新型装配式密肋空腔楼盖的结构性能研究与应用_刘虎山.pdf

Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 13 期11文章编号：2095-6835（2023）13-0011-06新型装配式密肋空腔楼盖的结构性能研究与应用刘虎山1，宋兴禹2，赵 林2，张 超1（1.江苏满堂红建筑装饰工程有限公司，江苏 扬州 225000；2.扬州大学建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225000）摘要：装配式密肋空腔楼盖由装配箱与现浇密肋梁复合而成。它同时具备装配和现浇两种楼盖结构的特点，施工工艺简单，工作性能优良，综合经济效益好，适用于多高层工业与民用建筑中大跨度的楼盖。提出了一种新型装配式密肋空腔楼盖新体系，由整体式装配箱、现浇的钢筋混凝土密肋梁和框架梁共同组成。新型装配箱采用梯形截面，可以适当提高密肋梁的开裂荷载；同时箱体侧板四角设置暗柱，暗柱内放置暗柱筋，在运输过程中起到抗剪、提高整体性的作用。有限元模拟分析结果表明，整体式装配箱可以满足吊装、运输的要求，新型密肋空腔楼盖体系具有良好的工作性能、刚度以及承载能力。同时，结合工程实例，详细介绍了该楼盖的施工工艺。关键词：装配式密肋空腔楼盖；装配箱；有限元分析；施工工艺中图分类号：TU755文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.13.004新型装配式密肋空腔楼盖是由预制装配箱与现浇密肋梁复合而成，同时具备装配式和现浇两种楼盖结构的特点，具有施工工艺简化、工作性能优良、综合经济效益好等优点1，是继普通梁板式楼盖体系、无梁楼盖体系、密肋梁楼盖体系之后的一种新型空心楼盖体系，对传统空心楼盖做了一定改良。一直以来相关学者对此做了大量的研究2-4，以满足不同的建筑结构的需求。其中吴方伯研发的装配整体式密肋空心楼盖已经运用到大量实际工程中，取得了一定的社会经济效益5-7。SCHWETZ8等对停车场的楼盖进行实测，试验用应变计和位移计测量楼盖的应力和变形，用格形有限元和三维实体有限元模型进行数值分析，把试验和模拟结果进行对比发现，采用两种有限元模型和试验所测量楼盖的应力和变形是统一的。美国工程师 HENDLER9对前人的方法进行修改，设计提出了以块状发泡塑料为填充物的蜂窝式空心无梁楼盖。它的特点是：利用连续的混凝土整体底板，在承载能力不变的情况下，比传统结构更轻，不过因为技术的原因，蜂窝式空心楼盖没能被广泛使用。魏平10和李书进等11对新型密肋楼盖进行试验和数值模型，验证了其双向性和整体性的工作性能，在考虑薄膜效应的情况下，对构件的极限承载力进行计算，提出楼盖挠度变形的修正公式。NIE 等12提出了一种新型的组合密肋楼盖结构，这种结构由正交型钢梁和钢筋混凝土平板组成。通过对该结构的使用研究，还发现了这种新型组合结构具有很好的承载能力和延展性能。新型装配式密肋空腔楼盖在建筑结构中具有创新意义，在未来的建筑行业有广泛的应用市场。1新型装配式密肋空腔楼盖1.1新型装配式密肋空腔楼盖组成新型装配式密肋空腔楼盖是由整体式装配箱、现浇的钢筋混凝土肋梁和框架梁共同组成的水平楼盖体系。整体式装配箱是由混凝土整体浇筑的内含轻质泡沫箱体，箱体参与结构整体受力，同时又起到肋梁模板的作用。肋梁采用普通混凝土现浇而成，与装配箱结合成整体楼盖。楼盖示意图如图 1 所示。图 1新型装配式密肋空腔楼盖示意图1.2整体式装配箱构造整体式装配箱采用梯形截面，可以适当增大密肋梁受压区面积，提高密肋梁开裂荷载。装配箱平面尺寸可根据跨度及荷载的情况选择，高度尺寸为肋梁高。同时，为了保证运输、起吊方便，每个装配箱重量不宜过大。基金项目住建部科技计划项目（编号：2017-K9-010）；扬州市科技计划项目（编号：SCY2020010043、YZ2019138）科技与创新Science and Technology&Innovation122023 年 第 13 期箱体侧板较薄，尺寸一般设置为 1015 mm，装配箱顶板、底板平面尺寸和厚度可根据设计要求进行相应调整，但应符合 JGJ/T 2072010装配箱混凝土空心楼盖结构技术规程13的相关规定。为了防止在运输过程中箱体侧壁损坏以及脱模过程中对侧壁的损伤，在箱体四角布置暗柱并内置钢筋骨架。四角加暗柱可以有效提高箱体整体性能，防止角部破坏。装配箱基本构造如图 2 所示。1顶板；2底板；3侧板；4暗柱；5轻质泡沫；6暗柱内桁架筋；7顶板分布筋；8底板分布筋。图 2预制箱体示意图整体式装配箱的具体制作流程为：首先布置底板的分布钢筋，保证分布筋外伸出底板边缘一定距离，其次布置箱体侧板四角暗柱的暗柱筋，暗柱筋倾斜一定的角度，并且暗柱筋内的纵筋分别伸入上下板中，浇筑底板；然后布置侧板外模板，沿侧板四周内布置钢丝网，接着在箱体内放入轻质泡沫，作为箱体侧板的内模板；之后开始绑扎箱体顶板的分布钢筋，同时保证分布筋外伸出顶板边缘一定距离，最后整体浇筑，使之成型，成品如图 3 所示。图 3装配箱成品图2有限元模拟分析本章采用有限元软件 ABAQUS 先对装配式密肋空腔楼盖进行模型分析，从应力变形云图、挠度曲线等分析在不同的荷载情况下，楼盖的破坏形态和整体性能。2.1新型装配箱根据工程实际，单个装配箱的尺寸为 1 000 mm1 000 mm300 mm，箱体的上下底板厚度为 42 mm，内设分布筋。在距离顶板四周 30 mm 的位置设侧板，厚度为 15 mm，箱体为梯形截面。侧板内部四角设置暗柱且暗柱内配置桁架筋，暗柱截面为等腰三角形，腰长 70 mm。箱体混凝土均选用 C30，上下板中钢筋选用 C6。2.1.1新型装配箱顶板有限元模拟对顶板采用四边简支，根据装配箱楼盖规程，单个装配箱承担一个施工作业人员的重量，再加上现场构件的搬运和堆放，施工荷载宜取为 10 kN/m2偏于安全。从计算结果可以看出，当 10 kN/m2的荷载作用在顶板上时，顶板最大应力只有 2.85 MPa，中心最大变形为 0.412 mm，混凝土没出现损伤，板仍处于弹性状态。2.1.2新型装配箱整体的有限元模拟装配箱在运输过程中叠放，叠放 5 层，考虑到侧板较薄，只起到模板作用，荷载全部由暗柱承担，每个装配箱自重 2.5 kN/m2，5 个合计 12.5 kN/m2，考虑动力系数 1.5，荷载为 12.51.5=18.75 kN/m2，实际计算取 20 kN/m2。计算结果如图 4、图 5 所示。从计算结果可知，在 20 kN/m2荷载作用下，装配箱竖向变形只有 0.045 mm，最大应力 6.58 MPa，暗柱没有损伤，没有塑性变形，完全处于弹性状态，表明暗柱的设置可有效提高装配箱的整体性能，满足运输和安装要求。图 4装配箱受压应力云图图 5装配箱受压变形云图通过对装配箱的有限元模拟可以得到以下结论。当对装配箱顶板施加 10 kN/m2的荷载时，顶板最Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 13 期13大应力只有 2.85 MPa，中心最大变形 0.412 mm，满足规范规定的正常使用要求。装配箱在运输过程中，模拟叠放 5 个装配箱的情况，在 20 kN/m2荷载作用下，装配箱竖向变形只有 0.045 mm，最大应力 6.58 MPa，符合箱体运输要求。装配箱在脱模过程中，当施加 6 kN时，装配箱竖向变形只有 0.014 mm，最大拉应力1.75 MPa，暗柱无损伤，没有塑性变形，完全处于弹性状态，证明暗柱符合要求。装配箱的顶板、侧板和暗柱的设计是合理的，满足箱体正常使用、运输和脱模的要求。在运输过程中，箱体的竖向变形小，说明暗柱的设置提高了箱体的整体性，箱体在运输过程中，安全性能提高。2.2装配式密肋空腔楼盖有限元模拟密肋空腔楼盖的建模几何参数设计：装配整体式密肋空腔楼盖标准跨的尺寸为9 000 mm8 400 mm300 mm，顶板和底板的厚度分别为 42 mm，柱子截面尺寸为700 mm700 mm；肋梁高300 mm，宽200 mm；边框梁高 800 mm，宽 400 mm。箱体的尺寸有 1 000 mm1 000 mm300 mm和1 000 mm800 mm300 mm两种。其中恒载取 3.5 kN/m2，活载取 2.0 kN/m2，楼盖的具体尺寸和模型如图 6、图 7 所示。单位：mm图 6装配式密肋空腔楼盖平面尺寸图 7装配式密肋空腔楼盖模型2.2.1荷载标准组合下挠度与应力分析在荷载标准组合（1.0 恒载+1.0 活载）5.5 kN/m2的作用下，构件的竖向位移与应力云图如图 8图 11所示，空心楼盖构件的有限元分析所得结果为4.71 mm，顶板角部区域变形小，混凝土应力小，只有1.46 MPa，远远小于压应力限值，构件没有发生破坏。从图 11 可以发现，底板主拉应力主要集中在底板中部及边框梁中部，最大拉应力为 5.54 MPa，已经超过混凝土拉应力限值，说明混凝土已经开裂。从钢筋应力云图可以看出，此时最大应力为 4.82 MPa，钢筋处于弹性状态。图 8荷载标准组合下竖向变形云图图 9荷载标准组合下顶板应力云图图 10荷载标准组合下底板主拉应力云图科技与创新Science and Technology&Innovation142023 年 第 13 期图 11荷载标准组合下钢筋应力云图为了了解楼盖的整体工作性能，分别沿 11 和 22 方向（如图 6 所示）绘制了肋梁楼盖底板的挠曲线和混凝土等效应力迹线，如图 12、图 13 所示。从图12 可以看出，当施加 5.5 kN 的荷载时，楼盖在中心点的挠度最大，为 4.71 mm，四角处的挠度几乎为 0，实线代表 11 方向的挠度，虚线代表 22 方向的挠度，两个方向的挠曲线吻合良好，说明楼盖整体受力且处于双向受力状态。从图 13 可知，楼盖中心位置的应力最大为 1.46 MPa，两个方向的混凝土等效应力迹线吻合良好，可以知道楼盖底板整体受力，装配箱与密肋梁可以共同工作且变形协调，曲线有波动，说明混凝土有开裂。图 12荷载标准组合下两个方向挠曲线图 13荷载标准组合下两个方向应力迹线2.2.2荷载基本组合下挠度与应力分析在荷载基本组合（1.3 恒载+1.5 活载）7.5 kN/m2下的竖向位移与应力云图如图 14图 17 所示，空心楼盖构件的有限元分析所得结果为 6.28 mm。顶板混凝土最大压应力为 1.60 MPa，小于混凝土抗压强度限值，说明混凝土没有破坏；混凝土底板主拉应力主要集中底板中部及边框梁中部，混凝土开裂范围较正常使用极限状态增大。根据钢筋应力云图 17 可知，此时钢筋的最大应力为 6.71 MPa，仍处于弹性状态，说明配筋满足承载能力极限状态要求，而且偏于安全。沿 11 和 22 方向肋梁楼盖底板的挠曲线和混凝土等效应力迹线如图 18、图 19 所示。从图 18 中可以看出，当施加 7.5 kN/m2的荷载时，楼盖在中心点的挠度最大，为 6.28 mm，四角处的挠度几乎为 0，两个方向挠曲线吻合良好，说明楼盖整体受力且处于双向受力状态；图 19 是两个方向的混凝土应力迹线，板中心位置应力最大。两个方向的等效应力迹线趋势一致，达到基本吻合，说明楼盖底板整体受力，装配箱与密肋梁可以共同工作且变形协调，沿 22 方向凝土等效应力高于沿 11 方向，是因为 22 方向跨度较小。图 14荷载基本组合下竖向变形云图图 15荷载基本组合下顶板应力云图距中心点距离/m距中心点距离/m11 方向挠曲线22 方向挠曲线22 方向混凝土应力曲线11 方向混凝土应力曲线Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 13 期15图 16荷载基本组合下底板主拉应力云图图 17荷载基本组合下钢筋应力云图图 18荷载基本组合下两个方向挠曲线图 19荷载基本组合下两个方向应力迹线2.2.3极限状态下挠度与应力分析对构件继续增大竖向荷载，直至构件发生破坏，破坏时的荷载值为 30 kN/m2。在承载能力极限状态下的竖向位移与应力云图如图 20图 23 所示，在极限状态下，混凝土密肋梁空心楼盖跨中心点竖向位移为 43.5 mm。图 20破坏时竖向变形云图图 21破坏时混凝土应变云图图 22破坏时混凝土损伤云图从图 21 和图 22 可以看到，混凝土的破坏主要是在柱与边框梁连接部位，楼盖破坏不严重。距中心点距离/m距中心点距离/m111211 方向混凝土应力曲线22 方向混凝土应力曲线科技与创新Science and Technology&Innovation162023 年 第 13 期图 23破坏时钢筋应力云图从图 23 可以看出，破坏时梁柱连接处钢筋达到屈服，密肋梁和装配箱上下板中钢筋应力未达到屈服，说明破坏时楼盖仍具有较好的整体性，主体框架先于楼盖破坏。图 24 和图 25 分别给出了破坏时沿 11 和 22方向肋梁楼盖底板的挠曲线和混凝土等效应力迹线。从图 24 中可以看出，两个方向挠曲线吻合良好，说明楼盖仍处于整体受力双向受力状态。从图 25 可以看出两个方向的混凝土等效应力迹线波动较大，说明楼盖底板开裂较多，沿 11 方向混凝土等效应力高于沿 22 方向，因为 22 方向裂缝分布更密集，仍具有较好的整体性。图 24破坏时两个方向挠曲线图 25破坏时混凝土应力曲线2.3楼盖有限元模拟结果分析楼盖在正常使用荷载 5.5 kN/m2的作用下，中心竖向位移最大，为 4.71 mm。顶板混凝土最大应力只有1.46 MPa，远小于混凝土抗压强度限值，构件处于弹性工作状态，满足规范要求。楼盖在基本组合荷载7.5 kN/m2的作用下，竖向位移有限元分析值为6.28 mm，顶板最大应力为 1.59 MPa，构件没有破坏，满足规范要求。钢筋处于弹性状态，符合承载能力极限的要求。楼盖的破坏荷载为 30 kN/m2，破坏主要发生在柱与边框梁连接部位，楼盖破坏不严重，偏于安全。构件在 3 种不同的荷载情况下，楼盖基本没有破坏，偏于安全，都处于双向受力的状态。说明楼盖的设计可以满足规范要求，装配箱和肋梁可以共同工作，具有较好的整体性。3新型装配式密肋空腔楼盖在工程中的应用扬州市邗江区新城高级中学教学楼项目的建筑面积为 41 764.3 m2，地上 5 层，地下 1 层。教学楼主体采用框架结构，考虑到该项目跨度较大的特点（标准跨为 9 000 mm8 400 mm），楼盖采用明梁框架加密肋空腔楼盖体系，如图 26、图 27 所示。楼盖密肋梁与整体式装配箱体同高，框架梁尺寸为 300 mm750 mm，密肋梁高根据板厚不同分别取 200 mm 和300 mm。图 26整体式装配箱施工现场图 27拆模后底板（下转第 24 页）距中心点距离/m距中心点距离/m112211 方向混凝土应力曲线22 方向混凝土应力曲线科技与创新Science and Technology&Innovation242023 年 第 13 期图 13登录界面效果图图 14个人中心界面效果图5结束语Ailearn 小程序是一款面向学习计算机相关专业的大学生群体及对计算机编程语言感兴趣的用户的学习类小程序。学习类小程序为移动学习开辟了新渠道，本小程序适应时代发展，结合大众的学习需求，小程序开发功能完善，包括课程资源书籍推荐学习、习题练习等基本功能，以及学习心得记录等辅助功能，学习资源丰富，基本满足使用者的需求。参考文献：1张夏晨，濮方正.信息化背景下基于微信平台的校园资源共享：小程序的开发与使用J.计算机产品与流通，2019（1）：128.2邹明荣，刘小玲，黄琨，等.基于 WXSS/WXML 技术的景区微信小程序的开发：以西岭雪山为例J.信息系统工程，2020（2）：76-79.3谢志妮.基于 uni-app 的微信小程序关键技术运用J.电子技术与软件工程，2021（12）：32-33.4王宏波.基于微信小程序的在线教育商业模式分析J.经济师，2019（11）：212-213，216.5刘敏娜，张晶晶.大学生利用学习类 APP 辅助学习的现状与分析：基于陕西省 694 名大学生的调查J.宝鸡文理学院学报（社会科学版），2020，40（6）：111-117.作者简介：陈金莲（1999），女，广西梧州人，本科，主要研究方向为计算机科学与技术。刘桂红（2001），女，广西贺州人，本科，主要研究方向为计算机科学与技术。张梦怡（2002），女，河南许昌人，本科，主要研究方向为艺术设计。通信作者：徐红（1966），女，广西桂林人，硕士，高级实验师，主要研究方向为虚拟现实。（编辑：丁琳）（上接第 16 页）本项目密肋空腔楼盖采用的是整体式装配箱，与传统分离式装配箱相比，实现了装配箱的整体生成、整体运输、整体施工，解决了以往分离式装配箱构件离散化生产，现场二次组装的问题，同时减少了人工，节约了成本，提高了效率。相比分离式装配箱，采用改进方案工期缩短 7 d，成本节约 80 万元，具有较好的社会经济效益。4结束语本文对整体式装配箱及新型密肋空腔楼盖体系进行了有限元分析，结果表明采用整体式装配箱的新型密肋空腔楼盖可以有效提高楼盖的开裂荷载，同时，在3种不同的荷载工况下的受力状态均符合设计规定，装配箱和肋梁共同工作，楼盖具有较好的整体性及较大的刚度。工程应用也表明，整体式装配箱的使用可以有效提高施工速度，缩短工期，降低施工成本，具有良好的应用前景。参考文献：1中国建筑设计研究院.GB 500102019 混凝土结构设计规范S.北京：中国建筑工业出版社，2019.2柯小虎，张国兵.自承式芯模现浇混凝土空心楼盖的工程应用J.青岛理工大学学报，2016，37（6）：11-15.3金字宣，蔡发祥，刘秘.自承式芯模空心楼板技术在工程中的应用J.建筑施工，2016，38（10）：1366-1368.4张世明.提高GBF蜂巢芯现浇混凝土密肋梁空心楼盖施工技术的探讨J.福建建设科技，2015（4）：73-74，66.5李旭.装配整体式空心楼盖的刚度分析D.西安：长安大学，2014.Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 13 期25（上接第 19 页）首先，在模块级别上设计了主时间框架、分区级调度器、分区状态机、分区管理器等调度相关对象，采用时间驱动方式，让分区调度器按时间片的配置调度每个分区完成状态转换，并在分区进入 NORMAL状态时调度分区内进程调度器执行具体任务；其次，在分区内部设计分区内进程调度器、分区内进程状态机等调度相关内核对象，进程调度器需要根据分区调度器的调度命令，采用基于固定优先级的抢占式调度策略根据进程优先级调度分区内进程完成状态转换。机载操作系统仿真器的开发使得机载软件的开发、测试、验证都可以在个人 PC 机上完成，而无需经历嵌入式软件的交叉编译、烧写、远程调试等复杂程序，简化了机载软件开发、测试和验证的过程，提升了开发效率。3结论机载软件有着代码量大、复杂度高、安全性要求严格等特点，对开发人员提出了很大的挑战。本文为解决这些问题，提出了一个方法体系，采用模型驱动技术、构件化方法和虚拟仿真技术，构建了一种机载软件建模环境来支持机载软件的早期验证，开发机载软件中间件以降低复杂度、提升可复用性，并设计了一种仿真虚拟环境来支持机载软件的测试与验证。本项目的研究成果加快推进了综合航电系统核心技术攻关，可快速转化为机载系统研发产业链中的一环，为快速搭建机载应用程序提供支撑；同时，有助于提高国内飞机设计及生产制造行业的竞争力，对发展国内航空制造技术有积极作用。参考文献：1温晓玲，袁维波.机载软件质量评价方法研究J.航空标准化与质量，2022（4）：37-42.2王卫东，李成文，韩强，等.机载高度综合化测试与维护系统体系架构研究G/2020 中国航空工业技术装备工程协会年会论文集，西安：测控技术杂志社，2020：168-172.3沈谦.基于 ARINC 653 多核多分区操作系统的任务调度D.成都：西南交通大学，2022.4张晓丽，彭寒.基于特定领域建模的综合航电分区级元模型研究J.计算技术与自动化，2019，38（1）：136-138.5姬杭.一种基于 DDS 服务封装的分布式仿真方法和系统：CN111258707AP.2020-06-09.作者简介：彭寒（1976），男，陕西西安人，博士研究生，副教授，研究方向为机载计算机技术、机载软件建模与验证。（编辑：丁琳）6梁东跃.现浇混凝土双向密肋空腔楼盖动力性能研究D.武汉：武汉理工大学，2010.7高岽.DCKJ 现浇混凝土密肋空腔楼盖施工技术J.福建建材，2016（5）：88-90.8SCHWETZ P F，GASTAL F P S L，FILHO L C 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