大跨度鋼架連廊臨時胎架的設(shè)計分析

胡倩茜，沙峰峰

（江蘇省建筑工程集團第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

近些年來，隨著經(jīng)濟高速發(fā)展，建筑形狀和構(gòu)造多樣化發(fā)展，大量空中連廊在各類型建筑中相繼出現(xiàn)，為了保證高空大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程結(jié)構(gòu)更加可靠安全，需采取相應(yīng)的加固保護措施。SAP2000 有限元軟件可以很方便且直觀地建立復(fù)雜模型，在解決好平面布置、柱底連接和荷載輸入等問題后，可以正確地進行結(jié)構(gòu)計算和設(shè)計［1，2］。文獻［3］～［6］通過 SAP2000 對鋼結(jié)構(gòu)建立有限元模型，進行模態(tài)分析和動力時程分析，分析研究了其動力特性。對于復(fù)雜的大跨度鋼結(jié)構(gòu)而言，由于在施工過程中，結(jié)構(gòu)的變形和受力狀態(tài)與成型后有很大的差異，所以需要利用各式各樣的支撐胎架來保證結(jié)構(gòu)的精度。同時不同的結(jié)構(gòu)形式所用的胎架也是不相同的，因此選擇最合理的胎架結(jié)構(gòu)進行施工是很有必要的［7，8］。

本文以蘇州陽澄湖景區(qū)配套酒店項目的結(jié)構(gòu)實際工程為例，對大跨度鋼架連廊臨時胎架的設(shè)計進行分析討論，為大跨度鋼架連廊臨時胎架的施工應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

蘇州陽澄湖景區(qū)配套酒店項目位于蘇州市相城區(qū)相融路西側(cè)，背靠環(huán)秀湖，地理位置優(yōu)越。其中，大跨度鋼架連廊：寬度為 22 m，跨度 81 m；其底部標高+79.7 m，頂部標高 +94.75 m；桁架結(jié)構(gòu)由 4 榀主桁架及次連系結(jié)構(gòu)組成，自身高度 16.05 m。提升質(zhì)量2 600 t。如圖 1～圖 2 所示。

圖1 蘇州陽澄湖景區(qū)配套酒店項目效果圖

圖2 大跨度鋼架連廊三維圖

2 臨時胎架的設(shè)計要求及難點

1）需要根據(jù)本項目現(xiàn)場的實際作業(yè)環(huán)境，選擇合適的臨時胎架類型。

2）地下室面積大，覆蓋了整個施工區(qū)域，材料進出必須經(jīng)過地下室頂板的道路需采取加固保護措施。

3）鋼結(jié)構(gòu)的主體安裝區(qū)域的中心到結(jié)構(gòu)的邊緣距離遠，高度較高，限制了安裝的吊裝工藝，需要現(xiàn)場原位、錯位地面拼裝，故需設(shè)計合理的臨時胎架進行支撐。

4）臨時胎架需要滿足正常使用狀態(tài)下的變形和極限強度狀態(tài)下的應(yīng)力比要求。

3 大跨度鋼架連廊臨時胎架的設(shè)計

3.1 大跨度鋼架連廊吊裝區(qū)域臨時胎架的設(shè)計

大跨度鋼架連廊桁架由于單根構(gòu)件截面大，板材厚，體積大，工廠分段組裝無法運輸，選擇工廠單根構(gòu)件加工后，在現(xiàn)場進行逐層逐根組裝。由于構(gòu)件的單根最大重量約 10 t，和現(xiàn)場施工條件場地限制，選擇制作胎架承重，利用 200 t 履帶吊配合組裝。具體地面加固區(qū)域及現(xiàn)場布置如圖 3～圖 5 所示。加固材料主梁使用 HN-800×300×14×26，次梁使用 H650×300×11×17，上鋪 4 500 mm×1 000 mm×220 mm 路基板，供履帶吊來回行走。

圖3 200 t 履帶吊車行走區(qū)域加固平面布置圖（單位：mm）

圖4 200 t 履帶吊車行走區(qū)域加固立面布置圖（單位：mm）

圖5 200 t 履帶吊車行走區(qū)域臨時胎架現(xiàn)場布置圖

吊裝區(qū)域采用 H 型鋼梁架空做法，梁上口滿鋪路基板。H 型鋼主梁擱置在地庫混凝土柱頭位置，細分次梁滿鋪路基板。

履帶吊滿載吊裝荷載為 210 t，路基板荷載 250 kg/m2，輪壓接地面積為 7.75×1.1×2=17.05 m2，平均輪壓為 123 kN/m2，保守考慮吊裝輪壓靠近吊裝區(qū)域采用200 kN/m2，另一側(cè)輪壓為 122 kN/m2。

3.2 大跨度鋼架連廊拼裝區(qū)域臨時胎架的設(shè)計

大跨度鋼架連廊在地下室頂板拼裝，由于構(gòu)件總重量約 2 600 t，為了防止對地下室頂板結(jié)構(gòu)有影響，故拼裝區(qū)域采取加固措施。在本區(qū)域所有地下有柱的位置頂端預(yù)埋埋件，橫向 4 道鋼梁采用工字鋼 500×158×12×20 雙拼在預(yù)埋件上安裝焊接布置，有勁性柱超出地面的與勁性柱（報告廳勁性柱）直接焊接固定，有負下區(qū)域的采取直徑 245 mm 的鋼管做立柱進行頂撐，兩端靠近 A/B 主樓結(jié)構(gòu)是空洞，在 17 軸和 26 軸的 8 根主立柱側(cè)面預(yù)埋鋼牛腿，上方各橫擔(dān)800×300×14×26 H 型鋼，與工字鋼 500×158×12×20的雙拼梁連接，有效將空中連廊的重量通過加固梁傳至地下立柱。具體地面拼裝區(qū)域及現(xiàn)場布置如圖 6～圖 8 所示。

圖6 大跨度鋼架連廊拼裝地面加固平面布置圖（單位：mm）

圖7 大跨度鋼架連廊拼裝地面加固立面布置圖（單位：mm）

圖8 大跨度鋼架連廊拼裝地面臨時胎架現(xiàn)場布置圖

拼裝區(qū)域采用 H 型鋼梁及雙拼工字鋼梁架空做法，局部降板位置采用鋼立柱。鋼立柱及鋼梁受力點均作用在地庫混凝土柱頭位置。

4 大跨度鋼架連廊臨時胎架的有限元分析

4.1 有限元模型建立

4.1.1 材料選擇

臨時胎架鋼結(jié)構(gòu)選用結(jié)構(gòu)分析軟件 SAP2000 進行有限元分析與計算，材料采用 Q355B，其屈服強度取為 355 MPa。其余相關(guān)參數(shù)選用如表 1 所示。

表1 材料參數(shù)取值

4.1.2 模型建立

在 SAP2000 中建立有限元模型時，結(jié)構(gòu)鋼柱采用Beam 單元，鋼棒采用 Truss 單元，由于結(jié)構(gòu)的造型復(fù)雜且側(cè)向剛度較小，故鋼管柱腳與混凝土基礎(chǔ)采用剛性連接。具體模型如圖 9、10 所示。

圖9 吊裝區(qū)域臨時胎架的三維圖

4.2 荷載施加及控制工況

結(jié)合相關(guān)臨時胎架和實際施工情況，大跨度鋼架連廊臨時胎架主體的靜力強度分析計算應(yīng)考慮恒荷載、活荷載，控制工況主要考慮結(jié)構(gòu)位移及材料應(yīng)力的控制。

1）恒荷載。恒荷載主要是指鋼結(jié)構(gòu)本身的重量，包括鋼結(jié)構(gòu)自重及恒載。

圖10 拼裝區(qū)域臨時胎架的三維圖

2）活荷載。包括施工時的均勻分布荷載與端部最不利荷載。

3）結(jié)構(gòu)位移限值。立柱取值f＜l/400 mm；主梁取值f＜l/400 mm。

4）材料應(yīng)力控制。鋼材的最不利應(yīng)力比≤1。

4.3 有限元結(jié)果分析

通過 SAP2000 軟件有限元分析，可計算出大跨度鋼架連廊臨時胎架所有桿件的位移變形與應(yīng)力比值，如表 2 所示。

表2 桿件結(jié)構(gòu)最大變形與最不利應(yīng)力比

1）計算結(jié)果中，吊裝區(qū)域臨時胎架的最大位移為13.5 mm，拼裝區(qū)域臨時胎架的最大位移為 20 mm。最大位移遠低于位移設(shè)計限值，大跨度鋼架連廊臨時胎架能夠滿足正常施工作業(yè)。

2）進行鋼結(jié)構(gòu)框架設(shè)計校核和有限元分析時，其中，大跨度鋼架連廊吊裝區(qū)域與拼裝區(qū)域臨時胎架的最大應(yīng)力比值分別為 0.856 與 0.648，均低于設(shè)計規(guī)范所要求的最大應(yīng)力比。由此可知，大跨度鋼架連廊臨時胎架結(jié)構(gòu)的安全性是符合要求的，桿件也不會發(fā)生破壞，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定牢固。

5 結(jié)論

1）大跨度鋼架連廊吊裝區(qū)域臨時胎架與拼裝區(qū)域臨時胎架的最大節(jié)點位移分別是 13.5 mm、20 mm，兩者都在合理范圍之內(nèi)，表明設(shè)計的大跨度鋼架連廊臨時胎架具有較好的穩(wěn)定性。

2）本文結(jié)合工程實例說明了臨時胎架在鋼結(jié)構(gòu)工程中的廣泛應(yīng)用，并且通過有限元軟件 SAP2000 建立了合適的鋼結(jié)構(gòu)三維模型，研究分析了在荷載工況下其整體力學(xué)性能，模擬得到的最大應(yīng)力比滿足 GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［9］要求。

3）本文主要討論了大跨度鋼架連廊臨時胎架的設(shè)計分析，且以蘇州陽澄湖景區(qū)配套酒店項目的結(jié)構(gòu)實際工程為例，介紹了胎架的設(shè)計方案并對結(jié)構(gòu)的受力進行了分析，提出由鋼管型鋼胎架和標準節(jié)胎架組成的組合式胎架因其受力精確、可重復(fù)利用等顯著優(yōu)點將會在大跨度鋼架連廊中得到廣泛應(yīng)用，使鋼結(jié)構(gòu)的施工更加經(jīng)濟合理。Q