重載跨空結構支撐體系安全性模擬分析

馬 沖，田 野，張營營，許 超

(1.山東金城建設有限公司，山東 淄博 255000；2.中國礦業大學力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

跨空結構的結構安全和施工安全是近年來建筑施工領域研究的重難點，現行規范標準中并未對此作出明確說明。對于一般性的高層住宅建筑，其樓層結構荷載及施工荷載較小，常規做法是3層承受1層荷載，如1～3層地面承受3層頂板(4層地面)的荷載，如此循環；超過一定規模，且危險性較大的分部分項工程(施工總荷載≥15kN/m2或集中線荷載≥20kN/m[1-2]，本文稱其為重載結構)施工過程中，一旦施工樓層滿足重載施工條件，一般處理方式為保留下部支撐體系直至基礎，待上部重載施工完成后拆除。

當前城市綜合體的共享空間以跨空結構為主，施工中常出現跨空且重載的結構設計。模板支撐體系落在結構樓板上，下部支撐需幾層結構作為支撐體系，傳遞上部結構的自重荷載和施工荷載；若在上述危險性較大工程中使用，將占用大量的施工空間和資源，增加施工成本。以實際工程為研究對象，采用有限元分析法，建立混合結構模型，將樓蓋與桿件自重等所有荷載之和換算成整個樓面的均布荷載，通過等效應力法研究結構及施工荷載在多層結構中依次傳遞和應力遞減的規律。

1 工程概況

高青銀座國際廣場銀座商城位于淄博市高青縣蘆湖路以西、高苑路以南，總建筑面積52 580m2，建筑總高度21.15m，地下1層，地上4層。影廳樓地上主體結構第1層層高5.85m，第2層層高5.1m，影廳層層高10.25m，其剖面如圖1所示。

圖1 影廳樓剖面

本工程為框架-剪力墻結構，由商城、高層住宅及7個主影廳組成。臺階式影廳與周圍標準住宅層進行融合設計，因此施工過程中出現多處公共建筑的跨空結構與住宅標準層的施工協調問題。為保證施工通道暢通及下部結構其他專業有足夠作業空間，需拆除底層結構的模板支撐系統。

圖2 模板支撐范圍結構

2 施工工藝

1)支撐體系底部處理 20.700m標高樓蓋支撐為10.450m標高現澆結構頂板，為保證現澆結構頂板的承載力，需保留10.450m底部結構支撐體系，并在其上鋪設厚50mm、寬300mm、長度≥2 000mm 的木墊板，在所有梁下立桿的木板上鋪設直徑為100mm、厚3mm的圓形底座，然后安裝立桿，防止局壓破壞[3-4]。

2)施工工藝流程 20.700m標高樓蓋下型鋼混凝土柱型鋼安裝→型鋼驗收→型鋼柱鋼筋綁扎→鋼筋驗收→10.450m標高下框架柱模板安裝→搭設立桿、水平桿及剪刀撐→校正框架柱模板→連接支撐體系水平桿件與框架柱模板→澆筑15.550m標高樓蓋下框架柱混凝土→15.550m標高下框架柱模板安裝→接長立桿、水平桿及剪刀撐→校正框架柱模板→連接支撐體系水平桿件與框架柱模板→澆筑20.700m標高樓蓋下框架柱混凝土至框架梁梁底→搭設梁板底部水平桿件→鋪設梁板底次楞和模板→綁扎梁板鋼筋→安裝梁側模板→梁板鋼筋與模板驗收→澆筑梁板混凝土→混凝土養護[5]。

3 模型構建及分析

3.1 有限元模型建立

用軟件SAP2000建模，采用桿單元定義梁、立桿、橫桿及斜撐，板單元模擬樓板?？蚣軉卧褂萌S梁-柱計算公式，包括雙軸彎曲、扭轉、軸向變形、雙軸剪切變形等效應[6-7]。

設置初始條件，水平面內東向為x，北向為y，垂直于水平面高度方向為z。

鑒于該模型中桿件較多，先在Auto CAD中建立初步模型，再將其導入SAP2000進行模型細化[8]，包括桿件截面定義，軸網的生成，橫桿、斜撐及樓板的建立與劃分，最終結構的三維模型如圖3，4所示。模型中，樓板劃分與立桿布置點一致，即整個樓板劃分成以立桿支撐點為頂點的四邊形，立桿與樓面鉸接。

圖3 整體模型

圖4 平面布置

3.2 施加荷載

模擬頂層井字樓蓋的施工過程，豎向荷載包括頂層井字樓蓋自重及施工荷載[9]。將20.700m標高跨空結構樓蓋自重(包括梁自重)換算成整個樓面的均布荷載，為便于分析，在支撐系統頂部設定一個虛擬承載平面(即虛面)。經計算樓蓋荷載為9.85kN/m2。

依據JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技術規范》[10]，施工活荷載為2.5kN/m2。考慮荷載分項系數，經計算最終在模型頂部虛面的均布荷載為15.32kN/m2。其余樓層荷載只考慮桿件自重。

鑒于該樓蓋施工前四周已形成一個封閉空間，故對該施工過程的模擬不考慮風荷載影響。

3.3 等效分析

通過軟件計算分析，對各樓層等效應力進行統計整理，得到各標高面的最大應力與最大豎向位移，如表1所示。

表1 各標高等效應力面應力與最大豎向位移 (跨度8.4m)

由表1可知，-0.500m標高處樓板應力最大，該處樓板上部最大等效應力為5.11MPa，下部最大等效應力為3.9MPa。最大豎向位移發生在⑥～⑦軸的樓板處，數值為3.1mm。

3.4 結果驗證

原樓面設計活荷載影院部分為3kN/m2，不考慮結構施工階段未施加荷載，根據L13J1《建筑工程做法》，樓213地毯樓面B(雙層)恒荷載標準值0.71kN/m2，即(1.4×2.98)kN/m2<(1.4×3+1.2×0.71)kN/m2。

選取-0.500m標高處樓板上受力變形最大區域支撐豎桿的底部軸力，并結合支撐點布置的數量換算成面上均布荷載反算到該樓板上，得到變形最大樓板上部的支撐豎桿最大軸力，為493N，換算成均布荷載為0.81kN/m2。刪除模型-0.500m標高處樓板以上所有構件，施加0.81kN/m2均布面荷載，得到-0.500m 標高處樓板等效應力，如圖5所示。

圖5 等效應力云圖(單位：MPa)

對比兩次分析結果，可得施工過程中20.700m標高樓蓋設計計算的15.32kN/m2源荷載，其中8.38kN/m2傳遞至四周框架柱上，即產生卸荷效應；下面3層樓蓋僅分擔了20.700m標高樓蓋施工過程中6.94N/m2的荷載。

運用同樣的計算方法和等效原理，對5.350，10.450m兩處標高樓蓋進行整合運算，統計模型中所有進行支模的立桿、橫桿及斜撐，得到其總重力分別為1 625.4，1 946.4kN，因樓蓋滿足多層傳荷承載力要求，最終換算成樓板均布荷載約為1.85，2.32kN/m2，通過支撐豎桿傳遞到-0.500m標高樓面的荷載可等效為0.81kN/m2均布荷載。整理各標高面的實際換算等效均布荷載，如表2所示。

表2 各標高面的實際換算等效均布荷載

對原結構縱、橫向柱距按原設計的2/3，1/3分別進行等比例縮小，得到其應力變化情況如表3，4所示。

表3 柱距按2/3(跨度5.6m)縮小各標高等效應力面應力與最大豎向位移

根據表1，3，4分析得出等效面應力及最大位移隨被支撐區域梁板跨度的變化情況，如圖6，7所示。

由圖6，7可知，結構層施工中，未完全達到設計強度的樓蓋體系具備一定的傳遞荷載能力，跨空支撐系統的荷載經梁板傳遞至框架柱后，施工荷載效應逐步衰減，對結構的活荷載作用降低，其等效面應力、最大位移與跨度呈正相關。

表4 柱距按1/3(跨度2.8m)縮小各標高等效應力面應力與最大豎向位移

圖6 等效面應力隨跨度變化曲線

圖7 等效面最大豎向位移隨跨度變化曲線

4 結語

1)5.350，10.450m標高處樓板在頂層樓蓋施工過程中承受部分荷載并傳遞至四周框架柱上，頂層井字樓蓋施工過程中通過支撐豎桿傳至底層樓面的荷載可等效為2.98kN/m2的均布活荷載。

2)影院部分樓板通過L13J1《建筑工程做法》提供的參數計算得實際荷載為(1.4×2.98)kN/m2，小于該樓板在結構設計時考慮的荷載(1.4×3+1.2×0.71)kN/m2，符合設計規范要求。

3)提前拆除重載跨空結構底層支撐后，建筑結構承載力符合標準，施工安全性仍能得到保障，且釋放了更多施工空間，可提高不同區域施工的協調性及施工效率，降低施工成本，具有一定的參考價值。