植物纤维板胎膜安装施工的数值分析与应用_沈杰.pdf

建 筑 技 术 Architecture Technology第 54 卷第 4 期 2023 年 2 月Vol.54 No.4 Feb.2023503植物纤维板胎膜安装施工的数值分析与应用沈 杰，武建辉，付勤友，王杰群，刘存荣（武汉建工集团股份有限公司，430056，武汉）摘要：针对桩基工程的施工特点，提出一种尺寸通用、重量轻、安装方便、操作简单、连接构造多样、牢固可靠、成本低，适用于大多数工程及可批量生产的预制植物纤维板胎膜，通过数值分析的方法给出其适用条件并在工程中应用。实践表明，该法不仅能简化工序，缩短工期，提高施工质量，还能节能降耗，满足绿色施工的要求。关键词：桩基工程；植物纤维；胎膜；数值分析中图分类号：TU 473.1+2 文献标志码：A 文章编号：1000-4726(2023)04-0503-04NuMEricAl ANAlysis AND ApplicATioN oF plANT FiBErBoArD TirE MEMBrANE iNsTAllATioN AND coNsTrucTioNSHEn Jie,Wu Jian-hui,FU Qin-you,WAnG Jie-qun,LIU Cun-rong(Wuhan Construction Engineering Group Co.,Ltd.,430056,Wuhan,China)Abstract:Aiming at the construction characteristics of pile foundation engineering,this paper proposes a prefabricated plant fiberboard tire membrane with universal size,light weight,convenient installation,simple operation,various connection structures,firmness and reliability,low cost,and suitable for most projects and mass production.The applicable conditions are given by the method of numerical analysis and applied in engineering.Practice shows that this method can not only simplify the process,shorten the construction period,improve the construction quality,but also save energy and reduce consumption,and meet the requirements of green construction.Keywords:pile foundation engineering;plant fibers;fetal membrane;numerical analysis随着高层、超高层建筑的蓬勃发展，植物纤维板胎膜在桩基承台中的使用日趋频繁。植物纤维板由于其重量轻，拼装方便、成本较低以及连接牢固等优点，在承台隔断胎膜中的应用占有绝对优势，特别是土质情况良好的条件，应用植物纤维板胎膜可以大幅度节省时间。但由于施工方案中并没有规定承台胎膜的施工方法以及施工材料等，导致胎膜在施工过程中出现了许多问题。因此，对胎膜的施工方法特别是植物纤维板胎膜的施工方法的研究显得尤为重要。以金银湖大厦项目为研究背景，主要对植物纤维板胎膜的施工方法及适用深度进行了探讨。1 工程概况金银湖大厦项目位于武汉市东西湖区金银湖街道，主楼建筑高度 199.6 m，裙楼建筑高度 31.5 m，地下室总建筑面积约 5.4 hm2。所有承台胎膜均采用植物纤维板拼装而成，纤维板构造及规格要求直接在工厂定制。纤维板钢板加固件与对应的植物纤维板配套使用，先根据其设计构造要求加工，然后运输至现场拼装加固，如图 1 所示。图 1 植物纤维板胎膜现场安装施工2 植物纤维板胎膜设计按照标准化生产和装配式安装的思路，通过对大量工程承台和基础梁的尺寸进行统计并预先考虑不良土质情况的不利影响，对预制植物纤维单元板块设计进行优化，确定合理的模数和拼装方法。植物纤维板通过单元板块上的凹凸构造拼接而成，然后用与之配收稿日期：20221201基金项目：湖北省建设科技计划项目（No.43）作者简介：沈杰（1993），男，湖北潜江人，工程师，硕士，e-mail:建 筑 技 术第 54 卷第 4 期504套的钢板加固工具进行单元板块加固，形成具有一定强度和刚度且能承受侧向水平土压力、内面光滑的轻质胎膜。2.1 植物纤维单元板块植物纤维单元板块应根据承台的尺寸进行切割。根据现场实际情况，以规格尺寸为 90mm 500mm1000mm 的单元板块为例进行说明：其特点是端部带有凹凸造型，便于现场组装过程中减少相邻两块植物纤维板之间的缝隙，增强其稳定性，构造如图 2 所示。（a）（b）图 2 植物纤维单元板块构造示意（a）单元板块；（b）板块拼装示意2.2 钢板加固器具植物纤维板主要应用于地上隔墙处，在桩基承台胎膜中的使用并不普遍，现场尚无明确有效的加固方法。为解决这一难题，本文单独设计了实用的钢板加固器具，目的是增强其施工稳定性，具体构造及加固方式如图 3 所示。3002001005030010050（a）（b）（c）图 3 加固件构造及加固方式示意（a）尺寸示意；（b）构造示意；（c）加固方式示意2.3 植物纤维板活塞由于植物纤维板的构造特点，在承台上进行垫层混凝土浇筑时，板上孔洞内易流入混凝土，导致孔洞处混凝土未进行振捣或振捣不实，容易产生塌陷。采用植物纤维板活塞提前堵塞孔洞，能有效防止问题出现，构造如图 4 所示。活塞植物纤维板混凝土垫层土层加固件放坡砖块基础桩（a）（b）图 4 胎膜安装构造示意（a）胎膜组成示意；（b）胎膜三维示意3 适用深度分析在植物纤维板胎膜初步设计完成后，为了解胎膜隔断不同深度对施工过程的影响，对其进行有限元数值分析是支架设计中的重要环节。3.1 荷载计算本工程地下室大小承台共 134 个，以尺寸为4 m4 m2 m 的承台为例，以 1 m 长度的胎膜为研究对象进行有限元模型分析。顶部施工线荷载 q 取3 kN/m，查得其隔断胎膜相当于 C15 混凝土强度，抗弯设计强度为 ft=0.9 MPa，回填采用杂填土，容重 为 18.5kN/m2，内摩擦角 为 15，胎膜采用 90 mm厚硅钙植物纤维预制，计算主动土压力并作受力如图5 所示。将地面局部荷载转换成方量土层厚度：h1=q/=3/18.5=0.162m （1）计算总高度：2023 年 2 月505沈杰，等：植物纤维板胎膜安装施工的数值分析与应用植物纤维板胎膜3 kN/mEq25.456 kN/m1.765 kN/mH/3图 5 荷载作用图H=h+h1=2+0.162=2.162 m （2）在填土面处土压力强度：P0a=htan2(45/12)=18.50.162 tan2(4515/2)=1.765 kN/m2 （3）膜底部的土压力强度：P0b=(h+H)tan2(45/12)=18.5(0.162+2)tan2(4515/2)=23.549 kN/m2 （4）则主动土压力为：Ea=(1.765+23.549)/2=12.657 kN/m （5）3.2 有限元模型建立通过前文对植物纤维板胎膜构造的分析可知，建模时应主要对三处节点进行控制：（1）胎膜下端单元支撑约束；（2）同一方向单元与单元之间的约束；（3）不同方向单元之间的约束。已知胎膜下端由于垫层的浇筑有向内的约束，故下端单元采用一般支撑且限制向内的 x 方向约束；由于单元与单元之间也存在约束（y 方向），因此在有限元软件建立单元的过程中施加 x、y 方向约束。同一方向上，单元之间通过板块的构造连接，限制了在各方向上的位移，而根据经验，此处很少优先发生断裂，故采用半刚性连接，相对值取 80%。不同单元之间加固件的连接作用，可视为刚性连接。建立有限元模型，其中节点一共81个，单元36块，材料分植物纤维板和方木两种，如图 6 所示。图 6 纤维板胎膜有限元模型（计算机截图）3.3 结果分析为研究植物纤维板高度对承台稳定性的影响，结合荷载计算过程，依次增加纤维板高度 h，通过模型计算其受到的最大应力值，判断其是否超过材料的抗弯设计强度，直至植物纤维板胎膜高度不符合要求为止。对 h 依次取 2、2.1、2.2、2.3m 时的荷载计算表格见表1，以此计算得到的应力云图如7（a）、7（b）、7（c）、7（d）所示。表 1 胎膜各项荷载随深度变化值各项值深度/m22.12.22.3地面局部荷载转换挡土层厚度h1/m0.1620.1620.1620.162总计算高度H/m2.1622.2622.3622.462填土面处压力强度P0a/（kN/m2）1.7651.7651.7651.765墙底部的土压力强度P0b/（kN/m2）23.54924.63925.72726.817（a）（b）（c）（d）图 7 不同胎膜高度对应的应力云图（a）2 m；（b）2.1 m；（c）2.2 m；（d）2.3 m将不同应力云图上显示的最大应力值与材料抗弯强度值进行对比分析，如图 8 所示。由此可得到以下结论：（1）植物纤维板胎膜深度为 2.3 m 时，胎膜所受最大拉应力超过材料抗弯强建 筑 技 术第 54 卷第 4 期506最大抗弯强度最大拉应力胎膜深度/m1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.31.21.00.80.6最大应力/MPa图 8 胎膜结构最大应力随深度变化曲线度，采用植物纤维板胎膜施工时，应控制承台埋深以及明确该种材料使用范围，宜控制在 2.2 m 以内。（2）植物纤维板胎膜在纵横板交接处易发生破坏，在施工过程中应加强此处连接，尤其是底部未采取加固方式的情况，施工时要引起重视。4 施工技术及操作要点4.1 技术特点（1）采用模块化的单元板块，直接在工厂批量制作，制作精度高，不影响现场施工，提高了工效；（2）安装工艺简单，流程清晰，操作便捷；（3）采用创新型的植物纤维板构造，单元板块能有效咬合连接，增强胎膜整体稳定性的同时杜绝了渗漏的发生；（4）设计新型的作用在承台胎膜四角的加固工具，通过方木连接形成整体，有效防止植物纤维板内外倾斜，进一步增强胎膜的稳定性；（5）通过制作模块固定、大小合适的砌块，封堵在植物纤维板胎膜截面孔洞处，解决了孔洞混凝土易塌陷问题。适用于承台埋深不超过 2.2 m 或者基础梁以及类似地下埋入构件的胎膜施工。4.2 工艺流程预制植物纤维板胎膜安装施工流程：测量放线、定标高机械土方开挖至承台底以上 250 mm 人工清土、平整浇筑承台垫层植物纤维板拼装、加固承台周边回填拆加固件底板垫层浇筑承台及底板钢筋绑扎浇筑承台及底板，示意如图 9 所示。图 9 植物纤维板胎膜安装示意4.3 操作要点4.3.1 植物纤维板拼装垫层应与承台平面尺寸大小相同，浇筑完成后在垫层边上铺设一匹砖用于定位，宽度 10 cm，且铺设面在垫层底面以下 10 cm，如图 10 所示。承台土层轻质隔断承台垫层砖块图 10 纤维板定位示意4.3.2 块体缝隙抹灰植物纤维板胎膜完成拼装后，相邻板块之间会存在缝隙，须用水泥抹平，尤其是转角衔接处及竖向拼补部位，而不用大面涂抹水泥砂浆。4.3.3 加固件拆卸植物纤维板加固件拆卸时间应严格控制，严禁在回填土之前拆卸，防止回填过程中或回填完成后由于地表水侵蚀而发生边坡滑移甚至坍塌。加固件应在回填土沉降初步稳定后拆除，拆除处用活塞封堵孔洞。4.3.4 承台卷材防水铺设卷材前，应先清理基层，保证地面平整坚实、无明水。施工前，植物纤维板胎膜与垫层之前的阴角用水泥砂浆抹成圆弧状，基面放好大样，将卷材预铺调整。基层不