大型商場懸挑桁架施工順序模擬分析
——以廈門某大型商場屋面懸挑桁架施工為例

林基聰

(廈門合立道工程設計集團股份有限公司 福建廈門 361004)

0 引言

隨著現代經濟和建筑技術的發展，許多城市建造了大量公共建筑，這些公共建筑為了滿足功能和造型的需要，往往具有較大的跨度或者較大的懸挑長度。對于這類的建筑，臨時支撐的安裝和拆卸等邊界條件的改變，都會引起較大的變形，從而引起結構的內力重分布。對于這類建筑，按傳統經典力學，不考慮材料的徐變、收縮和強度發展，不考慮施工階段荷載、不考慮施工安裝設備、臨時支撐的安裝和拆卸等邊界條件的改變，不考慮結構依次成型不斷發生的內力重分布，而只考慮使用階段的荷載。然而，按一次性加載或者逐層加載的傳統計算分析方式，不能滿足工程需要。這類建筑的設計過程，應根據結構的施工順序，綜合考慮結構的構件、荷載、邊界條件等變化進行施工分析。《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2010)[1]第5.1.9條規定，“復雜高層建筑及房屋高度大于150m其他高層建筑結構，應考慮施工過程的影響”。

目前，3D3S、SAP2000、Midas Gen等軟件有專門的施工模擬模塊來實現施工順序的模擬，其中3D3S主要針對鋼結構的施工模擬；Ansys和Abaqus等通用有限元軟件，可以分別通過生死單元的概念ekill, ealive縮小殺死單元剛度和通過model change, remove/add追蹤單元實現施工模擬。

本文以廈門某大型商場屋面懸挑桁架為例，利用有限元軟件Midas Gen對其進行施工模擬，并針對分析結果給出相應的施工建議。

1 工程概況

該項目位于廈門市仙岳路與嘉禾路交叉地帶，地下3層，地上為18層酒店和4層商業裙房，檐口高度分別為85.6m和22.8m，地上商業面積約6.3萬m2，平面呈L型布置，效果圖如圖1所示。

由于建筑造型原因，圖1中圈出位置最大懸挑位置分別逐層外挑，其頂層最大外挑長度達分別達到11.6m和7.7m，其平面位置如圖2所示。其中a-B軸的懸挑長度最大，在屋面層和構架層設置懸挑桁架，通過屋面懸挑桁架和吊柱，減少三層、四層懸挑長度8m，將原11.6m的懸挑長度降為3.6m，提高結構的安全性和舒適性，其結構剖面示意如圖3所示。

圖1 項目效果圖及大懸挑部位示意圖

圖2 大懸挑位置平面示意圖

圖3 最大懸挑桁架剖面示意

2 分析工況

施工順序模擬分析跟施工工序緊密相連。該工程懸挑桁架及吊柱的施工，可采取搭設臨時支撐，然后逐層向上順序施工，待屋面桁架施工完成后，拆除臨時支撐的施工順序，也可采取先施工除大懸挑部位外的主體結構和屋面桁架，然后逐層向下施工吊柱和懸挑梁的逆序施工順序。由于逆序施工存在吊柱和懸挑梁施工安裝困難等因素，建議該工程采取第一種施工順序，施工順序模擬也按該施工順序進行。

對于上述第一種施工順序的模擬，主要是模擬施工階段的荷載、臨時支撐的安裝和拆除等結構邊界條件改變對結構的影響。

該工程施工模擬不涉及臨時支撐的失穩分析，故施工模擬分析時，未建立臨時支撐構件的結構組，僅通過改變大懸挑位置的邊界條件來實現，同時忽略混凝土徐變、收縮和強度發展等對結構的影響。具體分析工況如圖4所示，SC2工況通過增加邊界條件模擬臨時支撐的安裝，SC5工況通過改變邊界條件模擬臨時支撐拆除，SC1～CS5工況僅考慮結構自重和施工活荷作用，最后以SC5的最終變形作為整體結構的初始條件，與樓面面層裝修荷載、樓面使用活荷載等豎向荷載工況和風荷載、地震荷載等水平荷載工況進行組合，計算結構最終受力狀態。

圖4 分析工況示意圖

3 分析結果

本文施工模擬分析，主要關注圖4中A點臨時支撐拆除前后的位移變化、懸挑梁在B點各施工階段的彎矩變化、桁架下弦桿C點在臨時支撐拆除前后及最終的軸力和彎矩變化、桁架上弦桿D點在臨時支撐拆除前后及最終的軸力和彎矩變化等。下文將分別對這些關注點的分析結果進行分析。

A點在臨時支撐拆除前、拆除后位移及最終變形如圖5所示。由圖5中可以看出，臨時支撐拆除時，A點產生的變形約占最終總變形80%左右，臨時支撐的拆除產生的變形將會引起較大的內力重分布，其懸挑段端部B點的彎矩在各施工階段的變化如圖6所示。

圖5 A點臨時支撐拆除前、后及最終變形趨勢圖

圖6 B點各施工工況彎矩變化趨勢圖

由圖6可以看出，隨著工況的增加，B點隨著梁端框架柱由于上部荷載的增加，框架柱被逐步壓縮變形，這些微小變形導致B點負彎矩逐步減少，到臨時支撐拆除前，即臨時支撐拆除前CS4工況，B點彎矩已出現正彎矩，其值為261kN·m。但是，隨著臨時支撐的拆除，A點產生較大的變形，從而引起B點較大的負彎矩，其值為3825kN·m，約為初始彎矩(566kN·m)的6.75倍?？梢?，臨時支撐的拆除，引起三層懸挑梁變形，從而引起懸挑梁端內力重分布。常規設計時，經常忽視該內力重分布引起的梁端彎矩，從而存在結構安全隱患。

在臨時支撐拆除前后，懸挑桁架的上弦和下弦桿也會因為邊界條件的改變引起內力重分布，其軸力和彎矩的變化分布如圖7～圖8所示。

圖7 上下弦桿軸力變化趨勢圖

圖8 上下弦桿彎矩變化趨勢圖

由圖7、圖8可以看出，臨時支撐拆除時，A點的變形同時將使上弦桿產生拉力2558.2kN，下弦桿產生壓力4100.7kN，分別約占最終不利組合下上弦桿軸向拉力和下弦桿軸向壓力的1/3左右。同樣，臨時支撐拆除引起上下弦桿的彎矩也約占最終最不利組合彎矩的1/3左右。圖中還可以看出，上弦桿的彎矩約為下弦桿的1/2。這些臨時支撐拆除引起的附加內力，在設計時都應給予充分考慮。

4 小結

本文采用Midas Gen軟件的施工模擬模塊，通過改變結構組、荷載組模擬結構施工工序，通過改變邊界組模擬臨時支撐的搭設和拆除，對該工程屋面大懸挑桁架及吊柱的施工順序進行模擬，可以得出以下結論：

(1)臨時支撐的拆除，將對懸挑部位產生一定的豎向變形，而豎向變形將會引起懸挑端產生附加彎矩，且該彎矩較大，在進行結構構件設計時應給予充分考慮，避免存在結構安全隱患。

(2)臨時支撐的拆除，將會引起懸挑桁架內力重分布，引起桁架桿件軸力和弦桿彎矩的增加，且該內力占最終不利組合內力的1/3，構件設計時應考慮該部分內力。

基于上述兩點結論，在結構構件設計時，懸挑桁架和三層、四層懸挑梁及吊柱，在充分考慮臨時支撐拆除時引起的附加內力的基礎上，采用型鋼混凝土構件，增加結構的承載力和延性?；?，為了防止臨時支撐拆除引起懸挑梁端產生裂縫，可在懸挑梁端設置后澆帶(圖9)，待臨時支撐拆除、變形穩定后再進行澆注。

5 建議

基于上述分析，筆者對該工程施工提出如下建議：

(1)臨時支撐，應待懸挑桁架施工完成且混凝土強度等級達到相關規范要求時再進行拆除。

(2)安裝臨時支撐時，建議在臨時支撐頂部采用液壓千斤頂，待臨時支撐拆除時，逐步卸荷，防止臨時支撐突然拆除引起變形太大，從而引起懸挑梁端部荷載變化太大而產生裂縫甚至斷裂。

圖9 大懸挑位置后澆帶示意圖

(3)臨時支撐拆拆除時，建議根據邊界條件的改變引起的位移變化，確定千斤頂卸荷量，以保證懸挑梁變形協調。

最后需要指出的是，臨時支撐位于第三層樓面標高處，支撐高度較大，可能存在臨時支撐失穩的問題。本文計算時未建立臨時支撐結構組，未考慮臨時支撐的穩定問題，施工單位在做臨時支撐方案設計時，建議充分考慮計算臨時支撐的穩定性，防止臨時支撐失穩而導致懸挑梁、懸挑桁架邊界條件的改變。