Study on Influence of Concrete Pouring Sequence on the SupportingSystem of the Slab Conversion Layer Structure
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摘要: 随着国内经济的发展，建筑行业的技术也在突飞猛进。人们对建筑结构体系多变化需求也在越来越多，其中板式转换层结构可以满足建筑对于底部大空间的需求，而由于板式转换层自重较大，受力较复杂，不易施工，因此这种体系的运用也非常少。要实现这种结构，本文主要针对板式转换层的支撑体系在施工过程中的影响进行分析，本文结合带板式转换层的工程实例的，使用ABAQUS建模进行仿真模拟分析，主要分析大体积混凝土浇筑路径对板式转换层支撑体系的影响，并得出结论。Abstract: With the development of the domestic economy, the construction industry technology has also made a great progress. People are demanding structure systems with more changes. The slab conversion layer structure can fulfill the demand of large space at the bottom. But the transfer floor structure is heavier with complex stress and difficult construction. Thus there is little application of this system. To realize this structure system, this paper mainly aims at the analysis of the influence of supporting system under construction, and combines the engineering example of slab conversion layer structure, using ABAQUS to establish the simulation model to analyze the supporting system force under the action of large volume concrete pouring path.
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Keywords:
- Slab Conversion Layer Structure /
- Support System /
- Simulation
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随着工业与民用建筑对建筑功能需求的提高，对板式转换层结构的使用也越来越多。而板式转换层结构由于其自重较大，受力较复杂，传力途径不明确，施工较复杂，这些因素导致了板式转换层的运用很少。但是板式转换层结构的运用对实现建筑功能起到很好的作用，因此对板式转换层的研究很有必要。板式转换层的施工在板式转换层实现上起到重要的作用，支撑体系对于施工过程来说又是最重要的一部分，模板支撑体系的搭设与设计都存在着混凝土浇筑路径的选择问题，选浇筑路径选择的恰当与否，直接影响到模板支撑体系的安全以及混凝土的浇筑质量[1]，本文主要针对板式转换层的支撑体系的施工方面进行研究分析，通过使用ABAQUS对大体积混凝土浇筑路径进行模拟，选择最优浇筑路径。
1. 混凝土浇筑路径的选择对支撑体系的影响
1.1 混凝土浇筑路径的选择[2]
混凝土楼盖在浇筑过程中模板支撑体系上的混凝土自重荷载属于荷载区块形态，随着混凝土浇筑区块的变化，荷载的作用形态也在变化，见图 1[3]，对于板式转换层来说，由于转换厚板的面积较大，所以混凝土的浇筑区域面积也很大，所需的浇筑时间也很长，所以可以选择不同的浇筑路径，见图 2可以分为对称浇筑和非对称浇筑，浇筑路径的选择是否恰当决定了整个模板支撑体系的安全性，合理的浇筑路径不单可以使得工程施工安全还可以使支撑体系充分发挥作用，经济性更加合理。
1.2 混凝土浇筑过程支撑内力的放大效应[3]
板式转换层支撑体系在结构力学中应属于一高度静不定结构，对不同的混凝土浇筑路径来说，由于影响面的存在，会在荷载施加过程中于某一个特定位置出现最大受力处，该最大支撑受力可能会导致模板局部屈曲变形，造成支撑体系塌陷发生失稳现象，如图 2是研究者们在大体积混凝土浇筑工程研究的过程中归纳总结的5种常见的浇筑路径模式[4]，其中圆点代表在此浇筑路径下支撑受力最大的位置[5]，所以研究板式转换层在不同混凝土浇筑路径下的支撑受力情况非常有必要。
2. 不同浇筑路径下的模板支撑体系的仿真模拟分析
2.1 工程概况
本论文选取某带低位转换层的建筑作为研究对象，本工程首层为设置厚板转换层板厚1000mm，地上7层，地下2层，地下一层、二层层高4.8m，首层层高为5.4m，支撑体系布置如下表：经过脚手架设计规范以及脚手架计算手册计算此支撑方案可以满足设计条件。
2.2 基于ABAQUS的仿真模型建立
本文结合大型有限元软件ABAQUS对2.1小节的工程进行仿真模拟，分析不同浇筑路径下的板式转换层支撑体系受力以及变化。现拟定如图 3的5种方案作为研究对象：
表 1 工程实际支撑体系方案层数 模板面层 主龙骨 次龙骨 支撑方案 转换层(首层) 15厚覆膜板 50×100@600木方 50×100@200木方 碗口式脚手架 $φ$ 48，壁厚3.2mm，立杆间距600×600地下一层 15厚覆膜板 50×100@600木方 50×100@200木方 碗口式脚手架 $φ$ 48，壁厚3.2mm，立杆间距1200×1200复支后600×600地下二层 15厚覆膜板 50×100@600木方 50×100@200木方 碗口式脚手架 $φ$ 48，壁厚3.2mm，立杆间距1200×1200复支后600×6002.3 不同方案间的内力计算分析
本小节对上一小节图 3的不同浇筑路径方案进行仿真模拟，因为大体积混凝土浇筑主要是混凝土自重荷载，所以根据图 3建立4个荷载分析步，然后每个分析步继承上一个分析步，得出如下图 8-图 11的不同方案间控制立杆的应力曲线图。
图 11转换层(首层)控制点4应力步骤图由图 8至图 11可以很直观的看出不同方案中控制点应力变化，通过曲线可以看出立杆应力变化与浇筑路径的选取有着密不可分的关系，现见图 8控制点一的曲线，可以看出方案3的曲线在4个步骤中应力增长趋势非常近似，所以可以作为实际工程的浇筑路径。而其他方案中，例如方案5在步骤2的时候会出现应力增长过快而到了步骤3的时候应力逐渐减少的趋势，这就对实际工程中，立杆容易发生坍塌失稳做了解释，由于应力增加过快导致局部荷载过大，立杆失稳，所以说这种浇筑方案应避免，同样方案4在步骤3的时候应力增长过快，也不宜作为实际工程中浇筑路径的选择。
图 9显示了控制点2的应力与步骤关系曲线，其中每一个方案都于步骤4发生应力减少的趋势，这时候也是立杆趋于稳定的时候，对比曲线可以发现，方案3的应力曲线被其他四个方案的曲线相包络，而其他方案例如方案5在步骤1的时候出现应力增加过快的现象，所以不宜选取作为路径，方案1方案4在的曲线在四个步骤中相重合，而在步骤2的时候应力增长过快所以不宜作为施工路径。
控制点3的应力步骤曲线(图 10)可以看出方案3依然被其他四个方案曲线相包络，方案2与方案5曲线趋势相似，但方案2在步骤3的时候应力增加最快，所以不宜选取作为施工方案，而方案5在步骤1时应力增长很快所以不应作为施工方案，方案4在步骤1, 2立杆应力都在增加，而之后趋于稳定所以可以作为备选方案。
控制点4的应力步骤曲线(图 11)可以很明显看出方案3被其他四个方案曲线想包络，方案2也也被包络，方案4字步骤2应力增加最快，在2步骤3，4变化趋于稳定，方案1在步骤3应力增加最快，而在步骤1，2时基本没有出现增长态势，所以这两个方案不应作为候选路径。
3. 结语
(1) 在方案1与方案4由于其浇筑路线相类似都是逐步从左往右加载所以应力增长趋势基本一致，由图 8至图 11也能清晰地看出，但是方案1与方案4在控制立杆1的数据下前两个荷载步骤立杆应力基本没有增加，而在步骤3的时候应力增加非常迅猛，这对结构整体来说不利所以不应作为候选方案。
(2) 相比较方案3与方案5，方案3应作为最佳浇筑路径，因为方案3被其他方案的应力曲线相包络，但是由于其施工时较为复杂，所以考虑方案5的施工方案，方案5相当于是对称加载，从中部向四周扩散，立杆应力也是在浇筑完毕后达到最大，在每个荷载步立杆应力也是稳步增大，所以应确定为最终浇筑路径。
混凝土浇筑路径选择的不同，会影响支撑体系内力的变化，所以在施工过程中应选择合适合理的浇筑方式，这样做可以避免出现局部应力过大，造成失稳的情况。
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表 1 工程实际支撑体系方案
层数 模板面层 主龙骨 次龙骨 支撑方案 转换层(首层) 15厚覆膜板 50×100@600木方 50×100@200木方 碗口式脚手架 $φ$ 48，壁厚3.2mm，立杆间距600×600地下一层 15厚覆膜板 50×100@600木方 50×100@200木方 碗口式脚手架 $φ$ 48，壁厚3.2mm，立杆间距1200×1200复支后600×600地下二层 15厚覆膜板 50×100@600木方 50×100@200木方 碗口式脚手架 $φ$ 48，壁厚3.2mm，立杆间距1200×1200复支后600×600
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[1] 张雨田, 吴昱娟. 高层建筑转换层模板支撑形式及其选择[R], 2010(7). [2] 毛红卫, 章雪峰, 胡威诣等.混凝土浇筑路径的选择与模板支撑体系受力分析[J], 浙江建筑.2006.10 http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZJZU200610005.htm [3] 林璋璋. 多层模板支撑体系的时空分析[D]. 浙江工业大学, 2005 [4] 王丽. 厚板式转换层模板支撑施工过程试验仿真研究[D], 北京建筑工程学院, 2008 [5] 颜聪, 黄玉麟, 纪人超等.钢管鹰架之支撑能力[J].中国水利工程学刊, 19968(1):22-24. [6] 潘德恩, 彭瑞麟.钢管脚手架支撑结构类型及破坏模式之探讨[J].建筑钢结构进展, 2002(4). http://www.wenkuxiazai.com/doc/9ef9eb1614791711cc7917ee.html
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