超大懸挑桁架施工模擬分析

于 科 杜洪利 孫 偉 解曉東 陳前廷

1.中建八局第一建設有限公司 濟南 250100；2.合肥工業大學 合肥 230088

1 工程概況

背景項目為交通銀行金融服務中心（合肥）項目一期和二期一階段B區營業廳及會議區大懸挑鋼結構工程，位于合肥市濱湖新區CBD核心商務區，東臨徽州大道，南臨嘉陵江路，西臨西藏路，北至用地邊界。

B區營業廳及會議中心，地上4 層，建筑高度24.00 m，總建筑面積7 851 m2。營業廳及會議區地上4 層、地下2 層，首層層高6.00 m，2層以上層高均為5.20 m。主體結構采用鋼筋混凝土（部分型鋼混凝土）框架結構，地面以上（大懸挑外）區域采用鋼筋混凝土梁板式樓蓋體系。大懸挑采用空間鋼結構桁架，主要分布在A～C軸之間，如圖1、圖2所示。

圖1 營業廳及會議區鋼結構平面布置示意

2 施工模擬目的

1）根據圖紙和施工方案資料，建立B區營業廳與會議區模型，進行B區懸挑桁架施工過程的模擬分析，得到施工過程中懸挑桁架的內力、變形等變化情況，確定懸挑桁架的最大變形節點，為施工過程在保證安全的前提下順利完成施工任務提供技術參考。

2）建立B區營業廳及會議區模型，通過對計算機模擬的施工過程進行計算，從而得到靜力條件下，B區懸挑桁架的內力以及變形情況，為實際施工過程中搭設模板支撐提供數值計算依據。

圖2 營業廳及會議區鋼結構部分左視圖

3 工作準備

1）依據資料。B區營業廳及會議區建筑與結構圖紙；B區大懸挑鋼結構施工專項方案；相關規范及標準。

2）方法。通過查看相關資料，對B區懸挑桁架項目總體概況進行詳細了解，確定項目模擬分析的目的、方法，運用計算機軟件sap2000v15.1.1建立結構模型，分別模擬懸挑桁架施工過程中和靜力條件下懸挑桁架結構的內力及變形的發展過程和數值計算結果。

4 分析過程及結果

4.1 整體模型的建立

按照設計圖紙，進行軸線的布置、結構構件的定義及布置，主體結構構件節點采用固結點，懸挑桁架鋼結構節點采用鉸接點，建立整體結構模型，如圖3所示。

圖3 整體模型

4.2 懸挑桁架模擬吊裝施工過程分析

懸挑桁架吊裝施工過程模擬時，按照B區懸挑吊裝流程進行分析，整個模擬過程只考慮靜力荷載，不考慮風荷載等的影響，通過靜力條件分析，選擇已有鋼構件ZC2（□600 mm×600 mm×30 mm×30 mm）作為臨時支撐[1-4]。不考慮懸挑部分壓型鋼板的鋪設，取施工恒荷載為結構自重，主體結構的施工活荷載為3 kN/m2，運用sap2000階段施工分析模塊進行模擬分析，分析步驟及結果如下：

4.2.1 模擬施工過程步驟

4.2.2 數值模擬結果分析

圖4 拆除軸臨時支撐

圖5 拆除軸臨時支撐后的軸桁架變形

圖6 拆除軸臨時支撐

圖7 拆除所有臨時支撐后的軸桁架變形

在拆除所有支撐后，豎向位移超過4.5 mm的節點共16 個，如表1和圖8所示。

表1 豎向結構位移超過4.5 mm的節點

圖8 第2跨桁架YZ平面節點編號

4.3 懸挑桁架靜態情況下的數值模擬分析

靜力分析只考慮結構自重、梁間線荷載以及板面上施工荷載，不考慮風荷載以及地震荷載等條件。取結構線荷載為14 kN/m，施工活荷載為3 kN/m2，通過計算機軟件模擬分析得出如下情況。

1）計算模擬結果顯示，結構豎向位移超過35 mm的節點總共22 個，如表2所示。

表2 豎向結構位移超過35 mm的節點

2）靜力條件下，懸挑桁架豎向變形隨著懸挑距離的增加而增加，每一跨桁架平面橫梁兩端豎向變形較小，跨中最大豎向變形較大：第1跨桁架梁端節點豎向位移最大值為-21.671 8 mm，節點編號為261，跨中節點豎向位移最大值為-31.093 3 mm，節點編號為476，節點位置見圖9。第2跨桁架端節點豎向位移最大值為-31.859 0 mm，節點編號為213，跨中節點豎向位移最大值為-41.878 8 mm，節點編號為477，節點位置見圖8。綜上所述，懸挑桁架的豎向變形均滿足《鋼結構設計規范GB 50017—2003》附錄A表A.1.1中受彎構件撓度容許值的規定，表明在靜力條件下，結構設計構件滿足承載力和穩定性要求。靜力條件下，懸挑桁架的總體變形如圖10所示。

圖9 第1跨桁架YZ平面節點編號

圖10 整體變形示意

5 分析結論

1）在懸挑桁架吊裝過程中，應嚴格按照B區大懸挑桁架鋼結構施工專項方案進行，在整個懸挑桁架吊裝過程中，運用科學測量儀器，確保桁架結構構件安裝位置精確，并嚴格監控桁架各主要節點的變形情況，對軸桁架橫梁的跨中以及兩端節點（特別是表1中所列的節點）的位移進行重點監控，確保吊裝過程科學合理、安全有效。

2）計算機模擬過程中未考慮風荷載的影響，在實際吊裝過程中，應選擇在無風或者風力不影響吊裝的天氣條件下進行施工。

3）計算機模擬施工過程中，臨時支撐是整排拆除，在臨時支撐實際拆除過程中，應科學選擇單個臨時支撐的拆除順序，并在拆除過程中注意監控整個桁架的變形變化情況。

4）依據計算機數值模擬結果，在懸挑桁架結構實際施工過程中，結構變形應滿足以下條件：

（1）在懸挑桁架結構構件安裝過程中，拆除臨時支撐前，懸挑結構所有構件最大變形量不超過1.5 cm；

（3）在結構吊裝完成后，懸挑結構的第1跨橫梁兩端節點的豎向位移不超過2 cm，跨中節點的位移不超過3 cm，第2跨橫梁兩端節點豎向位移不超過3 cm，跨中節點的位移不超過4 cm；

（4）整個結構安裝過程中，結構的X方向水平位移不超過1.5 cm，Y方向水平位移不超過1.5 cm。以上位移數值均為安全警戒值，如果施工過程中的監控數據超過上述數值，應立即停止施工，檢查結構構件節點、構件變形等相關情況并進行分析，采取安全防護措施，在確保安全的情況下進行后續施工。

6 結語

通過有限元軟件建立超大懸挑桁架有限元模型，按施工方案中超大懸挑桁架的安裝流程，模擬各階段施工狀態結構穩定性，依據計算結果驗證施工方案的可行性，確保施工順利進行[5-8]。