外海高層鋼結構工程設計與施工研究

王程 張超

摘 要：鋼結構高層結構與傳統(tǒng)的混凝土建筑相比，適合于活荷載占總荷載比例較小的結構，以及軟土地基上建造。本文運用有限元軟件SAP2000對外海超高層鋼結構進行分析研究，并對施工中存在的經驗教訓進行總結，為類似工程提供很好借鑒。

關鍵詞：外海 鋼結構 設計

1.工程規(guī)模及結構形式

本工程位于某港區(qū)作業(yè)區(qū)口門處防波堤上。主結構為九層框架鋼結構，立柱為φ426鋼管，鋼梁為H鋼，柱撐水撐為φ127，部分樓層底板為復合樓板結構：樓承板上加設混凝土面層，框架頂設維修平臺，架設附屬結構設施，屋頂架設15m鋼結構輕型塔。本工程離岸最近距離約為1公里，需要水上運輸，自行發(fā)電，本工程計劃工期150天。

2.設計分析研究

本文采用有限元軟件SAP2000對外海高層鋼結構進行整體建模分析，分析此結構體系的振型和周期等結構固有特性。高層結構的振型尤其是高階振型對體系的模態(tài)及地震響應影響較大，本文采用反應譜法分析結構地震作用下的內力和變形，通過分析結構體系的頂層位移、層間位移、層間位移角的變化情況，對外海高層鋼結構進行研究。

反應譜法是地面加速度一定的情況下，結構運動在不同周期下的最大相應曲線（加速度Sa，速度Sv，位移Sd）。復雜的結構簡化為單自由度結構體系，通過振型疊加法，將原有結構由多自由度體系轉化為多個單自由度體系。

反應譜理論有以下特征：一是位移反應譜與速度位移譜類似；二是加速度反應譜的數(shù)值在周期短時接近地面最大加速度，周期長時接近零；三是速度反應譜數(shù)值周期很短時接近零，隨著周期增大而增大，且周期增加幅度存在極值。

地震反應譜分析常用的方法為精確法，基本思路是將離散形式的地震動加速度記錄數(shù)據用分段線性插值的方法復原，再逐段求解。加速度反應譜方法是利用振型的正交等特性，將多自由度簡化為單自由度分析，然后利用某種相應的振型耦合法（SRSS和CQC）得到多自由度結構的抗震分析的結果。

表1中，x、y的意思是結構向x方向、y方向運動，θ為扭轉，表中運動或扭轉幅度過小的沒有表示。由有限元分析計算可知，結構的第一振型為y方向，第二振型為x方向，從第三振型開始，有扭轉，且伴有扭轉耦聯(lián)。

圖2左圖為結構體系的樓層位移圖，右圖為結構體系的層間位移角圖，樓層的位移隨著層數(shù)的增加逐層增加，于塔樓頂層達到最大值。層間位移和層間位移角呈現(xiàn)較強的變化，綜合函數(shù)圖線作用下的地震響應，層間位移角隨層數(shù)在開始階段逐漸增加，于第二層第三層的交界附近達到最大值，其后隨著層數(shù)的增加有所降低，在第五層達到極小值，隨后隨著樓層增加而降低，頂層存在鞭梢效應。

結構在首層、第五層和第八層設置了交叉支撐，其他樓層未設置交叉支撐，支撐的存在提高了所在樓層的剛度，但同時使得相鄰未設置交叉支撐的層間位移角相對大幅度增加，因此樓層在第五層的層面位移角達到極小值。

高層鋼結構設計中支撐有以下作用：一是增加鋼結構建筑的縱向穩(wěn)定的空間剛度；二是在排架平面外，提供可靠的支承點從而減小柱在排架平面外的計算長度；三是承受鋼結構建筑端部山墻風力、縱向吊車剎車荷載、溫度產生的應力和地震作用，并將其傳至基礎。支撐的合理設置能有效減小高層鋼結構的層間位移角，從而增加鋼結構整體的穩(wěn)定性。

3.施工過程的分析研究

（1）施工總體安排

①根據工程施工圖紙及相關要求進行二次細化設計，分別針對梁、柱、交叉撐做出加工圖，進行零部件的車間加工。

② 根據鋼框架分層情況將梁、柱、支撐分區(qū)存放。對于柱，上面焊接柱頭，外形寸不規(guī)則，單獨存放；對于梁、支撐分類打捆，中間加墊木。

③ 根據構件加工圖紙，將梁、柱、支撐在廠內制作完成；待零部件檢驗無誤后，表面打砂并進行表面防腐處理。

（2）鋼結構運輸

本工程的主體為鋼結構框架形式，主體工程構件中柱、梁、鋼梯分別有48件、249件、21件，構件最大重量為5t，高度為12.5米，運輸距離遠，位于孤立的防波堤上，運輸不便。

為了保證鋼結構順利運到施工現(xiàn)場，采用海陸同時倒運，由加工廠到防波堤用托盤車倒運，平臺設置2處帶攬繩為蓋板船臨時停靠，鋼構件到防波堤后運用蓋板船的吊機裝船，其后運用蓋板船運至施工處，有效減小外海運輸作業(yè)，減小海上運距，省工省時。

（3）施工過程中出現(xiàn)的問題及處理

①本工程處于外海，經過長時間海霧侵蝕后，個別構件表面出現(xiàn)銹點，需對銹點部位進行了補漆防腐處理。

②本工程位于防波堤堤頭沉箱上部，易出現(xiàn)沉降位移，且鋼結構相對高度較高，鋼構件自身重量較大，經過重新加載預壓的沉箱更易發(fā)生沉降，因此施工中對基準點定時進行沉降位移觀測。

（4）經驗和教訓

①鋼結構的運輸需按運輸計劃，分批、分節(jié)地進行，對于超長、超寬或者超重的構件，行合理的分段劃分，滿足最大運輸限制，確保運輸安全。

②海上運輸為避免鋼構件碰損，采用土工布覆蓋鋼構件，上層采用每隔2m麻繩捆綁，使鋼構件海上運輸穩(wěn)定，無碰損。施工過程中，組織施工船舶協(xié)調會，積極與海事局交管中心等部門溝通，規(guī)范施工秩序，確保船舶運輸通航安全。

③鋼結構構件加工完成后，運輸至施工現(xiàn)場安裝。安裝前，首先對構件的質量進行檢查，確保鋼結構構件的永久變形和缺陷在允許范圍內。鋼柱安裝首先檢查柱底板下的墊鐵是否墊實、墊平，檢查其地腳螺栓是否失穩(wěn)；在鋼結構體系未穩(wěn)定前，采取臨時支護措施保證施工安全性。鋼結構形成固定單元，并通過驗收后，需及時將柱底板和基礎頂面的空間用膨脹混凝土二次澆筑密實。

④合理選取鋼結構吊裝方式，對鋼柱進行吊點計算，確保安裝的安全和精度，次梁與交叉支撐采用成片吊裝方式，有效的節(jié)約了吊裝時間，縮短了工期。

4.研究結論

本文通過有限元建模分析和現(xiàn)場施工經驗總結對外海高層鋼結構設計與施工進行了一定的探討，首先采用SAP2000對鋼結構進行整體分析，運用反應譜法進行抗震分析，然后對鋼結構施工中遇到的問題進行了分析和總結。通過各組數(shù)據的分析，所得結論如下：

（1）雙塔結構體系有五種基本振型，通過理論分析，沿x方向的平動與沿y方向的平動及結構的扭轉獨立。與普通建筑物不同的是前6階振型中，高層鋼結構有4個振型存在扭轉效應。

（2）鋼結構施工中運輸和安裝極為關鍵。對于超長、超寬或者超重的構件，需進行合理的分段劃分，滿足最大運輸限制，并對鋼柱進行吊點計算，確保安裝的安全性和精度要求。