基于鋼結(jié)構(gòu)大跨度連廊起拱問題的解決方案

陳倩云 王 濤 李 煬

中建三局第三建設(shè)工程有限責(zé)任公司 湖北 武漢 430074

在大跨度結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)自重以及上部荷載所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形，對(duì)結(jié)構(gòu)施工及使用過程中的安全性、舒適度的影響是不可忽略的。對(duì)于大跨度鋼結(jié)構(gòu)，控制跨中下?lián)隙茸冃问茄芯康闹攸c(diǎn)。目前，控制跨中撓度的方法主要有3種：一是增加永久性的跨中立柱，但影響建筑美觀，當(dāng)下部無可靠支撐點(diǎn)時(shí)，在設(shè)計(jì)、施工上存在一定難度；二是在鋼結(jié)構(gòu)箱梁中設(shè)置預(yù)應(yīng)力拉索，但存在預(yù)應(yīng)力筋張拉、錨固流程煩瑣，施工界面要求高等難點(diǎn)；三是采用結(jié)構(gòu)預(yù)起拱方式，該方法造價(jià)低，工藝簡(jiǎn)單，可在工廠加工時(shí)預(yù)先弧線起拱，也可在施工現(xiàn)場(chǎng)拼裝過程中起拱，應(yīng)用廣泛[1-7]。

1 工程概況

湖北省國(guó)網(wǎng)電力調(diào)度通信樓工程14—15層之間為大跨度鋼桁架矩形連廊，截面形式由箱形和工字形組成，板厚區(qū)間40～60 mm，連廊底標(biāo)高58.75 m，頂標(biāo)高67.15 m，平面尺寸約為77.6 m×11.9 m，鋼連廊總噸位約1 050 t。

2 起拱方式的選擇

本工程采用地面拼裝提升器整體提升的方式進(jìn)行施工，結(jié)構(gòu)預(yù)變形（起拱）在連廊整體提升前完成。目前，預(yù)起拱方式主要有3種：

1）弧線起拱：該起拱方式主要適用于小型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的起拱，其起拱過程是計(jì)算起拱弧度后由工廠進(jìn)行定制加工起拱，制作完成后的構(gòu)件呈現(xiàn)輕微的弧形，理論上與結(jié)構(gòu)的變形函數(shù)曲線吻合。其起拱效果相對(duì)來說也是比較好的，但是起拱制作過程比較復(fù)雜，鋼構(gòu)件在工廠加工制作的周期也會(huì)相應(yīng)延長(zhǎng)。

2）折線起拱：該起拱方式是對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行分段設(shè)計(jì)、分段加工后，在現(xiàn)場(chǎng)拼裝過程中，通過調(diào)節(jié)鋼構(gòu)件下部支撐的頂面標(biāo)高來完成各段構(gòu)件的起拱，從而實(shí)現(xiàn)整體鋼結(jié)構(gòu)的起拱。此種起拱方式相對(duì)于弧線起拱，施工工藝較為簡(jiǎn)單且便于操作，但可能存在因折線角度過大引起焊縫尺寸變化的問題，這一點(diǎn)在結(jié)構(gòu)分段設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮。

3）直線起拱：與折線起拱類似，作為折線起拱的簡(jiǎn)化方式，僅在跨中起拱，也僅適用于小型結(jié)構(gòu)的起拱，實(shí)際起拱曲線與結(jié)構(gòu)變形函數(shù)存在較大誤差。

該工程鋼結(jié)構(gòu)跨度79 m，作為大跨度結(jié)構(gòu)單點(diǎn)直線起拱誤差偏大，且結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸較大，弧線起拱存在一定的制作難度。通過對(duì)工程造價(jià)、工期、施工工藝等方面的綜合比較分析，最終采用折線起拱方式施工。

3 起拱參數(shù)的確定

目前我國(guó)規(guī)范對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)起拱的要求尚不明確，施工中常按鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中所規(guī)定的結(jié)構(gòu)下?lián)献冃螛O限值（即總跨度的1/500）進(jìn)行起拱，但是這種方法僅適用于直線起拱，對(duì)于折線起拱，不但無法確定起拱折線的各節(jié)點(diǎn)的起拱高度，而且由于材料本身的偏保守設(shè)計(jì)，施工完成后的大跨結(jié)構(gòu)下?lián)献冃沃禃?huì)遠(yuǎn)小于1/500。因此，為保證結(jié)構(gòu)起拱的科學(xué)性，將采用Midas Gen對(duì)結(jié)構(gòu)施工過程進(jìn)行模擬，獲取起拱折線各節(jié)點(diǎn)下?lián)蠑?shù)值以應(yīng)用于結(jié)構(gòu)反變形施工。

對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)提升過程中的模擬，由于為動(dòng)態(tài)提升過程，故取1.4倍的動(dòng)力放大系數(shù)，邊界條件為上弦4個(gè)腳點(diǎn)的Z向一般支撐，其計(jì)算結(jié)果如圖1所示。提升過程中的最大變形出現(xiàn)在下弦跨中，最大位移值為－34 mm，小于鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范所要求的長(zhǎng)度的1/400＝195 mm，可認(rèn)為鋼結(jié)構(gòu)提升過程中的剛度是足夠的。但此次模擬的各項(xiàng)數(shù)值不能作為結(jié)構(gòu)起拱參數(shù)，原因在于提升時(shí)的邊界條件和受力狀態(tài)與安裝完成后的結(jié)構(gòu)存在較大差異，且鋼結(jié)構(gòu)上相關(guān)裝飾工程的施工也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度產(chǎn)生一定的影響。因此，為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需對(duì)吊裝完成后的結(jié)構(gòu)，在該模型的基礎(chǔ)上調(diào)整支撐條件和荷載分布情況后重新計(jì)算。

圖1 提升過程中桿件變形

對(duì)于結(jié)構(gòu)安裝完成后的模擬，先增加實(shí)體結(jié)構(gòu)構(gòu)件，同時(shí)改變邊界條件為一端固定，一端單向滑動(dòng)支座。為擬合出較吻合的實(shí)際工況荷載組合系數(shù)，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，采用3組荷載組合進(jìn)行模擬，分別為純自重荷載、1恒載＋0.5活載、1.2恒載＋1.2活載，計(jì)算數(shù)據(jù)見表1。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)將采用1恒載＋0.5活載的荷載組合所計(jì)算出的節(jié)點(diǎn)變形數(shù)值進(jìn)行結(jié)構(gòu)反變形施工，由于施工誤差對(duì)起拱過程的影響，在位移計(jì)算結(jié)果上給予一個(gè)變形損失系數(shù)（本文中取1.3），即控制2號(hào)節(jié)點(diǎn)與6號(hào)節(jié)點(diǎn)高差h＝1.3×（69.254－22.08）＝61.326 mm，反向施加于結(jié)構(gòu)上（圖2）。

4 實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

為獲取實(shí)際的鋼連廊形變數(shù)值，在鋼連廊2、6、10（24、28、32）的6個(gè)節(jié)點(diǎn)上設(shè)置反射棱鏡，并采用全站儀測(cè)取監(jiān)測(cè)點(diǎn)的初始高程以及施工完成后的最終高程，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表2。

表1 不同荷載組合下構(gòu)件節(jié)點(diǎn)變形的模擬數(shù)據(jù)

圖2 連廊模型節(jié)點(diǎn)示意

表2 結(jié)構(gòu)模擬數(shù)值與實(shí)測(cè)數(shù)值對(duì)比 單位：mm

由表格中的數(shù)據(jù)分析可知，采用1恒載＋0.5活載的荷載組合進(jìn)行鋼連廊下?lián)献冃蔚贸龅挠?jì)算數(shù)據(jù)是比較準(zhǔn)確的。同時(shí)還注意到一個(gè)問題：由于各節(jié)點(diǎn)下?lián)献冃螖?shù)值是增加系數(shù)之后反向施加于結(jié)構(gòu)之上的，所以從理論上來說表格中的實(shí)際起拱值應(yīng)在61.326 mm左右浮動(dòng)，但實(shí)際測(cè)取左右弦的起拱數(shù)值分別為49.09 mm和50.28 mm，存在一定的誤差。通過分析施工過程，對(duì)于此次誤差，提出了以下幾點(diǎn)可能（圖3）：

1）此次鋼結(jié)構(gòu)起拱是采取控制各節(jié)點(diǎn)鋼支墩頂面標(biāo)高的方式實(shí)現(xiàn)的，鋼連廊本身自重過大導(dǎo)致下部鋼支墩產(chǎn)生了較大的彈性變形，引起了起拱高度的誤差。

2）拱結(jié)構(gòu)會(huì)在支座上產(chǎn)生水平側(cè)向力，在實(shí)際施工中僅采取在連廊側(cè)面焊接短鋼板的方式進(jìn)行側(cè)向支撐，由于短鋼板在拱結(jié)構(gòu)水平力的作用下會(huì)產(chǎn)生一定的變形，因此沒有可靠的水平支撐，也使得實(shí)際起拱時(shí)損失了一定的高度值。

圖3 Midas Gen中的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

5 結(jié)語

通過此次模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，可以得出以下結(jié)論：

1）現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)施工規(guī)范中并未給出鋼結(jié)構(gòu)起拱的具體方法以及起拱度數(shù)值，對(duì)于大跨度鋼結(jié)構(gòu)起拱高度的選擇，若直接采用1/500進(jìn)行起拱，通常情況下會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)拱度偏大，施工完成后結(jié)構(gòu)仍存在較大殘余拱度，其在支座上產(chǎn)生的水平力反力可能會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生一定影響，同時(shí)也會(huì)降低結(jié)構(gòu)使用過程中的舒適度。因此通過有限元軟件進(jìn)行模擬，采用模擬數(shù)據(jù)反方向施加于結(jié)構(gòu)之上的起拱方案是具有一定科學(xué)性的，而模擬中選取1恒載＋0.5活載的荷載組合，通過實(shí)際驗(yàn)證是比較合理的。

2）由于實(shí)際施工中可能存在鋼支墩的彈性變形和無可靠側(cè)向支撐的問題，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際起拱高度產(chǎn)生損失，而損失的程度需要視現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況而定。采取一些可靠的措施減小起拱高度的損失是很有必要的。因此，在模擬出鋼結(jié)構(gòu)下?lián)献冃螖?shù)據(jù)后建議添加拱度損失放大系數(shù)，以此抵消起拱高度的損失。