雙懸挑漸變混凝土梁端斜立面鋼桁架的工程應用研究

文 秋 實

(深圳中鐵二局工程有限公司，廣東 深圳 518034)

近年來裝飾鋼桁架發展很快，結構與構造形式越來越復雜、施工難度越來越大，尤其是在復雜工況下異形鋼桁架的安全性、穩定性及對主體結構的影響等問題仍在逐步探索和應用中。本文結合工程實例，通過3D3S有限元軟件，研究了雙懸挑漸變混凝土端斜立面鋼桁架的優化設計及施工方案，確保鋼桁架結構及主體結構的受力穩定，保障了施工安全。

1 工程概況

文錦渡口岸工程聯檢綜合樓是建筑高度30.4 m、地上6層的框剪結構，從3層往上，主體結構分成兩個單獨結構逐層懸挑成“倒八字”形狀，建筑外立面為斜向玻璃幕墻與裝飾鋁管組合設計，建筑南北側設計有裝飾鋼架結構，屋面則設計有遮陽鋼架及屋面桁架。其中1號鋼桁架位于聯檢綜合樓南北兩側，往外傾斜角度15°，鋼桁架由2根豎向方通與主體結構在各層混凝土懸挑梁端的預埋件焊接固定，豎向方通的截面尺寸為250 mm×250 mm，方通從3層一直貫通到屋面。豎向方通間有6榀橫向桁架作為橫向連接，跨度為24.2 m，鋼桁架立面設計為玻璃裝飾。懸挑梁梁高600 mm、最大懸挑長度7.99 m，方通與主體結構的連接通過預埋在每層懸挑梁端部的預埋件焊接固定，見圖1，圖2。

2 問題提出

原設計方案為帶裝飾玻璃的鋼桁架結構，通過運用3D3S軟件建立該鋼桁架結構的有限元模型，計算驗證鋼桁架荷載對主體結構懸挑梁的影響，得出支座最大反力以校核懸挑梁所能承受荷載。同時計算出各工況作用下鋼桁架桿件的位移值，以驗證鋼桁架位移對裝飾玻璃的不利影響，見圖3，圖4。根據計算結果，對帶裝飾玻璃的鋼桁架結構的受力分析，發現以下問題：

1)應避免主體結構傳遞到裝飾玻璃的荷載過大，鋼桁架結構需滿足裝飾玻璃荷載及變形的要求；2)需解決兩個獨立主體結構在各種工況加載條件下帶來的變形影響；3)鋼桁架跨度達24 m，自振頻率大，需解決鋼桁架自振條件下對裝飾玻璃的影響；4)連接部位為懸挑混凝土梁，應避免鋼桁架的荷載過大致懸臂梁無法承受。

3 解決思路

通過以上方案分析，提出幾種解決方案：

1)鋼桁架不參與主體結構受力。a.鋼桁架后部設豎向桁架以作支撐，增強鋼桁架結構穩固性；b.優化鋼桁架設計為梭形截面張弦梁，以形成穩定的空間結構；c.在鋼桁架后部增加拉索以減小鋼桁架位移。2)鋼桁架參與主體結構受力。a.在懸臂梁端部增加鋼構格構柱以將鋼桁架和主體結構固結成整體，可解決主體結構薄弱的負影響；b.將遮陽板的裝飾部分設計成剛性與鋼桁架整體受力，可解決共振問題；c.將鋼桁架與主體結構一端固結、一端鉸接，可釋放水平方向位移影響。

4 方案比選

1)鋼桁架不參與主體結構受力：該方案可使鋼桁架整體受力穩定，但和結構連接的位置必須增加平動可轉支座，以解決兩棟獨立主體結構變形帶來的影響；在距端部1 m位置增加豎向立柱，以減小端部的角位移，防止玻璃壓碎。結構設計對大跨度鋼桁架有利，也能保證裝飾幕墻玻璃的安全可靠，同時與原設計方案一致，不過工程造價偏高。2)鋼桁架參與主體結構受力：該方案取消了鋼桁架立面上的裝飾玻璃，有效減小了水平方向荷載，從而對鋼桁架結構的位移要求也有所減少，同時鋼桁架可與主體結構結成整體共同承受各種荷載；該方案與原設計方案相差較大，但經核算工程造價基本不變。

5 方案確定

通過以上比選分析，對鋼架進行優化修改，以滿足結構整體穩定性，具體方法如下：

1)提高懸臂梁的承載力，將混凝土梁截面高度改為800 mm；2)減小風荷載的作用，取消C型單榀鋼桁架立面玻璃改為鏤空形式；3)更改鋼桁架截面特性，加大鋼桁架型材截面；4)改變原方案鋼桁架兩側豎向方通與每層斷開插接的方式，將方通與各層結構剛接，方通可作為構造柱并加強懸挑梁的承載能力。根據以上方法優化鋼桁架設計方案，再次運用3D3S軟件建立模型進行受力分析，計算結果符合要求，見圖5。

6 鋼桁架安裝

大跨度鋼結構常見的安裝方法主要有高空散裝法、分條或分塊安裝法、高空滑移法、整體吊裝法、整體頂升法及提升法等[1]。本工程主體結構為逐層懸挑，鋼桁架安裝施工時作業面狹小，而鋼桁架為立面傾斜15°的異形結構，所以鋼桁架安裝施工時作業面將十分窄小，因此建議采用高空散裝法。

6.1 鋼桁架施工步驟

1)安裝長約18 m的豎向方通，方通傾斜角度15°，可利用垂直運輸設備將方通吊放至預定位置并焊接固結；2)安裝橫向鋼梁，橫梁跨度24 m，截面尺寸為200 mm×200 mm，利用垂直運輸設備將橫向鋼梁安放至預定位置并焊接固結；3)鋼桁架拼裝，可搭設滿堂操作架作為平臺進行散裝拼接；4)按照前三步，拼裝第二榀橫向桁架；5)依次由下往上拼裝橫向桁架。拼裝安裝時要注意測量放樣及拼裝就位的準確，同時應嚴格把控焊接質量，合格的焊接質量對減小鋼桁架的變形十分有利。

6.2 鋼桁架安裝模擬計算

在確定施工方案后，仍需對施工過程中鋼桁架的受力、變形情況及懸挑梁端的反力進行分析，已確定施工方案是否可行，見圖6。

7 結語

1)運用鋼結構深化軟件3D3S建立模型進行受力分析，優選確定鋼桁架的最佳結構形式；2)在確定鋼桁架結構形式時充分考慮了鋼桁架對主體結構懸挑梁的荷載影響，確保鋼桁架與主體結構之間連接點的可靠；3)鋼桁架兩側獨立的主體結構變形對鋼桁架結構的影響較大，同時要解決主體結構在各工況作用下鋼桁架結構的變形影響；4)原設計方案中裝飾玻璃的存在使得鋼桁架所受風荷載非常大，同時導致鋼桁架的自振頻率也很大，這樣將極易致裝飾玻璃損壞，因此在各工況作用下的鋼桁架自振變形需要重點考慮；5)利用鋼結構深化軟件3D3S對整個施工過程進行模擬并進行受力分析，合理確定了鋼桁架安裝步驟，確保施工安全。

[1] 楊棚淅,姚 剛,吳小瓊,等.基于模糊評判的鋼桁架施工方案優選[J].重慶交通大學學報(自然科學版),2010,29(2):180-182，223.

[2] GB 50017—2003，鋼結構設計規范[S].