帶斜支撐的鋼框架裝配式施工控制關(guān)鍵技術(shù)研究

周 洲，陳振富，譚 韜

實際工程中的鋼結(jié)構(gòu)裝配式施工，對施工各荷載階段的荷載結(jié)構(gòu)受力形式予以簡化考慮.然而，由于材料性能和施工荷載簡化的形式與實際大不相符，實際工程中的鋼結(jié)構(gòu)預(yù)加應(yīng)力的裝配方式成為了較為常見的施工方法[1].而對于帶斜支撐的鋼框架結(jié)構(gòu)的裝配式施工，預(yù)加應(yīng)力的裝配方式下的多點約束的鋼桁梁及鋼立柱奇異的應(yīng)力分布狀態(tài)均會導(dǎo)致連接節(jié)點位置在使用荷載作用下的塑性疲勞[2].基于以上考慮，對于帶斜支撐的鋼框架結(jié)構(gòu)的裝配式施工控制，如何更好的對施工荷載予以等效考慮，成為結(jié)構(gòu)安全與強度儲備的控制關(guān)鍵.

通常，鋼結(jié)構(gòu)的施工控制則可分為變形控制、應(yīng)力控制和穩(wěn)定性控制三個主要的方面[3].對于裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)，在立柱、鋼桁梁、樓面板等主要構(gòu)件的工廠化生產(chǎn)階段，均需要對構(gòu)件在自重與結(jié)構(gòu)長期服役等荷載作用下的變形予以預(yù)抬.顯然，這樣的施工處理僅適用于普通的鋼框架結(jié)構(gòu)，對于帶斜支撐節(jié)點的鋼框架結(jié)構(gòu)，構(gòu)件的豎向變形則成為了裝配后所需要避免的問題.此外，多次超靜定結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)沉降及溫度梯度作用下的變形與應(yīng)力特征，亦是本文研究內(nèi)容中所控制的關(guān)鍵.

得益于有限單元法與數(shù)值計算的快速發(fā)展，國內(nèi)外對建筑結(jié)構(gòu)的施工階段的空間受力性能研究雖然起步較晚，但進展顯著，自1985年ChoiChang-Koon采用有限單元法對多層框架結(jié)構(gòu)的施工模擬，取得了與實際觀測值吻合良好的結(jié)果[4].之后，Elnimeiri在1989年對鋼管混凝土不同的施工階段予以安全性評估的特點，促進了空間有限元計算理論與實際結(jié)構(gòu)施工階段的全過程控制[5].國內(nèi)在高層框架結(jié)構(gòu)的施工控制理論方面的研究則進一步促進了裝配式鋼結(jié)構(gòu)的研發(fā)與推廣.陳海洲等在2011年超高層鋼結(jié)構(gòu)施工的模擬計算的基礎(chǔ)上，對鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)的相對撓度發(fā)展予以評估[6]；2013年王化杰對國內(nèi)多座超高層結(jié)構(gòu)的施工階段分析，得到了多種工況下超高層結(jié)構(gòu)的豎向變形規(guī)律，為該結(jié)構(gòu)的施工變形控制提供了現(xiàn)實指導(dǎo)[7].

可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外對高層、超高層建筑結(jié)構(gòu)的施工控制研究大都幾種在混凝土、鋼混組合結(jié)構(gòu)的施工模擬研究.而對于高層鋼結(jié)構(gòu)的施工控制可供參考的理論偏少，對于斜支撐節(jié)點的施工控制，則只能在以往結(jié)構(gòu)施工階段分析和控制的基礎(chǔ)上加以探索.對于斜支撐節(jié)點的鋼框架體系而言，立柱對主板起到支撐作用，梁和柱兩者之間設(shè)置有斜支撐[8].后文中，我們將依托國內(nèi)某鋼框架高層結(jié)構(gòu)的施工控制，探究多點約束下的鋼桁梁與在逐級荷載作用下的框架柱的變形協(xié)調(diào)特性，和斜支撐的單次安裝作業(yè)的安全性評價.

1 工程背景

圖1 結(jié)構(gòu)軸網(wǎng)布置

圖2 單榀桁架安裝示意圖

以北京地區(qū)某28層裝配式斜撐節(jié)點鋼框架結(jié)構(gòu)的施工為例.鋼框架結(jié)構(gòu)層高2.8m，總高80m.結(jié)構(gòu)的開間和進深均布置為6跨，跨度3.9m，軸線總長24m.桁架梁高0.45m，于桁架梁的第二豎腹桿位置處設(shè)置有斜支撐連接節(jié)點，斜支撐的另一端連接框架柱，距離桁架梁下弦桿0.9m的位置處.結(jié)構(gòu)的軸網(wǎng)布置如圖1中所示，圖2中為結(jié)構(gòu)的單榀桁架梁安裝示意圖.

鋼結(jié)構(gòu)框架柱為邊長0.2m的箱型截面柱，底層至底面上10層的立柱薄厚為30mm，第11層至第20層薄厚設(shè)置為20mm，第30層至頂樓壁厚設(shè)置為10mm.鋼桁梁上下弦桿均為高度160mm、壁厚為8mm的槽型截面桿件；桁架梁的腹桿均為雙拼L型截面桿件，桿件的邊寬為50mm，壁厚為6mm；結(jié)構(gòu)鋼桁梁的斜支撐桿件截面為壁厚8mm，高度為160mm的槽型界面桿件.

2 鋼框架結(jié)構(gòu)的施工階段分析

2.1 有限單元法模型建立

結(jié)構(gòu)的施工階段分析于ABAQUS大型有限元計算平臺中建模計算，各桿件的節(jié)點連接根據(jù)實際裝配形式予以考慮.對于鋼結(jié)構(gòu)框架柱的柱腳，在模型中則予以剛性支座的邊界條件考慮.整個結(jié)構(gòu)所采用的鋼材均為屈服強度為345MPa的B級鋼材.為充分考慮各層樓面荷載及施工期間的機具模板荷載對結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力影響，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋、樓面及各層附屬結(jié)構(gòu)荷載均以節(jié)點荷載或均布荷載的形式作用在桁架梁上，在計算模型中予以對以上荷載根據(jù)施工計算手冊的取值，計算得到樓面恒荷載取3.0kN/m2，活荷載為2.0kN/m2，外墻恒荷載取1.6kN/m[9].鋼框架結(jié)構(gòu)的模型如圖3中所示.

圖3 鋼框架結(jié)構(gòu)有限單元法計算模型

2.1 計算結(jié)果與分析

對施工階段逐步施加的樓層荷載，所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形評估和通過柱的豎向變形反映出來.值得注意的是，由于鋼框架中斜支撐的存在，軸向力作用下的結(jié)構(gòu)在橫向力的擾動下均會產(chǎn)生一定程度的橫向彎曲變形，影響其余桁架梁及斜支撐的受力狀態(tài).根據(jù)這個特點，對斜支撐的鋼框架結(jié)構(gòu)的施工控制對象為結(jié)構(gòu)的框架柱[10].根據(jù)有限單元法的斜支撐鋼框架結(jié)構(gòu)的變形計算結(jié)果，控制結(jié)構(gòu)中框架柱的豎向變形與應(yīng)力分布狀態(tài)，對影響結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布及變形的構(gòu)件予以標(biāo)高控制.表1中給出5個框架柱豎向變形計算結(jié)果.

表1 框架柱變形計算結(jié)果

根據(jù)表1中五個參考柱在施工荷載作用下的變形結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，施工階段模擬下的各箱形柱中間層有著最大豎向變形.其中4號中柱第16層的豎向位移值為框架柱變形的最大值，比較其余4各框架柱的變形值，最大豎向位移值均發(fā)生在框架柱的第16層.進一步對各框架柱第16層在四個施工階段下的豎向位移變形特征進行分析，探究控制框架柱豎向變形后的各階段下的位移值如圖4中所示.

根據(jù)圖4-a中的第16層框架柱在的豎向變形結(jié)果，在施工階段的荷載作用下，各框架柱呈現(xiàn)為豎向變形穩(wěn)定增加.由于鋼框架柱與鋼桁架的相對位移值超過斜支撐的安裝容許尺寸范圍，日后將很難對斜支撐進行替換作業(yè).分階段安裝斜支撐且不對鋼框架柱的豎向變形加以控制的前提下，結(jié)構(gòu)的變形遠遠超出預(yù)期，斜支撐的受力狀態(tài)與理想狀態(tài)不相符.

圖4 第16層框架柱的豎向變形

對于控制框架柱豎向變形的框架結(jié)構(gòu)，未安裝斜支撐時的單榀框架應(yīng)力分布狀態(tài)如圖5中所示.不難發(fā)現(xiàn)，單榀框架在未安裝斜支撐時的變形與應(yīng)力分布均無異常.于桁架梁的上弦桿端部出現(xiàn)應(yīng)力峰值，為1.5MPa，遠小于鋼材的屈服強度.而圖4-b的框架柱豎向位移值表明，若在每個施工階段對框架柱的變形加以控制，使之與鋼桁架的變形相協(xié)調(diào)，則可以實現(xiàn)在一個階段內(nèi)完成所有的斜支撐施工作業(yè).基于此，對鋼框架結(jié)構(gòu)的豎向變形加以控制，不僅可以極大程度地保障斜支撐的受力模型滿足設(shè)計時的理想狀態(tài)，保障了結(jié)構(gòu)的安全與耐久性的同時，還能促進施工作業(yè)效率的提高.

圖5 單榀框架柱的應(yīng)力分布云圖

3 結(jié)語

本文以國內(nèi)某斜支撐鋼框架結(jié)構(gòu)施工變形控制的關(guān)鍵技術(shù)，針對斜支撐作用下的裝配式框架柱的豎向變形特征，提出各施工階段的豎線變形控制理論.通過本文的研究，實現(xiàn)了對整個結(jié)構(gòu)鋼框架柱與鋼桁架梁的豎向變形協(xié)調(diào)控制，不僅為單次安裝斜支撐的施工組織安排提供了必要的技術(shù)支持，還保障了斜支撐作用下的鋼框架結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)與形式與設(shè)計狀態(tài)相符.研究得到的結(jié)論如下：

（1）對鋼框架結(jié)構(gòu)施工階段的變形結(jié)果分析表明，施工荷載作用下產(chǎn)生的箱形柱最大豎向變形位于構(gòu)件的中間層；

（2）在施工階段的荷載作用下，各框架柱呈現(xiàn)為豎向變形穩(wěn)定增加，由于鋼框架柱與鋼桁架的相對位移值超過斜支撐的安裝容許尺寸范圍，日后將很難對斜支撐進行替換作業(yè).分階段安裝斜支撐且不對鋼框架柱的豎向變形加以控制的前提下，結(jié)構(gòu)的變形遠遠超出預(yù)期，斜支撐的受力狀態(tài)與理想狀態(tài)不相符；

（3）單榀框架在未安裝斜支撐時的變形與應(yīng)力分布均無異常，故而可以在每個施工階段對框架柱的變形加以控制，使之與鋼桁架的變形相協(xié)調(diào)，則可以實現(xiàn)在一個階段內(nèi)完成所有的斜支撐施工作業(yè).基于此，可以極大程度地保障斜支撐的受力模型滿足設(shè)計時的理想狀態(tài)，保障了結(jié)構(gòu)的安全與耐久性的同時，還能促進施工作業(yè)效率的提高.