基于支承懸挑桁架結構的免高支模貝雷架平臺應用

王 磊

中億豐建設集團股份有限公司 江蘇 蘇州 215131

1 工程概況

蘇州博物館西館地上部分是由10個邊長25 m的筒體構成的建筑群，筒體內部不設豎向結構，筒體角部設置厚800 mm剪力墻作為豎向結構，滿足展館所需的大空間。該工程4#筒體，地上3層，為滿足建筑效果，在結構東北角，南北方向20.35 m、東西方向10.45 m范圍內，2、3層結構懸空，如圖1所示。該部位采用支承懸挑桁架結構，鋼骨結構如圖2所示。

圖1 4#筒體整體結構模型

圖2 4#筒體鋼骨布置模型

4#筒體屋面結構梁主要截面尺寸為600 mm×1 250 mm、750 mm×1 200 mm，屋面結構施工時，需從1層樓面搭設滿堂模板支撐架至屋面結構，搭設高度約25 m，同時對應區域的地下1層模板支撐架保留。采用該方式搭設模板支撐架，既增加了鋼管的投入量，又影響了二次結構的施工。結合工程情況以及類似施工經驗，擬在3層樓面設置免高支模貝雷架平臺，從而降低模板支撐架搭設難度，同時為二次結構創造工作面。

2 免高支模貝雷架平臺設計

2.1 轉換平臺方案比選

本項目貝雷架平臺跨度大，所承受荷載大，貝雷架擱置端的選擇決定了平臺的安全、成本，因而需對擱置端的選型進行綜合比選，為此，考慮了以下3種方案：

方案1：采用圓管柱作為平臺支撐立柱，立柱傳力至底板。根據貝雷架的平面布置，采用鋼立柱＋擱置主梁作為墻板一側的支座，由于圓立柱需設置在貝雷架與弦桿節點位置，因此鋼立柱無法落在頂板框架梁上，直接落在樓面上，鋼立柱位置需逐層加固，傳力至底板。

方案2：采用圓管柱作為平臺支撐立柱，傳力至地下室頂板，頂板設置反梁。與方案1不同之處在于，鋼立柱無須傳力至底板，避免地下室區域的加固。該方案需在頂板設置貫通的鋼筋混凝土反梁，作為鋼管柱的基礎，待轉換平臺拆除后破除基礎反梁。

方案3：設置牛腿作為貝雷架平臺擱置端。與樓面同標高位置，在樓面澆筑前，在剪力墻上預埋埋件，剪力墻模板拆除、達到設計強度后在埋件位置焊接鋼牛腿，貝雷架轉換平臺一端擱置在鋼牛腿上，待轉換平臺拆除后切除鋼牛腿。

上述3個方案，其中方案1涉及較多地下室鋼管加固回頂，且地下室鋼管立柱安裝困難；方案2需做現澆反梁，反梁體積大，澆筑、破拆成本較大；方案3最為經濟、高效，但由于支承懸挑結構傳力形式復雜，需進行結構復核。通過以上3個方案的比較，決定采用方案3，即采用臨時牛腿作為貝雷架的擱置端。

2.2 轉換平臺的設計方案

2.2.1 屋面結構概況

4#筒體屋面為坡屋面，自⑩軸向⑨軸坡度為19.38%，屋面X向梁截面尺寸為600 mm×1 250 mm，Y向梁截面尺寸主要為600 mm×1 250 mm、750 mm×1 200 mm，其中⑩軸線上北側4根、F 軸線上右側2根勁性柱為懸挑桁架柱，標高為2層至屋面結構，勁性柱截面尺寸為800 mm×1 200 mm，屋面結構對應勁性柱位置各有1條框架梁。另外，3層樓面洞口凈尺寸為19.0 m（X向）×23.7 m（Y向）。

2.2.2 貝雷架轉換平臺的設置

轉換平臺跨度越大，貝雷架所受荷載也隨之增加，應力、撓度也相應增加，因而貝雷架轉換平臺沿X向架設，轉換平臺X向跨度由7片貝雷標準片組成（3.0 m×7＝21.0 m＞跨度19.0 m）。平臺左側擱置在3層結構樓面上，平臺右側擱置點分為2種情況：

1）由于⑩軸線上北側20.35 m范圍內為單梁（局部有柱），該區域的轉換平臺擱置在⑩軸框架梁上。

2）⑩軸線上南側為厚800 mm剪力墻結構，該區域轉換平臺擱置焊接在剪力墻上的鋼牛腿上，并通過雙拼工字鋼來調整貝雷架平臺兩端的標高。

由于框架梁的位置荷載較大，單榀貝雷架單元應盡量布置在X向框架梁投影位置。但由于⑩軸框架梁上有3根梁上柱（除角柱外），該工況下設置2榀貝雷架，分別布置在柱的兩側，布置時貝雷架應盡可能靠近，同時預留柱的施工作業空間。

待各榀貝雷架擱置完成后，在貝雷架上弦上沿Y向擱置通長的16#工字鋼作為模板支撐架立桿的站腳，工字鋼間距同立桿間距。根據上述布置原則，貝雷架平臺的布置如圖3所示，與屋面結構的相對關系如圖4所示[1-2]。

圖3 貝雷架轉換平臺平面布置示意

圖4 貝雷架平臺與屋面結構相對關系

2.2.3 貝雷架平臺的設計計算

1）單榀貝雷架的驗算。貝雷架單元所承受的荷載包括：梁板混凝土結構自重、模板體系面板及小梁自重、模板支撐架體自重、16#工字鋼自重、施工荷載。根據貝雷架平臺的布置，自北向南第2榀貝雷架所承擔荷載最大，將上述荷載折算到該榀貝雷架上，每片貝雷梁所承受的線荷載為21.73 kN/m。根據貝雷架材料、尺寸參數，采用Midas Gen建立單榀貝雷架有限元模型，其中相鄰貝雷片連接按銷接考慮，支撐架與貝雷片按彈性連接設置，貝雷架擱置點位置約束Z向位移[3]。將線荷載作用在該榀貝雷架上。根據有限元軟件計算分析，21 m跨度的貝雷架在平臺自重及所受荷載作用下，跨中撓度為36.98 mm＜L/250＝19 000/400＝47.5 mm，貝雷架內各構件最大應力為284.20 MPa＜310 MPa，桿件應力云圖見圖5，同時根據軟件計算，擱置端單個擱置點的最大反力為236.6 kN。

圖5 單榀貝雷架應力云圖

根據Midas Gen計算，貝雷架各桿件應力比最大為0.88。根據模型比較分析，應力較大的桿件集中在貝雷架擱置點附近的斜腹桿上，造成該部分桿件應力比偏大的主要原因是擱置點約束了Z向位移，從而造成應力偏大，其他桿件應力比均不超過0.7。

2）鋼牛腿驗算。根據有限元軟件分析，貝雷架單元的單個擱置點的反力為236.6 kN，即作用在單個鋼牛腿的集中力為23.66 t，需對鋼牛腿的強度、連接焊縫以及埋件進行設計計算。所選用的鋼牛腿采用“π”形截面，其中上翼緣厚20 mm，加勁板高度450 mm，材料等級Q235-B，牛腿翼緣和埋件的連接采用對接焊縫（坡口焊）連接，腹板和埋件的連接采用角焊縫連接，焊縫等級均為一級，見圖6。埋件埋板尺寸25 mm×440 mm×720 mm，材料等級Q235-B，錨筋采用5排3列HRB400直徑22 mm鋼筋。根據牛腿所受荷載，牛腿腹板組合應力、腹板焊縫在控制點處的強度、埋件錨筋面積均滿足要求。

圖6 鋼牛腿示意

根據上述貝雷架平臺布置、貝雷架單元及牛腿復核，該轉換平臺滿足要求，方案可行。

3 支承懸挑結構的復核

根據貝雷架轉換平臺的布置，最南側2榀貝雷架單元采用鋼牛腿支座形式，擱置在厚800 mm剪力墻上，其他貝雷架單元均擱置在⑩軸3層結構800 mm×1 500 mm框架梁上，且該梁屬于支撐懸挑桁架的一部分。

當貝雷架擱置在3層結構梁時，整個4#筒體屬于懸臂桁架結構形式，需對該工況下4#筒體的整體結構進行受力分析，避免因貝雷平臺荷載作用在懸臂桁架架構上，從而造成結構破壞。

當結構施工至3層樓面，無貝雷單元荷載作用時，懸臂桁架結構因自重作用，端部下撓9.84 mm，結構內鋼骨最大應力為40.96 MPa。

將貝雷架平臺所受支座反力作用在懸臂桁架上，在該工況下對結構進行復核。

根據計算分析，貝雷架平臺荷載作用下，結構端部下撓15.9 mm，如圖7所示，小于設計所要求的端部起拱50 mm的要求。結構內鋼骨最大應力為61.96 MPa，如圖8所示，鋼骨應力滿足材料性能要求。

圖7 4#筒體在荷載作用下的結構變形

圖8 4#筒體在荷載作用下的鋼骨應力云圖

對⑩軸3層勁性梁裂縫進行驗算，該勁性梁型鋼為H1 100 mm×250 mm×25 mm×45 mm，在貝雷架平臺荷載作用下，該勁性梁正截面受彎承載力、斜截面受剪承載力滿足要求，最大裂縫寬度0.053 mm，滿足要求。

通過上述對3層結構完成，貝雷架轉換平臺荷載作用工況下的支撐懸挑桁架結構復核，表明在屋面混凝土澆筑過程中，裂縫、變形等均未超過設計要求，結構安全可靠。

綜上，該基于支撐懸挑桁架結構的免高支模平臺在設計、施工上可行。

4 平臺的加載過程模擬與實測分析

貝雷架平臺作為市政工程常用構件，嫁接房建工程中較為少見，缺少相關施工經驗。市政工程貝雷架平臺所受荷載通過均布的擱置梁進行傳遞，荷載相對均勻，與房建工程中荷載作用值相對離散有所不同。因此在實施過程中，采用Midas Gen有限元軟件模擬轉換平臺加載過程，反映平臺變形、應力變化的理論值，與實際所測得的數值進行比較，積累相關施工經驗[4-11]。

結合4#筒貝雷架平臺的平面布置，現場實施時，在最南側一榀貝雷架設置了2個位移監測點、3個應力監測點。

位移監測點分別位于貝雷架單元跨中1/4處、跨中1/2處，位移監測點均布置在下弦位置。應力監測點布置在牛腿擱置點處斜腹桿、貝雷架單元跨中上弦及下弦位置。

同時，平臺的加載分為以下工況：平臺搭設完成，工字鋼擱置完成；模板支撐排架搭設完成，現澆面鋪設完成；屋面梁板鋼筋綁扎完成；屋面梁板混凝土澆筑完成。根據上述加載工況，得到模擬分析結果與實測結果如圖9所示。

圖9 加載過程貝雷架變形值對比

根據模擬值與實測值的對比分析，發現在模板排架搭設完成時（工況2），與Midas模擬值相比，貝雷架單元整體下沉約30 mm，通過觀察分析，造成平臺整體下沉的原因為樓面、邊梁平整度存在問題，導致部分貝雷架下弦未完全與擱置樓面接觸，存在脫空現象，在模板支撐架自重作用下，架體與擱置面的縫隙被壓實，從而使架體整體下沉。同時，現場安排作業人員，將貝雷架平臺與擱置面之間的間隙采用鋼板填塞密實。另外，施工各階段，實測的桿件應力值普遍比模擬值小12%～15%。

通過模擬值與實測值的對比，從屋面鋼筋綁扎至混凝土澆筑完成，平臺的變形均未超過模擬值，表明平臺安全可靠。

5 結語

通過對已有施工方法的分析，提出鋼牛腿＋貝雷架轉換平臺的形式，降低搭設高度，成功完成支承懸挑桁架的屋面結構的施工，并得出如下結論。

1）目前，貝雷架相關規范、標準主要為交通行業制定的JT/T 728—2008《裝配式公路鋼橋制造》、《裝配式公路鋼橋使用手冊》等相關標準，上述規范中選擇的貝雷架跨度、組合形式主要通過桁架所受彎矩、剪力所確定。由于該部分規范主要針對鋼橋所編制，其荷載考慮到車輛啟動、剎車時的荷載動力系數，因而缺少對民用建筑荷載布置的針對性。

2）本工程借助目前較為先進的有限元分析軟件，將貝雷架所受具體荷載折算成線荷載進行分析，計算分析更為精確，從而將市政常用的貝雷架高效、經濟地嫁接到房建工程中來。