超大型鋼混凝土屋蓋施工方案優化及有限元分析計算

隨著國家經濟的發展以及人民日益增長的美好生活的需要，一大批文化藝術中心、大劇院、市民服務中心等公共建筑逐步建設起來，同時也意味著大跨度結構形式的應用越來越普遍。超大型鋼混凝土屋蓋因其承載能力高、跨度較大、造價經濟節約等特點得到了越來越多的應用。然而，超大型鋼混凝土大梁的施工卻十分困難，型鋼大梁重量大、吊裝操作空間小、大劇院舞臺凈空高、支模高度高、施工危險性大等一系列難題擺在面前。因此，對超大型鋼混凝土屋蓋施工技術進行研究具有重大的理論和實踐意義。

1 工程概況

江蘇省某文化藝術中心項目為多層公共建筑，包括文化館（A區）、大劇院（B區）、淮劇團與美術館（C區）三個區域，建筑高度35.3 m，總占地面積90 607 m2，總建筑面積49 676.7 m2，其中地上建筑面積45 806.4 m2，地下建筑面積3 870.3 m2。見圖1。建筑耐火等級地上二級、地下一級，抗震設防烈度6度。

大劇院（B區）設計座位1 250個，見圖2。升降舞臺底部標高-10 m，型鋼混凝土屋蓋標高34.6 m，即型鋼混凝土屋蓋凈空高度44.6 m，共有4根型鋼混凝土大梁：最大的為WKL2，截面尺寸800 mm×2 600 mm，內部型鋼尺寸2 100 mm×500 mm×25 mm×40 mm，型鋼長28.7 m，單根質量22 t；WKL1有2根，截面尺寸700 mm×2 600 mm，內部型鋼尺寸2 100 mm×400 mm×25 mm×40 mm；WKL3有1根，截面尺寸700 mm×2 650 mm，內部型鋼尺寸2 100 mm×400 mm×25 mm×40 mm。次梁為焊接工字型鋼GL1，尺寸為800 mm×300 mm×20 mm×25 mm，次梁上部滿鋪鋼筋桁架樓承板，板厚140 mm。型鋼柱高度21.3m。見圖3。

圖1 文化藝術中心工程

圖2 大劇院（B區）建筑剖面

圖3 型鋼混凝土屋蓋平面

2 施工方案優化

2.1 方案介紹

針對大劇院型鋼大梁重量大、吊裝操作空間小、大劇院舞臺凈空高、支模高度高、施工危險性大等特點并結合施工現場具體條件，提出兩種屋蓋施工方案。

方案一：大型吊車進場→吊裝型鋼柱，底部與預埋鋼板焊接牢固→大型吊車退場→綁扎型鋼柱內部鋼筋并支模→澆筑型鋼柱混凝土至梁底→大型吊車第二次進場→吊裝型鋼混凝土大梁鋼骨→吊裝次梁→大型吊車退場→搭設支撐架，綁扎型鋼混凝土大梁內部鋼筋并支模→在次梁上鋪鋼筋桁架樓承板→澆筑型鋼混凝土大梁混凝土→澆筑樓板混凝土。

方案二：大型吊車進場→吊裝型鋼柱，底部與預埋鋼板焊接牢固→吊裝型鋼混凝土大梁鋼骨→吊裝次梁→大型吊車退場→綁扎型鋼柱內部鋼筋并支模→澆筑型鋼柱混凝土，施工縫留在梁底部→搭設操作平臺，綁扎型鋼混凝土大梁內部鋼筋并安裝吊模模板→在次梁上鋪鋼筋桁架樓承板→澆筑型鋼大梁混凝土→澆筑樓板混凝土。

2.2 分析與優化

方案一是相對比較傳統、普遍的做法，方案二有兩個明顯優勢：

1）大型吊車只進出場一次，進場后完成吊裝型鋼柱、型鋼大梁、次梁之后直接退場，無需二次進場，提高了大型吊車的使用效率，大大節約了大型吊車的使用成本；

2）采用吊模，省去了44.6 m高支模，只需要搭設操作平臺即可，不需要搭設承重大梁混凝土荷載的支撐架。

可見，如果方案二可行，既可以節約吊車成本，又可以省去高支模，降低安全風險，同時又能加快工期，是非常好的方案。但是，型鋼柱未澆筑混凝土前能否支撐型鋼大梁及次梁,型鋼大梁能否承受吊模荷載是需要驗證的問題。

3 施工有限元分析計算

3.1 工況

根據方案二，將大型型鋼混凝土屋蓋施工劃分為兩個施工工況進行分析計算。

工況一：吊裝型鋼柱，底部與預埋鋼板焊接牢固，吊裝型鋼混凝土大梁，吊裝次梁完成后，計算此時結構的安全性。

工況二：型鋼柱混凝土已達到28 d齡期強度，然后澆筑型鋼大梁混凝土和樓板混凝土，此時梁、板混凝土未硬化，不能作為抗力，而要作為荷載施加在型鋼大梁上。

3.2 工況一

3.2.1 模型基本信息

未澆筑混凝土，因此只需對型鋼柱、型鋼大梁、次梁建立模型，采用MIDAS/GEN有限元軟件，梁柱采用梁單元模擬，鋼材Q345。

考慮多種荷載組合，取最不利計算結果[1]。

1）恒荷載：型鋼柱、型鋼大梁、次梁的自重。

2）活荷載：梁施工荷載標準值取1.0 kN/m。

3）風荷載：大雨、霧、大雪及六級以上大風天等惡劣天氣應停止吊裝作業[2]，因此考慮最不利風荷載五級風，風速9 m/s，基本風壓取0.05 kN/m2。

4）吊車荷載的動力系數取1.1。

考慮到型鋼柱底部與預埋鋼板焊接牢固，取所有的柱底為鉸接，即約束柱底的xyz三向位移，釋放轉動約束。見圖4。

圖4 模型及約束方式

3.2.2 計算結果

最大應力發生在WKL2型鋼大梁的跨中，為38.9 MPa，40 mm厚鋼板抗彎強度設計值取265 MPa[3]，滿足要求；型鋼梁最大豎向位移16.8 mm，樓蓋的撓度限值為1/300，即允許最大豎向位移為28 700×1/300=95.7（mm），滿足要求；型鋼柱最大水平位移8.3 mm；柱頂位移限制為1/500，即允許最大水平位移為21 300×1/500=42.6（mm），滿足要求。見圖5。

圖5 計算結果

還可以計算每根型鋼主梁吊裝完成后的安全性[4]，此處不贅述，經計算整個施工工況一安全可靠，承載力、穩定性均滿足要求。

3.3 工況二

3.3.1 模型基本信息

采用MIDAS/GEN有限元軟件，梁柱采用梁單元模擬，鋼材Q345，混凝土強度等級C35。

考慮多種荷載組合，取最不利計算結果[1]。

1）恒荷載：型鋼主梁、次梁的自重；140 mm厚鋼筋桁架樓承板自重，標準值25×0.14=3.5（kN/m2）；WKL1、WKL2、WKL3型鋼大梁所受恒荷載標準值，見表1。

表1 型鋼大梁所受恒荷載標準值

2）活荷載：樓板施工荷載標準值2.0 kN/m2。

3）風荷載：大雨、霧、大雪及六級以上大風天等惡劣天氣應停止吊裝作業[2]，因此考慮最不利風荷載五級風，風速9 m/s，基本風壓取0.05 kN/m2。

4）吊車荷載的動力系數取1.1。

考慮到型鋼柱混凝土已到達28 d齡期強度，施工縫留在梁底部，取梁端部為鉸接，即約束梁端的xyz三向位移，釋放轉動約束。見圖6。

圖6 模型及約束方式

3.3.2 計算結果

最大應力發生在WKL2型鋼主梁的跨中，最大應力為102.9 MPa，40 mm厚鋼板抗彎強度設計值取265 MPa[3]，滿足要求；型鋼梁最大豎向位移26.2 mm，樓蓋的撓度限值為1/300，即允許最大豎向位移為28 700×1/300=95.7（mm），滿足要求；型鋼混凝土屋蓋的水平位移基本為0，這是由梁端約束條件決定的，與實際相符，基本沒有水平位移，滿足要求。見圖7。

圖7 計算結果

吊模模板自身的承載力按JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技術規范》單獨計算，考慮新澆筑混凝土的振搗荷載，驗算模板、吊桿的強度和變形值[5]，此處不贅述，經計算整個施工工況二安全可靠，承載力、穩定性均滿足要求。

4 結語

1）施工方案的優化可能需要反復進行，經歷“方案優化意見提出—計算驗證—方案修改—再提出”幾輪之后才能得到最優的施工方案。

2）計算模型的荷載情況、約束條件等要最大程度與實際相符。

3）施工方案的優化除了考慮施工的方便性，還要最大程度的安全可靠，經濟合理。

本工程采用優化后的方案二進行施工，取消了高大支模，省去了大型吊車的二次進場，不但大幅度降低了施工成本，而且提高了施工安全性，大大縮短了工期，降低了能耗，取得了很好地經濟效益和社會效益，為超大型鋼混凝土屋蓋施工提供了很好地借鑒。