超高長(zhǎng)懸挑鋼桁架支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)影響性分析

彭 輝，王 昊

(山西五建集團(tuán)有限公司，山西 太原 030013)

0 引言

隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展，各類造型繁雜的建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛，其中圓柱筒體結(jié)構(gòu)外設(shè)計(jì)采用懸挑平臺(tái)的建筑結(jié)構(gòu)逐漸增多，該種建筑結(jié)構(gòu)可作為觀景平臺(tái)使用，也可用于水文、氣象、環(huán)境等的觀測(cè)使用。

在圓柱筒體主體結(jié)構(gòu)上，懸挑平臺(tái)結(jié)合了傳統(tǒng)施工工藝的施工原理及優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種附著式懸挑鋼結(jié)構(gòu)桁架主次梁支撐系統(tǒng)平臺(tái)作為懸挑結(jié)構(gòu)施工的模板架體支撐平臺(tái)。從施工力學(xué)角度，該技術(shù)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(tài)的施工形態(tài)。因此，保證施工過程中主體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)桁架支撐系統(tǒng)在安裝、使用、拆除時(shí)的安全、穩(wěn)定，使結(jié)構(gòu)由施工狀態(tài)平穩(wěn)過渡至使用狀態(tài)，是鋼結(jié)構(gòu)懸挑桁架主次梁支撐系統(tǒng)施工設(shè)計(jì)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(huán)境綜合監(jiān)測(cè)臺(tái)總建筑面積為4 109.91m2。地下1層，地上13層，標(biāo)準(zhǔn)層層高6m，總建筑高度72.3m。外形為筒體結(jié)構(gòu)，3～11層半徑為6m，板厚150mm，外墻厚300mm，標(biāo)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(tái)下部1層層高范圍內(nèi)沿軸線方向有6個(gè)腋柱，如圖1所示。

圖1 懸挑平臺(tái)及懸挑桁架布置示意

在第10層筒體墻上，搭設(shè)懸挑鋼結(jié)構(gòu)桁架支撐平臺(tái)，上弦桿水平設(shè)置、下弦桿斜向設(shè)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(gè)豎腹桿之間。

型鋼桁架圍繞主體結(jié)構(gòu)的外圍布置一圈，相鄰型鋼桁架之間的夾角設(shè)置為30°，在鋼結(jié)構(gòu)桁架支撐錨固點(diǎn)位置處的筒體墻上內(nèi)外側(cè)安裝弧形鋼帶，桁架錨固端以錨板、高強(qiáng)螺栓、弧形鋼帶與主體結(jié)構(gòu)錨固。型鋼桁架全部安裝完成后，再按徑向由里向外進(jìn)行橫向工字鋼的焊接，將各桁架支撐連接為穩(wěn)固的整體。

2 施工工藝流程

鋼結(jié)構(gòu)懸挑桁架支撐系統(tǒng)施工工藝包括支撐桁架系統(tǒng)設(shè)計(jì)、支撐桁架加工、預(yù)留孔施工、支撐桁架安裝、模板支撐架體搭設(shè)、鋼筋混凝土懸挑結(jié)構(gòu)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(diǎn)及影響性分析

3.1 支撐桁架系統(tǒng)設(shè)計(jì)、加工與安裝

1)按照懸挑平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸，結(jié)合相關(guān)施工工況和模板支撐架體設(shè)計(jì)，擬定鋼結(jié)構(gòu)懸挑桁架支撐系統(tǒng)空間構(gòu)造。按照各工況進(jìn)行受力分析，分析內(nèi)容應(yīng)包括：桿件強(qiáng)度及剛度、結(jié)構(gòu)局部及整體穩(wěn)定性、錨固點(diǎn)強(qiáng)度，筒體結(jié)構(gòu)局部承壓、結(jié)構(gòu)墻體的應(yīng)力分析。

2)根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)施工可行性復(fù)核后，進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)詳圖深化設(shè)計(jì)。詳圖深化過程中應(yīng)結(jié)合主體結(jié)構(gòu)的實(shí)際施工偏差考慮鋼結(jié)構(gòu)桁架支撐安裝施工偏差控制、特殊部位構(gòu)造補(bǔ)強(qiáng)、安全防護(hù)等要求。

3)嚴(yán)格按照施工圖紙進(jìn)行加工，根據(jù)GB 50205—2020《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求對(duì)桁架進(jìn)行驗(yàn)收，加強(qiáng)對(duì)工廠加工及現(xiàn)場(chǎng)焊接焊縫質(zhì)量的檢查，嚴(yán)格按照焊縫等級(jí)要求進(jìn)行超聲波探傷檢驗(yàn)。

4)鋼結(jié)構(gòu)支撐桁架完成后，以下部結(jié)構(gòu)施工搭設(shè)的懸挑腳手架作為鋼結(jié)構(gòu)支撐桁架的安裝操作平臺(tái)。懸挑腳手架設(shè)計(jì)按照鋼結(jié)構(gòu)支撐桁架操作荷載進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)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(jìn)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(shí)際角度加工成斜面，兩兩相對(duì)滿焊連接為整體。

6)為保證單榀桁架下弦桿平面外穩(wěn)定性，采用[14，按照上弦桿鋪設(shè)橫向工字鋼長(zhǎng)度將每?jī)蓚€(gè)單榀桁架下弦桿進(jìn)行水平向連接，形成單元式型鋼桁架，槽鋼間距為1 500mm， 節(jié)點(diǎn)焊接(搭接區(qū)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(cè)空洞增設(shè)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(nèi)環(huán)尺寸小于洞口寬度)，在筒體結(jié)構(gòu)洞口處沿環(huán)向及豎向分別設(shè)置1道環(huán)形梁及立柱，為桁架架設(shè)提供支撐結(jié)構(gòu)并用環(huán)形鋼帶約束筒體，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度。

圖4 洞口增設(shè)柱梁構(gòu)造

3.3 結(jié)構(gòu)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(huán)狀鋼板在施工桁架荷載作用下錨固位置的變形和應(yīng)力。主要參數(shù)設(shè)置如下。

1)荷載組合 根據(jù)實(shí)際情況，考慮主體結(jié)構(gòu)自重，桁架、平臺(tái)、模板支撐架體自重，施工操作荷載，設(shè)備荷載等。依據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》考慮當(dāng)?shù)仫L(fēng)荷載。對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度分別采用基本組合和標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行驗(yàn)算。根據(jù)桁架拉桿、上弦桿和下弦桿內(nèi)力設(shè)計(jì)值計(jì)算出作用于筒壁的拉/壓力和剪力，如圖5所示。

圖5 模型計(jì)算簡(jiǎn)圖

2)模型建立 筒壁混凝土墻和帶狀鋼板采用八節(jié)點(diǎn)四面體單元C3D8R實(shí)體單元進(jìn)行模擬分析。氣象環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)臺(tái)半徑為3 000mm，筒壁壁厚300mm，由標(biāo)高58.220～64.220m層筒體進(jìn)行分析，樓層處設(shè)120mm厚混凝土板，暗梁底設(shè)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(huán)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(shè)置在錨固位置筒壁內(nèi)側(cè)和外側(cè)，共3道。

3)荷載計(jì)算 施加荷載選擇了3榀懸臂桁架，研究筒壁局部效應(yīng)，計(jì)算錨固位置懸臂桁架荷載作用對(duì)筒壁的影響。外荷載根據(jù)懸挑桁架最不利荷載組合下軸力和剪力計(jì)算得到，按桁架桿端節(jié)點(diǎn)板面積換算成均布荷載施加在帶狀鋼板同節(jié)點(diǎn)板尺寸區(qū)域。計(jì)算所得荷載在標(biāo)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(nèi)壁受壓，負(fù)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(yīng)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(yīng)力 N·mm-2

環(huán)狀板帶施工桁架荷載作用下最大壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 環(huán)狀鋼板帶施工桁架荷載作用下最大壓應(yīng)力 N·mm-2

4 鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的安裝精度與變形，在正式安裝前先在3層筒體墻結(jié)構(gòu)相同位置處安裝2榀桁架，再在其上部進(jìn)行等荷載堆載試驗(yàn)，測(cè)定桁架及錨固點(diǎn)處的變形及位移。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不僅可作為理論計(jì)算數(shù)據(jù)的校核，也為鋼結(jié)構(gòu)支撐桁架的正式安裝提供起拱預(yù)設(shè)值及采集桁架安裝偏差數(shù)據(jù)。

2)各關(guān)鍵施工步驟指標(biāo)主要包括：?jiǎn)伍旒艹鰪S尺寸偏差、變形，分塊起吊安裝、錨固點(diǎn)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(jù)預(yù)壓堆載變形值確定各桁架結(jié)構(gòu)的預(yù)起拱值，根據(jù)精度要求分塊吊裝每榀桁架，在傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合新型測(cè)量技術(shù)，通過高精度測(cè)量與精細(xì)控制實(shí)現(xiàn)精確定位安裝。待全部鋼結(jié)構(gòu)支撐桁架安裝完成，復(fù)測(cè)調(diào)平后進(jìn)行橫向工字鋼焊接，按徑向由里向外進(jìn)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(shí)際角度加工成斜面，兩兩相對(duì)滿焊。

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

5 結(jié)語

襄垣縣水文氣象環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)臺(tái)項(xiàng)目首次采用懸挑鋼結(jié)構(gòu)桁架主次梁支撐系統(tǒng)，為上部模板支撐架提供穩(wěn)定可靠的支撐平臺(tái)，與傳統(tǒng)施工工藝相比該施工方法經(jīng)濟(jì)合理，施工安裝快捷，安全及可操作性強(qiáng)，具有優(yōu)良的推廣使用價(jià)值。提出了一種在原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上附加重型荷載桁架支撐平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案和結(jié)構(gòu)受力分析方法，并提出了符合設(shè)計(jì)工況的有限元實(shí)體模型，對(duì)受力部位筒體結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。施工監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，理論分析與工程實(shí)際施工工況吻合，結(jié)構(gòu)受力分析結(jié)果準(zhǔn)確，驗(yàn)證了支撐平臺(tái)設(shè)計(jì)方案的可行性，及有限元分析模型對(duì)因施工措施附加于原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)荷載分析方法、施工過程模擬的有效性。