超高長懸挑鋼桁架支撐系統設計及結構影響性分析

彭 輝，王 昊

(山西五建集團有限公司，山西 太原 030013)

0 引言

隨著建筑業的快速發展，各類造型繁雜的建筑結構應用廣泛，其中圓柱筒體結構外設計采用懸挑平臺的建筑結構逐漸增多，該種建筑結構可作為觀景平臺使用，也可用于水文、氣象、環境等的觀測使用。

在圓柱筒體主體結構上，懸挑平臺結合了傳統施工工藝的施工原理及優點，設計一種附著式懸挑鋼結構桁架主次梁支撐系統平臺作為懸挑結構施工的模板架體支撐平臺。從施工力學角度，該技術在施工過程中由于將附加荷載全部傳遞至豎向墻體，增加了一種承載能力極限狀態的施工形態。因此，保證施工過程中主體結構、鋼結構桁架支撐系統在安裝、使用、拆除時的安全、穩定，使結構由施工狀態平穩過渡至使用狀態，是鋼結構懸挑桁架主次梁支撐系統施工設計與施工控制考慮的主要問題。

1 工程概況

襄垣縣水文氣象環境綜合監測臺總建筑面積為4 109.91m2。地下1層，地上13層，標準層層高6m，總建筑高度72.3m。外形為筒體結構，3～11層半徑為6m，板厚150mm，外墻厚300mm，標高64.220m處(11層頂)懸挑部分板厚120mm，懸挑尺寸4.5m，在懸挑平臺下部1層層高范圍內沿軸線方向有6個腋柱，如圖1所示。

圖1 懸挑平臺及懸挑桁架布置示意

在第10層筒體墻上，搭設懸挑鋼結構桁架支撐平臺，上弦桿水平設置、下弦桿斜向設置，上弦桿的外端與下弦桿的外端焊接固定；腹桿焊接固定于上弦桿和下弦桿之間，腹桿包括兩根豎腹桿和一根斜腹桿，斜腹桿固定于兩個豎腹桿之間。

型鋼桁架圍繞主體結構的外圍布置一圈，相鄰型鋼桁架之間的夾角設置為30°，在鋼結構桁架支撐錨固點位置處的筒體墻上內外側安裝弧形鋼帶，桁架錨固端以錨板、高強螺栓、弧形鋼帶與主體結構錨固。型鋼桁架全部安裝完成后，再按徑向由里向外進行橫向工字鋼的焊接，將各桁架支撐連接為穩固的整體。

2 施工工藝流程

鋼結構懸挑桁架支撐系統施工工藝包括支撐桁架系統設計、支撐桁架加工、預留孔施工、支撐桁架安裝、模板支撐架體搭設、鋼筋混凝土懸挑結構施工、支撐桁架拆除等，工藝流程如圖2所示。

圖2 施工工藝流程

3 鋼支撐安裝要點及影響性分析

3.1 支撐桁架系統設計、加工與安裝

1)按照懸挑平臺結構設計尺寸，結合相關施工工況和模板支撐架體設計，擬定鋼結構懸挑桁架支撐系統空間構造。按照各工況進行受力分析，分析內容應包括：桿件強度及剛度、結構局部及整體穩定性、錨固點強度，筒體結構局部承壓、結構墻體的應力分析。

2)根據計算結果對施工可行性復核后，進行鋼結構詳圖深化設計。詳圖深化過程中應結合主體結構的實際施工偏差考慮鋼結構桁架支撐安裝施工偏差控制、特殊部位構造補強、安全防護等要求。

3)嚴格按照施工圖紙進行加工，根據GB 50205—2020《鋼結構工程施工質量驗收標準》的相關要求對桁架進行驗收，加強對工廠加工及現場焊接焊縫質量的檢查，嚴格按照焊縫等級要求進行超聲波探傷檢驗。

4)鋼結構支撐桁架完成后，以下部結構施工搭設的懸挑腳手架作為鋼結構支撐桁架的安裝操作平臺。懸挑腳手架設計按照鋼結構支撐桁架操作荷載進行復核驗算。

5)焊接好的型鋼桁架全部安裝完成后，再按徑向由里向外的順序進行橫向工字鋼焊接，橫向工字鋼在型鋼桁架處接頭，將工字鋼按實際角度加工成斜面，兩兩相對滿焊連接為整體。

6)為保證單榀桁架下弦桿平面外穩定性，采用[14，按照上弦桿鋪設橫向工字鋼長度將每兩個單榀桁架下弦桿進行水平向連接，形成單元式型鋼桁架，槽鋼間距為1 500mm， 節點焊接(搭接區滿焊)，雙榀桁架夾角為30°(見圖3)。

圖3 單元式桁架模型

3.2 圓柱筒體外側空洞增設鋼筋混凝土梁、柱

在最大洞口(5 970mm×5 000mm)部位，單元式桁架無法安裝(單元桁架內環尺寸小于洞口寬度)，在筒體結構洞口處沿環向及豎向分別設置1道環形梁及立柱，為桁架架設提供支撐結構并用環形鋼帶約束筒體，增強結構剛度。

圖4 洞口增設柱梁構造

3.3 結構影響性分析

采用ABAQUS6.13有限元分析軟件，分析混凝土筒壁和環狀鋼板在施工桁架荷載作用下錨固位置的變形和應力。主要參數設置如下。

1)荷載組合 根據實際情況，考慮主體結構自重，桁架、平臺、模板支撐架體自重，施工操作荷載，設備荷載等。依據GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》考慮當地風荷載。對結構強度和剛度分別采用基本組合和標準組合進行驗算。根據桁架拉桿、上弦桿和下弦桿內力設計值計算出作用于筒壁的拉/壓力和剪力，如圖5所示。

圖5 模型計算簡圖

2)模型建立 筒壁混凝土墻和帶狀鋼板采用八節點四面體單元C3D8R實體單元進行模擬分析。氣象環境綜合監測臺半徑為3 000mm，筒壁壁厚300mm，由標高58.220～64.220m層筒體進行分析，樓層處設120mm厚混凝土板，暗梁底設固定支座約束。由于僅考慮錨固位置筒壁局部影響，故模型中忽略筒壁開洞的情況。筒壁采用C35混凝土，彈性模量為3.0×104N/mm2，泊松比為0.2；環狀鋼板寬度400mm，厚度為15mm，采用Q345鋼，彈性模量為2.06×105N/mm2，泊松比為0.3，設置在錨固位置筒壁內側和外側，共3道。

3)荷載計算 施加荷載選擇了3榀懸臂桁架，研究筒壁局部效應，計算錨固位置懸臂桁架荷載作用對筒壁的影響。外荷載根據懸挑桁架最不利荷載組合下軸力和剪力計算得到，按桁架桿端節點板面積換算成均布荷載施加在帶狀鋼板同節點板尺寸區域。計算所得荷載在標高58.420m(下弦桿錨固位置)，61.020m(上弦桿錨固位置)，63.120m(拉桿錨固位置)處依次為-5.45，3.17，1.87N/mm2，剪力依次為348.18，94.5，152.6kN，其中壓力正值為筒內壁受壓，負值為筒外壁受壓，剪力正值為向下，施加在筒壁上。筒壁施工桁架荷載作用下變形與應力如表1,2所示。

表1 筒壁施工桁架荷載作用下變形 mm

表2 筒壁施工桁架荷載作用下mise應力 N·mm-2

環狀板帶施工桁架荷載作用下最大壓應力計算結果如表3所示。

表3 環狀鋼板帶施工桁架荷載作用下最大壓應力 N·mm-2

4 鋼結構桁架安裝施工控制方法

1)施工控制的核心是精確控制桁架結構的安裝精度與變形，在正式安裝前先在3層筒體墻結構相同位置處安裝2榀桁架，再在其上部進行等荷載堆載試驗，測定桁架及錨固點處的變形及位移。實測數據不僅可作為理論計算數據的校核，也為鋼結構支撐桁架的正式安裝提供起拱預設值及采集桁架安裝偏差數據。

2)各關鍵施工步驟指標主要包括：單榀桁架出廠尺寸偏差、變形，分塊起吊安裝、錨固點的軸線位置偏差、角度偏差、變形；橫向工字鋼連為整體的合龍位置偏差等。

3)根據預壓堆載變形值確定各桁架結構的預起拱值，根據精度要求分塊吊裝每榀桁架，在傳統測量技術的基礎上結合新型測量技術，通過高精度測量與精細控制實現精確定位安裝。待全部鋼結構支撐桁架安裝完成，復測調平后進行橫向工字鋼焊接，按徑向由里向外進行橫向工字鋼的焊接，橫向工字鋼在型鋼桁架處接頭，將工字鋼按實際角度加工成斜面，兩兩相對滿焊。

4)在橫向工字鋼上間距1m焊接∟50×5，同時每個型鋼桁架上設置I14作為拉桿，拉桿的一端固定有錨板且通過高強螺栓與圓筒主體結構固定連接，拉桿的另一端按實際角度加工成斜面并與型鋼桁架滿焊。

5 結語

襄垣縣水文氣象環境綜合監測臺項目首次采用懸挑鋼結構桁架主次梁支撐系統，為上部模板支撐架提供穩定可靠的支撐平臺，與傳統施工工藝相比該施工方法經濟合理，施工安裝快捷，安全及可操作性強，具有優良的推廣使用價值。提出了一種在原結構設計上附加重型荷載桁架支撐平臺的設計方案和結構受力分析方法，并提出了符合設計工況的有限元實體模型，對受力部位筒體結構進行應力應變分析。施工監測結果表明，理論分析與工程實際施工工況吻合，結構受力分析結果準確，驗證了支撐平臺設計方案的可行性，及有限元分析模型對因施工措施附加于原設計結構荷載分析方法、施工過程模擬的有效性。