超高層建筑外部懸挑超大梁施工技術分析

房志斌

1. 上海建工四建集團有限公司 上海 201103；2. 上海建筑改建與持續利用工程技術研究中心 上海 201103

1 工程概況

本項目為蒂森電梯配件生產之電梯試驗塔工程，位于廣東省中山市南區龍環村。占地面積4 956.60 m2，總建筑面積19 582.60 m2，其中地下建筑面積1 890.30 m2，地上建筑面積17 692.21 m2。地下3層，地上31層（裙樓3層），擬建電梯試驗塔塔高247.30 m，工程±0.00 m相當于絕對高程10.00 m。

主樓的地下和地上結構均為剪力墻筒體結構，裙房為框架結構。

1.1 難點分析

1）本項目為超高層工業建筑，27層北側梁板為懸挑結構（圖1）。

圖1 26～27層結構平面示意

2）電梯試驗塔27層北側結構支撐體系及施工操作平臺無法直接架設在建筑物內部樓面上，需單獨設計型鋼平臺作為支撐平臺。

3）該處結構梁截面為450 mm×2 000 mm超大梁，集中線荷載超20 kN/m，對型鋼平臺承載力要求高。

4）梁跨度6.3 m，對型鋼平臺變形控制要求極高。

5）層高6 m，在超高作業環境下（高213 m）對支撐架體穩定性要求極高。

6）對型鋼平臺與結構連接方式的確定、連接節點質量控制要求高。

1.2 技術應對措施

根據中山蒂森電梯試驗塔項目業主、設計提供的圖紙，于懸挑結構下方設置以型鋼鋼梁組成的平臺，以滿足梁板澆筑時模板排架的搭設。

為保證支撐平臺施工的安全，相關操作人員須嚴格按照施工方案要求進行施工，施工中配備專人在場負責安全和維護檢查。

2 鋼平臺設計

2.1 鋼平臺鋼梁設計

鋼平臺主要采用16#、20#、30#這3種規格的工字鋼（圖2），其中30#工字鋼作為梁底主要承重構件，兩側增加16#工字鋼拉結以保證平臺安全及穩定性（圖3）。

圖2 鋼平臺平面示意

2.2 支撐架體設計

上部支撐架采用φ48 mm×3.2 mm圓鋼管，為常規模板排架支撐體系（使用品茗軟件進行安全驗算），底部為組合鋼梁平臺（圖4）。圖中梁上端墻體，待梁結構達到規定強度時再進行施工，故不在支撐體系計算范圍內。

3 Midas模型設計

3.1 有限元分析方法簡介

有限元分析方法是用于求解數值方程的一種常用的方法，其結合了計算數學、彈性理論和計算機技術，對于實際工程的求解具有非常重要的作用。其基本思想源于1943年，當時被用在由三角形區域上定義的分片連續函數與最小位能原理求解St.Venant扭轉問題上。而有限元法這一名詞的首次出現是在1960年，由美國的克拉夫（Clough）提出。到了20世紀70年代初，有限元理論逐漸成熟，各種商業化的有限元軟件也漸漸出現。近30年以來，關于有限元的基礎理論已經足夠成熟了，是目前工程設計領域中最有效、最可靠的數值計算方法。有限元分析方法的基本思想就是對結構的離散化，通過將連續的結構劃分為有限個離散的單元，并對這些單元設定有限個節點，從而得到一個只在節點處相連的單元集合體，將連續的無限個自由度問題轉化為有限個單元的自由度問題。

圖3 鋼平臺與主體結構連接示意

圖4 組合鋼梁平臺側視圖（立面圖）

3.1.1 ?結構的離散

所謂離散化就是將連續的結構劃分為有限個單元，并在單元的指定點上設置節點，從而使得相鄰單元的參數可以具有一定的連續性，以形成有限單元網格。這樣，連續的結構就被離散為只在節點處連接的有限個單元。所劃分單元的大小和數目直接影響到計算的精度和速度。

3.1.2 ?有限元法的收斂性

有限元法是一種數值分析方法，因此應考慮收斂性問題。所謂的收斂性是指：當網格逐漸加密時，有限元解答的序列收斂到精確解；或者當單元尺寸固定時，每個單元的自由度數越多，有限元的解答就越趨近于精確解。

3.1.3 ?實際應用的平衡點

在求解時，單元的幾何形狀是靈活多變的，因此可以方便地模擬和逼近復雜求解區域?？梢钥闯?，只要選用合適的插值函數，當單元的數目滿足要求時，求解精度將不斷提高并趨近于精確解。

但是在實際求解過程中，如果單元的數目不斷增多，計算機的運行時間也會大大增加，顯然是不實用的。因此在實際工程應用中，計算所需的精度只要滿足需要就行了。在有限元分析方法中的一個基本原則就是在分析精度與分析時間上找到一個最佳平衡點[1-2]。

3.2 模型建立

鋼平臺模型（圖5）采用Midas/Gen結構分析及設計軟件進行建立。模型各構件根據上述設計中所給出尺寸進行模擬，各鋼梁間為焊接連接，采用剛接模擬（即Dx，Dy，Dz，Rx，Ry，Rz全部約束）。并將鋼梁等大小劃分為有限個單元，保證主要受力構件更準確地模擬和逼近復雜求解區域，獲得更高的分析精度（圖6）。

圖5 鋼平臺示意

圖6 Midas/Gen模型示意

3.3 邊界條件

外約束條件：16#工字鋼斜拉桿及30#工字鋼與主體結構通過預埋牛腿焊接，Midas模型此處采用剛接邊界條件形式模擬計算。5根20#工字鋼與主體結構搭接處通過預埋鋼筋錨環加固，Midas模型此處采用鉸接邊界條件（圖7）形式模擬計算（即約束Dx，Dy，Dz，釋放Rx，Ry，Rz）。

圖7 Midas模型邊界條件示意

3.4 荷載參數

3.4.1 ?結構自重

鋼材均采用Q235，各鋼梁以及腳手架鋼管的自重通過正確選取材料參數，建模建立材料特性，自重荷載作用由Midas軟件在計算分析過程中自動考慮。

3.4.2 ?外部荷載

模板排架、立柱扣件所傳遞的豎向荷載。扣件質量以13.2 N節點荷載添加于相應節點處（圖8）；結構梁質量及施工荷載簡化為節點荷載14 kN（作用于梁底11根立桿），厚120 mm混凝土板通過選取正確材料，產生自重。

圖8 節點荷載（13.2N）示意

3.4.3 ?荷載組合

根據GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》，本次計算荷載組合恒載分項系數為1.2，活載組合分項系數為1.4，組合公式：自重×1.2＋點荷載×1.4。

3.5 運行分析

通過Midas/Gen軟件對模型整體結構在靜力荷載組合工況下進行線性分析。

3.6 分析結果

模型中梁單元最大應力為148.4 MPa（圖9）。

Q235鋼材抗拉強度設計f=215 MPa。 梁單元最大應力為148.4 MPa＜鋼材允許應力215 MPa，滿足要求。

鋼平臺最大撓度為10.89 mm（圖10），滿足規范＜1/250跨度，及蒂森電梯試驗塔結構設計要求。

圖9 梁單元應力等值線

圖10 鋼平臺位移等值線

計算結果顯示，鋼平臺支撐體系滿足施工所需的強度和變形要求。

4 連接節點驗算

20#工字鋼與結構搭接處預埋錨環為構造措施，滿足規范要求，此處不作驗算。

4.1 焊縫強度驗算

焊縫強度驗算包括：30#工字鋼與預埋件的焊縫計算、16#斜拉工字鋼與埋件部位焊縫計算、16#斜拉工字鋼與30#主鋼梁部位焊縫計算，焊縫均采用6 mm雙面直角焊縫。經計算，焊縫強度均滿足規范要求。

4.2 預埋件強度驗算

按照GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》埋件錨固相關公式進行計算。經計算，預埋件強度及錨固長度均滿足規范要求。

5 結語

懸挑結構在高層建筑工程中的應用逐漸普遍，但此類結構施工有著一定的風險。因此，為了保證工程順利施工，須采取科學合理的施工技術，嚴格把控懸挑結構的施工質量及施工安全。本文結合背景工程中山蒂森電梯試驗塔項目，針對高層建筑懸挑結構的施工技術展開了探討，建立Midas模型，利用有限元軟件進行施工模擬分析，進行精密求解，結果表明該支撐平臺變形、應力均滿足要求，安全可靠，并在實際施工中得到證實。