多环式超高强度混凝土装配式房屋应用试验研究

李志高，赵伟华，贾英杰

（1.建华建材（中国）有限公司，江苏 镇江212000；2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044）

1 项目背景

该工程位于鄱阳湖湿地草原体验区西山岛，由江西省某研究院统一规划和设计，采用轻型预制装配式圆环形或圆柱形建筑设计，项目代号“圆梦小屋”。由于项目位于旅游区，因此建筑部件需满足人工搬运的重量限制、外立面的混凝土材质体现、快速拼装、安全可靠等要求。建华建材（中国）有限公司根据设计要求，参考国内外类似项目的经验，结合自身生产能力，提供了一种多环式超高强度混凝土装配式设计方案。文章就该方案的结构形式、设计计算及试验情况作简要介绍。

1.1 “圆梦小屋”的结构形式

“圆梦小屋”为多个圆形筒状结构组成的具有景观效果的建筑物。由于该建筑位于山区，施工中无法使用大型设备进场安装，需将其拆分成足够小的单片构件以便于人工搬运，因此每片质量不能超过60 kg且应易于施工安装，而传统的钢筋混凝土构件无法满足上述要求，只有采用强度更高的超高强混凝土（以下简称UHPC）材料，才有可能制成较轻薄的构件。UHPC采用最大密实理论模型进行混凝土配合比设计，原材料分别采用级配石英砂、硅酸盐水泥及自主研发的UHPC专用掺合料、钢纤维等，养护工艺采用90°C蒸汽养护48 h。经实际测试，该UHPC的轴心抗压强度 fc＞130 MPa，抗折强度ff＞18 MPa，轴心抗拉强度 ft＞6.0 MPa，混凝土弹性模量Ec＞48 GPa，氯离子扩散系数（RCM法）为1.8×10-14m2/s，90 d碳化深度为0。

另外，为了保证居住品质的要求，小屋单管内直径不小于2 800 mm，进深6 000 mm。另外，为了体现景观效果，小屋采用“2+1”的叠放组合形式。

经测算，“圆梦小屋”单管内直径取2 900 mm，每管沿纵向划分为12环，每环长500 mm，在圆周方向上将圆环拆分为6片，每片弧长约1 535 mm。为了满足重量要求、利用UHPC的高强度性能，环片的主要厚度设计为30 mm。单环截面尺寸如图1所示。

图1 单环截面尺寸

连接方面，环片之间通过钢板和螺栓连接。为了便于环片在横向和纵向上的连接以及增加成环后的整体刚度，连接点处的混凝土增厚至60 mm，形成加强肋（图2）。纵向环与环之间也采用钢板和螺栓连接，为了防止通缝的出现，相邻环之间沿环轴线旋转30°，使小屋的环片形成齿形交错的排布形式，如图3所示。

图2 单片尺寸示意

图3 单管环片纵向组合示意

“2+1”组合拼装时，下部两环使用钢制支座固定在地面上。支座托架为90°弧长的钢板，与环片之间通过橡胶垫片压紧在一起。上部单环与下部两环之间通过支架组合在一起，支架与环片之间通过设置橡胶垫进行缓冲。如图4所示。

图4 “2+1”的组合形式

1.2 有限元模型

由于该方案结构的特殊性，在初步设计时，通过有限元法对小屋单管进行结构分析，进而确认UHPC混凝土力学性能指标能否满足设计要求。有限元计算使用ANSYS软件，采用实体建模的方式对结构的整体变形、局部应力进行计算分析。

小屋单管环片采用UHPC混凝土材料，有限元计算中使用弹性本构模型。材料弹性模量为4.5×104MPa、泊松比为0.2、密度为2.5×103kg/m3。

连接用螺栓、钢板及支座、支架均为Q235B钢材，采用弹性本构模型。材料弹性模量2.0×105MPa、泊松比为0.3[1]、密度为7.85×103kg/m3。

橡胶垫片为超弹性材料，采用Mooney-Rivlin两参数模型本构[2]，C10=0.52 MPa，C01=0.13 MPa。

建模尺寸与设计方案相同。为了降低建模的难度，螺栓与钢板采用一体化建模，简化了螺栓形式。

简化后的螺栓模型省略了丝牙，因此螺栓与环片之间采用Bonded[3]接触，假设两者之间紧密连接，不会发生滑移和分离。

组装完成的“圆梦小屋”为圆型截面，在荷载作用下环片之间会产生挤压力，实际施工时环片之间缝隙使用水泥砂浆填充。因此在有限元计算时，环片之间的接触面采用No Separation接触，使环片之间可产生法向应力也可发生小滑移。

橡胶垫作为缓冲部件，与支座之间采用Bonded接触，假设两者之间不发生分离和滑移，与环片之间采用Rough接触，若两者之间有较大的摩擦力，即可发生微小的滑移。

计算荷载包括自重及外荷载两种。自重荷载由材料密度和重力加速度经程序自动计算得到，施加在整体模型上。外荷载情况较复杂，按照小屋“2+1”的组合形式，根据相关规范及业主的要求得到小 屋的荷载组合，见表1。

表1 小屋荷载取值

为了便于计算和施加荷载，按单管环片的等效最大弯矩，将“2+1”模式下的荷载组合转换为最不利状态单管的等效外荷载，经计算得到单管顶部等效外荷载为60 kN。有限元模型计算中采用Force荷载直接施加在单管顶部。

支座底面采用Fixed Support边界条件，约束所有自由度。计算过程共分为6个荷载步：第1个荷载步施加自重荷载，第2～6荷载步按每步增加12 kN逐渐增大外荷载，最终总荷载值达到60 kN。

1.3 有限元计算结果

在自重荷载作用下，小屋产生整体向下的变形，最大位移1.83 mm，位于管片的最上部，中间管片的变形比两端管片的变形略小。

施加外荷载后，变形趋势与自重荷载作用下变形基本一致。随着荷载的增加位移逐渐增大，当荷载达到60 kN时，向下最大位移达到了8.74 mm。水平方向上的位移变形表现出了明显的对称性，小屋左右两侧各产生了4.99 mm的最大位移，最大处位于小屋水平中线靠上的位置。

小屋管片所受最大主应力约5.0 MPa，小于UHPC混凝土的极限抗拉强度。最大主应力的最大值位于支座附近管片的内侧加强肋处，同时顶部管片内侧所受拉应力也较大。

1.4 单管载荷试验

为了验证计算结果的可靠性和实际结构的安全性，建华建材（中国）有限公司对“圆梦小屋”的承载能力进行了试验验证。试验体为足尺寸单管小屋，材料、尺寸及组装方式均与设计方案一致。

由于管片结构实际性能未知，出于安全需要，在试验准备时采用钢管脚手架对结构内部及周围进行了支挡围护。试验中以堆放沙袋作为荷载的施加方式，堆放于小屋顶部的脚手架围栏内。

试验测量指标为小屋管环外围竖向尺寸及水平尺寸，同时在小屋纵向中间位置测量其横向水平变形。初始加载荷载为每级0.6 kN/m2，做观察后增加至每级1.2 kN/m2，每级加载后进行数据测量和记录。

试验中，前期每级加载后小屋的整体竖向变形及水平变形均在1 mm左右。当加载至5.4 kN/m2时，每级的竖向变形和水平变形增大到2～3 mm，加载至6.0 kN/m2、总荷载达到60 kN时，局部管片（两侧各一片）出现了细微水平裂缝，小屋顶部管片内侧钢片外由漏浆形成的混凝土薄皮出现掉皮现象，加载过程中有响声，停止加载结束试验。试验记录见表2。

表2 “圆梦小屋”载荷试验加载记录

2 试验结果及结论

（1）有限元计算结果显示，在自重及60 kN外荷载作用下，小屋在竖向上共发生8.74 mm的最大位移变形，横向上共产生9.8 mm的最大位移变形。而载荷试验结果表明，在自重及60 kN的堆载作用下，小屋在竖向上的最大位移变形平均值为9.5 mm，水平向的最大位移变形平均值为13 mm。通过对比有限元计算值和试验结果，两者拟合度较高，有限元模型比较好地反映了小屋结构的实际性能。

（2）载荷试验加载后的变形量及隔天后的测量结果显示，小屋带载状态下变形量并未进一步增大。大部分UHPC管片外侧无裂缝出现，直接放置沙袋的管片区域也未出现肉眼可见的裂缝，表现出了较好的强度及抵抗变形的能力。

（3）有限元计算结果显示，连接钢板及螺栓在荷载作用下远未达到屈服强度。载荷试验中也未见其产生明显的变形，各环拼接缝未见明显加宽。

（4）有限元计算及试验结果显示，“圆梦小屋”的设计方案安全可行。在本次计算及试验的基础上，将会对“圆梦小屋”的设计进行进一步改进，以满足不同使用功能和环境场地的项目需求。