大跨度空腹夹层板结构支撑体系设计及分析

1 引言

在工程建设过程中，对大跨度结构的应用主要是在工业建筑以及公共建筑中，其可以实现建筑单层到多层的发展，进而提高建筑的利用率，并在一定基础上节约了土地资源。这不仅促进了相应企业经济效益与社会效益完美结合，还在一定程度上推动了我国社会生态文明建设的发展［1-3］。

在实际工程施工作业中，空腹夹层板结构作为一项新型的楼盖结构体系，在实际运用过程中缺乏一定的经验，且结构模板支撑体系较为复杂。因此，相关施工单位在具体的施工过程中必须深入分析，在此基础上开展设计工作，以此来实现大跨度空腹夹层板结构支撑体系作用的发挥。本文对大跨度空腹夹层板结构特点及施工工艺进行分析，设计出可以应用于大跨度空腹夹层板结构的支撑体系布置方案，再结合实际的工程项目来对支撑体系进行受力计算，最后通过有限元分析验证了支撑体系的可行性［4-5］。

2 工程概况

2．1 工程简介

贵州省老干部活动改扩建项目位于贵阳市云岩区宅吉路7号，毗邻省政府大院。建筑平面长103.8 m，最宽46.8 m，地下两层，地上5层。地上一层以上结构体系为大跨度框架，大跨度楼盖采用空腹夹层板，一层以上在7#～8#轴处设缝将结构断为A、B两个计算单元。A区2、3层楼面结构参数相同，采用正交斜放混凝土空腹夹层板结构，最大跨度尺寸为23.40 m×39.0 m，该结构为世界首例；A区4层为架空层，5层为U形钢板组合空腹夹层板结构，跨度为39 m×39 m。B区2、3、4层楼面结构参数相同，采用正交正放空腹夹层板结构，最大跨度为15.6 m×23.4 m；B区5层采用正交正放空腹夹层板结构，最大跨度为31.2 m×39.0 m。

2．2 结构特点

空腹夹层板结构为大跨度无预应力结构，且梁体中空，在大型公共建筑尤为适用，节省了大量土地及资源［6］。空腹夹层板结构为新型结构体系，此结构体系多用于建造多层大跨度工业与公共建筑，具有节约空间、节省材料、提高性能的显著效果，达到了“循环经济三原则”要求。

2．3 施工难点

空腹夹层板结构为新型工艺形式，与普通房建形式差别较大，目前尚无比较成熟的施工工艺，因此为本工程施工带来了较多的难题。

（1）施工平台及支架模板如何搭设安装，以方便下肋钢筋及混凝土施工。

（2）在城市无法连续供应混凝土的情况下，如何确保空腹夹层板部分混凝土的浇筑质量。

3 支撑体系设计及分析

3．1 布置方案

多层大跨度空腹夹层板由上下肋、剪力键以及混凝土薄板构成，其腹部中空。

以往空腹夹层板结构施工时，均采用两次搭设脚手架的施工方式：在现场搭设满堂脚手架的情况下，第一次浇筑空腹夹层板的下部网格（即下肋）以及剪力键部分混凝土［7］。待混凝土初凝后，再搭设上部密肋网格板（即上肋和薄板）的模板及钢筋，第二次浇筑上部网格板细石混凝土。由于薄板的模板并没有搭设，因此在第一次浇筑下部网格混凝土时，需另搭设施工平台，采用通常形式的施工平台如图1所示。人员施工工序繁琐，易出现安全事故，且需在搭设上部支撑体系之前拆除上述施工平台，施工成本较高。

图1 通常形式的施工平台

为保证施工时工人的人身安全，节约施工成本，本工程在施工时所有支架一次性搭设完成，支架立杆根据每层层高不同单独设置，除下肋及剪力键立杆外，其余立杆搭设至薄板底面，采用下肋模板支撑利用短横杆连接两个立杆的形式。支架体系基本完成后，铺设下肋底板模板，模板完成后，绑扎下肋钢筋，安装下肋侧向模板。模板上口采用步步紧加固，中间处采用短横杆连接至下肋两侧立杆形成横向支撑加固形式，避免混凝土胀模。在浇筑混凝土前加固支架，每个剪力键下方及较大下肋单独支撑钢管，并与周围立杆连接形成整体，确保混凝土浇筑时支架体系的稳定（见图2）。

图2 整体支架模板体系搭设示意

3．2 有限元分析

以贵州省老干部活动设施改扩建项目A区为例，对多层大跨度空腹夹层板结构的支撑体系进行有限元验证［8］。

3．2．1 有限元分析模型

在大跨度空腹夹层板结构支撑体系设计中，采用有限元软件SAP2000进行整体分析计算。在实际的施工过程中，由于外界环境以及施工工序等一系列因素的影响，很可能导致施工材料在使用过程中出现变化。在施工环节中，浇筑工作完成之后，混凝土的龄期会出现相应增长，而且其强度以及弹性模量也会有一定程度的增大，这对工程施工的后续工作有一定影响。基于此，施工单位可以利用有限元分析，采用早龄期混凝土弹性模量的计算公式来对其实际的变化量进行分析与记录，从而确保混凝土浇筑过程中性能的稳定，进而为后续的施工工作奠定良好基础。

由于本工程跨度较大，支撑体系较为复杂，因此在建立有限元模型时，通过最大承载力相等原则对支撑体系进行等效处理，从而忽略水平拉杆的影响。根据工程A区的实际情况，其有限元模型如图3所示。

3．2．2 楼板受冲切承载力验算

空腹夹层板部分薄板厚度均为h＝100 mm，取支撑立杆轴力最大值，即52.19 kN进行验算。本工程支撑立杆端部的方木尺寸为100×100 mm，厚度为12 mm。由《混凝土结构设计规范》中的计算公式可知，在局部荷载或集中反力作用下楼板的受冲切承载力验算为：

由此可知，采用此种施工方式时，楼板受冲切承载力满足要求。

3．2．3 空腹夹层板上下肋和剪力键内力及配筋验算

一层下肋轴力以及弯矩分布情况如图4～图5所示。内力分布与设计相同，下肋边节间处为压力，中间节间为拉力；弯矩值一般情况下会出现相应的变化，一般是由边节间向中间呈现节间递减的趋势［9-11］。

图3 A区有限元模型

图4 一层下肋轴力图

图5 一层下肋弯矩图

剪力键的剪力分布如图6所示，与设计相同。越靠近肋的支座剪力键的剪力值越大，越往跨中剪力值越小。

由此可见支撑体系的搭设并未影响上下肋以及剪力键的内力分布情况。

本工程下肋、剪力键混凝土强度等级为C40，上肋混凝土强度等级为C45；上下肋、剪力键设计时纵筋均采用HRB400级钢筋，箍筋均采用HPB300级钢筋。

（1）上下肋配筋验算

以某局部位置下肋配筋为例进行说明，有限元分析结果表明此处所需纵筋配筋面积2 887 mm2，而本工程设计中的下肋纵筋为6 12+625，则纵筋配筋面积为3 623 mm2＞2 887 mm2。在经过计算验证后，上下肋配筋均满足要求［12］。

（2）剪力键配筋验算

经过分析与计算得知，在此过程中剪力键所需纵筋配筋面积最大为3 002 mm2，而纵筋最小配筋面积为4 572 mm2，在经过比较分析后配筋满足设计要求。

综上所述，采用该支撑施工时夹层板设计满足要求。

图6 一层剪力键剪力分布

4 结束语

基于空腹夹层板结构复杂，施工难度大，采用了整体一次性搭设支架模板体系的措施，避免了二次搭设安全平台，提高了施工效率，且经济效益尤为显著。通过对大跨度空腹夹层板结构支撑体系设计及分析，得出以下结论：

（1）在多层大跨度空腹夹层板结构进行施工时，可采用扣件式满堂脚手架的搭设方式。

（2）空腹夹层板支撑体系改进技术的核心部分是根据受力分析计算，一次性搭设支架及模板，减少了二次搭拆安全施工平台的工作量，且更有效地保证了人员的施工安全，大大节省了施工工期。

（3）满堂脚手架支架体系一次性搭设完成，下肋支撑采用短横杆连接两个立杆的形式，板立杆直接搭设至板底，以方便施工，为混凝土浇筑留出足够安全且方便的工作面。