裝配式弦支混凝土組合樓蓋施工與力學分析方法研究

張桂田

（山東華邦建設集團有限公司，濰坊262500）

1 前言

裝配式弦支混凝土組合樓蓋是一種結構系統，它采用預制的混凝土構件和預應力鋼索作為主要受力元件，通過模塊化的設計和工廠化的生產，實現在現場迅速組裝和安裝。在力學分析方面，需要研究弦支混凝土組合樓蓋的受力特點、結構穩定性和承載能力等關鍵問題，通過數值模擬與實驗驗證，為結構設計和施工提供科學依據。

2 施工方法研究

2.1 施工方法的選擇

2.1.1 模塊化設計與預制構件

弦支混凝土組合樓蓋的裝配式施工，首先要考慮的是模塊化設計和預制構件的使用。通過將樓蓋結構劃分為適當大小和形狀的模塊，并在工廠預制構件，可以有效提高施工效率和質量[1]。

2.1.2 基礎準備和就位方式

裝配式施工中，基礎的準備和就位方式至關重要。在選擇施工方法時，需要考慮基礎的設計和施工要求，包括基礎底板的平整度、混凝土澆筑和固化等。

2.1.3 安裝順序和工藝流程

裝配式施工的成功與否，還取決于合理的安裝順序和工藝流程的安排。施工方法的選擇應考慮到構件的安裝順序，以確保施工的連貫性和順暢性。工藝流程應明確各個工序的具體要求和要點，包括螺栓連接、芯澆筑、預應力張拉等。在施工過程中，要嚴格控制工序的順序，確保每一步施工的質量以及施工安全。

2.2 裝配式施工方法的關鍵技術和要點

2.2.1 模塊化設計和構件精度

模塊化設計是裝配式施工的核心，通過將樓蓋結構拆分為適當大小的模塊，既提高了施工效率，又方便了運輸和安裝。此外，構件精度對于裝配式施工來說至關重要，構件的準確尺寸和平整度直接影響施工的一致性和精度。一般要求構件的偏差控制在規定范圍內，常見的要求是長度偏差不超過±3mm，平整度限差為±5mm/m。

2.2.2 精確的測量和定位

測量和定位是確保裝配式施工精度的重要環節。使用精確的測量工具如全站儀、激光測距儀等，對構件的位置進行準確定位，確保各模塊之間對位準確。測量誤差一般控制在±2mm 以內[2]。在安裝過程中，可以使用定位板、標線等方式進行臨時定位，保證構件的準確對位。

2.2.3 確保安全和穩定的連接

對于螺栓連接，需要保證螺栓的規格符合設計要求，并嚴格控制預緊力。預緊力的計算可以采用預緊力系數法，其公式為：

公式（1）中，FP代表螺栓的預緊力，K代表預緊力系數，AP代表螺栓剖面積，P代表螺紋阻力系數。

焊接連接的強度計算可以根據焊縫有效截面面積和焊縫的強度計算公式進行，具體公式可根據焊縫類型和規范選取。其中，焊接電弧能量計算公式為：

公式（2）中，E代表焊接電弧能量，U代表焊接電壓，I代表焊接電流，t代表焊接時間。此外，在進行焊接作業時，需要利用公式計算焊縫尺寸，具體公式為：

公式（3）中，W代表焊縫寬度，V代表焊接速度。

2.2.4 施工設備和工藝的優化

合理選擇施工設備和工藝，是確保裝配式施工質量和效率的關鍵。例如，起重設備應具備足夠的承載能力以及高度控制精度；模板支撐應具備穩定性與可調節性，以適應不同構件的安裝需求。工藝優化方面，要考慮施工的流程性和連貫性，合理安排多個施工環節的先后順序，確保施工的順暢進行。

3 力學分析方法研究

3.1 結構受力分析方法的建立

3.1.1 結構模型建立

裝配式弦支混凝土結構模型，需要考慮各個構件之間的連接方式以及受力傳遞機制，常見的連接方式包括焊接、螺栓連接等。在建立結構模型時，需要確定結構各個部位的幾何形狀、材料參數和載荷條件等。幾何形狀數據可以通過CAD 軟件進行建模，材料參數可以根據混凝土和鋼筋的材料特性進行選擇，載荷條件可以根據設計要求和規范確定。

3.1.2 材料力學性能

裝配式弦支混凝土結構通常由混凝土和鋼筋組成，所以需要考慮兩種材料的力學性能?；炷恋牧W性能包括彈性模量、抗壓強度、抗拉強度等，這些數據可以通過試驗獲得，并根據試驗結果選擇合適的彈性模量和強度值。鋼筋的力學性能包括彈性模量、屈服強度、抗拉強度等。

3.1.3 受力計算與公式

當對裝配式弦支混凝土結構進行受力計算時，研究人員需要考慮弦支混凝土梁的彎矩、剪力以及截面特性等數據。在進行彎矩計算時，需要考慮梁的跨度、荷載情況和梁的截面特性。其公式為：

公式（4）中，M代表彎矩，代表跨度，FR代表移動平行力系的合力，α 為所選臨界荷載作用點的合力，M1臨界荷載以左部分力對該點力矩之和。對于連續梁，需考慮各支點處的彎矩影響?？梢允褂脧澗胤植枷禂捣?，根據支點處的彎矩系數，通過乘法原理，計算得到各點的彎矩。

剪力計算常用于鋼筋混凝土板的設計和分析，其具體公式為：

公式（5）中，V剪代表剪力，q代表單位長度上的荷載，L代表剪力作用長度。

計算截面特性時，研究人員需要考慮梁的截面形狀，以及鋼筋的位置與布置。其中，矩形截面的抗彎截面模量計算公式為：

公式（6）中，b代表梁的寬度，h代表梁的厚度。

T 形截面的抗彎截面模量計算公式為：

公式（7）中，b1與h1分別代表T 型截面翼緣寬度與高度，b2與h2則代表梁身寬度與高度。

3.2 力學分析方法數值模擬與驗證

3.2.1 數據收集

收集裝配式弦支混凝土結構設計和施工所需的數據，包括結構的幾何形狀、材料參數、受力情況和加載條件等。例如，收集梁的截面尺寸、支座位置、截面鋼筋布置等數據（詳見表1）。

表1 裝配式弦支混凝土結構數據

基于上述數據，研究人員可以嘗試建立結構模型，分析該結構的力學特點。

3.2.2 結構模型建立

在建模過程中，準確地繪制結構的各個部分，建立準確的裝配式連接模型[3]。這可能涉及到連接的剛性和結合方式，如焊接連接或螺栓連接（如圖1 所示）。

圖1 裝配式弦支混凝土結構模型

將結構模型導入數值分析軟件（如ANSYS、ABAQUS 等），進行后續力學分析。

3.2.3 數值模擬分析

（1）結構建模

研究人員使用CAD 軟件或其他建模工具，繪制裝配式弦支混凝土結構的幾何模型。

（2）網格劃分

根據結構的幾何形狀和精度要求，在結構模型上進行網格劃分。網格的劃分應足夠細致，以精確地描述結構的幾何形狀和應力分布。網格劃分可以使用直線網格劃分方法，或自動生成網格工具進行。

（3）材料定義

根據混凝土和鋼筋材料參數，定義相應的材料屬性。包括混凝土的彈性模量、抗壓強度、抗拉強度，以及鋼筋的彈性模量、屈服強度和抗拉強度等。在有限元分析軟件中，采用相應的材料模型和參數進行材料定義。

（4）邊界條件和加載條件定義

根據構件的受力情況以及加載條件，定義結構邊界條件與加載方式。對于彎矩加載，使用相應的加載方式施加于結構模型的相應位置。對于剪力加載，施加相應大小的剪力載荷到適當的位置[4]。定義邊界條件，如固定支座或約束點等。

（5）運行有限元分析

根據定義的模型、網格、材料和加載條件，運行有限元分析。在分析過程中，有限元軟件將計算結構的應力、變形和響應。

（6）結果解讀和優化

根據有限元分析的結果，解讀結構的應力分布、變形情況和穩定性。如果所需，可以根據分析結果進行結構的優化。

4 結論和展望

4.1 主要研究結論總結

基于分析結果，得出了以下主要研究結論：

第一，通過數值模擬分析，相關研究人員能夠獲得裝配式弦支混凝土結構的應力分布、變形情況和穩定性表現。這些分析結果可以提供對結構的受力特性的詳細理解，為結構設計和優化提供重要參考。

第二，通過結果驗證的比較，相關研究人員發現數值模擬的結果與實驗數據或理論預測具有一定的一致性。這表明相關研究人員所建立的模型和采用的數值方法對裝配式弦支混凝土結構的分析是可靠和有效的。

4.2 對未來研究方向的展望

第一，進一步優化和改進模型的建立和分析方法，以更準確地描述裝配式弦支混凝土結構的力學行為[5]。未來的研究可以探索更精細化的模型建立方法，包括考慮材料的非線性行為、大變形和接觸問題等。

第二，深入探究結構連接的特性和性能，研究不同連接方式對結構力學性能的影響。未來的研究可以探索不同連接方式的性能，包括機械連接、鋼筋混凝土連接、粘接等，并通過實驗和數值分析揭示連接在結構中的力學行為。

第三，擴大研究范圍，考慮不同的加載情況、工作條件和環境因素對結構的影響。未來的研究可以進一步研究這些加載條件下結構的響應和性能，并針對特定工況下的結構進行優化設計和耐久性評估。

第四，結合可持續發展和綠色建筑的理念，進一步研究裝配式弦支混凝土結構的節能、減排和可持續性，推動其在實際工程中的應用。未來的研究可以關注結構的能耗、碳排放等環境指標，并探索新型的建筑材料和設計理念，以提高結構的能源效率和環境友好性。