0.6637
0.7621
0.7153
0.7918
0.7603
0.8216
0.8010
0.8513
0.8388
0.8811
0.8743
0.9108
0.9080
0.9405
0.9403
0.9703
0.9713
1.000
1.000
普通钢筋混凝土柱在自重荷载作用下的临近荷载折算系数表3
B值
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
ξ(2a)
ξ(2b)
2.3630
2.3396
2.4630
2.4231
2.5630
2.5066
2.6630
2.5901
2.7630
2.6736
2.8630
2.7571
2.9630
2.8406
3.0630
2.9241
3.1630
3.0076
3.2630
3.0911
3.3630
3.1746
系数表中的“a”为能量法解的结果,“b”为迭代法解的结果。
由表中数值可知,能量法解的数值比迭代法的要大一些,一般为10%左右。
但是取用线性变化柱刚度比实际柱刚度小了约40%,因此能量法解得的系数在这种情况下可参考应用。
表1b中B=0.5时,其ξ=0.8388,换算得到临界荷载Pk=0.8388×
六、结语
本课题结合天津市果品冷库升板工程展开了试验研究,并于1983年又设计和施工了华北轻工产品展销楼升板工程,其竣工建筑面积达19000多平方米,取得了良好的经济社会效益。
1985年11月由天津市城乡建设委员会和我院共同组织,对此项科研成果进行了技术鉴定。
其意见:
1.不需用大型起重吊装机械,即可完成多层和高层升板建筑工程施工,使升板建筑更适用于城市狭窄场地上施工。
对框架剪力墙结构施工亦能适应。
2.采用柔性配筋柱代替劲性骨架,可节约钢材。
3.比预制柱升板工程施工可缩短工期。
4.施工简便易行。
5.与此工艺相配合的抗侧力结构选型及分析与群柱稳定性计算是合理的。
逐段升模现浇钢筋混凝土柱施工工艺是在劲性柱升滑法和升提法施工工艺的基础上的新发展,为多、高层升板建筑工程施工由提出了一条新的途径。
此项成果是在设计、施工、科研单位密切配合协作下取得的。
该工艺在柱的施工缝设置、专用塔架设备等方面尚需进一步改进,以便在升板建筑工程中推广使用。
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