高層建筑施工臨時鋼結構支撐加固改造施工研究

摘要：研究高層建筑施工臨時鋼結構支撐加固改造施工技術，提出基于參數優化解析和材料本構關系控制的高層建筑施工臨時鋼結構支撐加固改造方法，分析鋼結構支撐連接形式和材料本構關系，建立鋼結構支撐的縱橫耦合非線性振動模型，分析橫向框架和縱向結構的差異度水平，求出高層建筑施工臨時鋼結構支撐柱傳給基礎的最不利內力.結合功能梯度圓板的幅頻參數分析，進行施工數據優化設計，通過不同物理量對結構共振幅值檢測，結合FGM梁熱后屈曲路徑和后屈曲振動檢測，實現對高層建筑施工臨時鋼結構支撐加固改造的施工優化設計.測試得知，應用該方法進行高層建筑施工臨時鋼結構支撐加固改造，有助于提高結構強度和健康指標.

關鍵詞：高層建筑施工；鋼結構；支撐加固；改造施工

中圖分類號：TU391 文獻標志碼：A

Study on Reinforcement and Renovation

of Temporary Steel Structure in High-Rise Building Construction

XIAO Ying-qi

（Department of Architecture and Chemical Engineering，

Anhui Vocational and Technical College of Industry and Trade， Huainan 232007， Anhui， China）

Abstract：This paper studies the construction technology of reinforcement and reconstruction of temporary steel structure support in high-rise building construction， proposes the reinforcement and reconstruction method of temporary steel structure support in high-rise building construction based on parameter optimization analysis and material constitutive relationship control， analyzes the connection form of steel structure support and material constitutive relationship， and establishes the longitudinal and transverse coupling nonlinear vibration model of steel structure support. By analyzing the difference between transverse frame and longitudinal structure， the most disadvantageous internal force transmitted by temporary steel structure supporting column to foundation in high-rise building construction is obtained. Combined with the amplitude-frequency parameter analysis of the functional gradient circular plate， the construction data optimization design is carried out， the common amplitude value of the structure is detected by different physical quantities， and the thermal post-buckling path and post-buckling vibration detection of the FGM beam are combined to realize the construction optimization design of the temporary steel structure reinforcement transformation in the construction of high-rise buildings. The test results show that this method is helpful to improve the structural strength and health index of temporary steel structure reinforcement in high-rise building construction.

Key words：high-rise building construction; steel structure; support and reinforcement; reconstruction construction

在高層建筑施工中，采用臨時鋼結構支撐進行施工作業，需要結合屈服響應的應力分析方法，建立高層建筑施工臨時鋼結構加固模型，通過對加固節點的應力特征分布，實現對高層建筑施工臨時鋼結構支撐加固和優化設計，提高結構穩定性和強度.研究高層建筑施工臨時鋼結構支撐加固技術，在提高鋼結構支持設計的健康水平方面具有重要意義^［1］.

通過節點的應力響應特征分析，采用節點固定和譜分析方法進行特征提取和力矩分析，實現對高層建筑施工臨時鋼結構支撐設計^［2-3］.文獻［4］中提出諧變力作用功能梯度旋轉圓板強非線性主共振法的加固技術，通過濾除周邊夾支邊界約束條件，選取多項式的振型函數，結合頻幅力學響應實現加固技術優化，但該方法受邊界約束條件影響較大.文獻［5］中提出室內CFT柱梁節點改造為大跨度跨層桁架節點的加固改造方法，結合鋼管混凝土柱負荷狀態下對節點的沖激響應特征，實現對兩類節點加固改造設計，但該方法的節點安全性和結構運行穩定性不好.針對上述問題，本文提出基于參數優化解析和材料本構關系控制的高層建筑施工臨時鋼結構支撐加固改造施工技術，考慮間隙對系統動力可靠性影響，建立縱橫耦合非線性振動模型，結合梁熱后屈曲路徑和后屈曲振動檢測，實現對高層建筑施工臨時鋼結構支撐加固改造的施工優化設計，最后進行實驗測試，證明本文方法的優越性和可行性.

1 鋼結構支撐連接形式和材料本構關系

1.1 高層建筑施工臨時鋼結構支撐連接形式

結合對高層建筑施工臨時鋼結構支撐的應力參數分析，建立雙鋼板組合墻節點連接模型，假設原主體結構已施工完成，通過雙肢鋼管混凝土柱的預應力學分析^［6］，得到高層建筑施工臨時鋼結構支撐的基坑環境分布如圖1所示.

采用三角形腹桿作為基坑支撐的基礎，平腹桿，斜腹桿與水平線的傾角為30°～50°，建立高層建筑施工臨時鋼結構支撐的錨固連接模塊，根據3種錨固形式，對高層建筑施工臨時鋼結構支撐的嵌入鋼板進行穿孔，在地基、樁基、斜坡、樁、基礎5項結構構中采用埋件式錨固的方法，通過各種不利因素對結構承重系統進行預應力特征分析，可以發現圍護系統對主要承重系統起保護作用.對此，通過高層建筑施工臨時鋼結構支撐的墻-鋼筋混凝土基礎參數^［7］，按照《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010），進行高層建筑施工臨時鋼結構的墻體和門窗、地面、防護設施4項防護支持設計，得到支撐連接結構如圖2所示.

1.2 高層建筑施工臨時鋼結構支撐材料本構關系

分析鋼結構支撐連接形式和材料本構關系，采用框架中節點的混凝土應力分析方法，計算高層建筑施工臨時鋼結構支撐的承載力和預應力.構建高層建筑施工臨時鋼結構支撐材料本構關系模型^［8］，用此方法增大鋼筋與鋼板間的不平衡力矩.構建高層建筑施工臨時鋼結構支撐的搭接模型，得到建筑鋼結構整體單元的搭接位置變化指標為：

式中：I_s為結構的承載力指標；μ_j為原結構的構件截面和連接件的受壓應力-應變關系分布；A_j為原有構件的幾何尺寸；W′為基礎傳遞所有荷載；F為雙軸抗壓屈服強度.

當F為0.1時，得到柱、梁和支撐等相互聯系雙軸抗壓屈服強度滿足的條件為：

式中：λ_n為橫向框架和縱向結構兩個相互獨立體系的抗拉強度；f_vk為單層鋼結構的預應力；ω為橫向框架的偏量值；A_c、A_w分別為混凝土的截面參數和分布面積；∑A_f為剛度恢復系數；n為鋼材初始彈性模量.

采用計算單元的簡化方法，分析橫向框架和縱向結構的差異度水平，求出高層建筑施工臨時鋼結構支撐柱傳給基礎的最不利內力，并將結果作為設計的基礎依據，由此構建高層建筑施工臨時鋼結構支撐材料本構結構模型，得到支撐節點優化模型如圖3所示.

2 鋼結構支持加固改造施工優化

2.1 施工數據優化處理

在上述模型的基礎上，根據鋼結構支撐的縱橫耦合振動慣性，分析橫向框架承受的荷載及其他作用，進行高層建筑施工臨時鋼結構支撐加固過程中的施工數據優化設計^［9］，計算施工數據前給出如下假設：

（1）高層建筑施工臨時鋼結構支撐屋架的反力由上段柱的重心線傳入；

（2）框架的內力組合與墻架結構和支撐結構的荷載均視為集中荷載，高層建筑施工臨時鋼結構支撐點與柱的連接處作用在柱上.框架柱的自重存在偏心時，可按多質點空間結構進行內力分析，并考慮偏心所產生彎矩的影響；

（3）在階形柱中，橫向抗震計算與靜力計算一樣，作用在上段柱中的荷載傳至下段柱時，采用多質點體系的運動方程分析柱截面變化處的偏心力矩；

（4）計算單元中按平面框排架進行內力分析，同時不考慮高層建筑施工臨時鋼結構支撐點橫梁和柱的軸向變形；

（5）可按橫梁為簡支的情況求得高層建筑施工臨時鋼結構支撐截面的應力.

結合上述假設，得到高層建筑施工臨時鋼結構支撐的多質點體系的運動方程為：

其中：μ表示高強螺栓連梁的端板加勁肋的強度；K_x，K_z表示下部的柱間支撐分量參數；p表示屋架與柱的連接剛度支撐分量.

在施工中，支撐加固的兩鋼管肢與新增設的橫梁采用高強螺栓連接，下部間支撐雙肢上端等邊角的控制函數為：

其中：E_res^r（n_i）表示柱間支撐有效傳遞縱向水平力，E_a^r表示每肢鋼管的下端與鋼管混凝土柱的瞬時能耗，N表示下翼緣連接的螺栓節點數，在節點n_i處，得到橫向框架承受的荷載損耗E_a^r=∑Ni=1E_res^r（n_i）N.結合FGM梁熱后屈曲路徑和后屈曲振動檢測，得到t時刻的支撐結構的應力輸出為：

其中：E_Rx（l）為縱向與肩梁上翼緣連接相對距離；L_i為板與肩梁上翼緣連接部分的預應力參數；S_i^r為混凝土柱肩梁上翼緣損耗.

2.2 高層建筑施工臨時鋼結構支持加固參數

優化

通過不同物理量對結構共振幅值檢測，結合FGM梁熱后屈曲路徑和后屈曲振動檢測結果^［10］，對各種破壞情況進行匯總，得到能量平衡特征量用{v₁，v₂，…，v_v}表示，高層建筑施工臨時鋼結構支撐加固的信息為：

其中：E為梁間采用端板加勁肋高強螺栓連接的能量開銷；K（a_s）為雙層下部柱間支撐力；a_s為上段柱中的荷載傳至下段柱的流量.按平面框排架進行內力分析^［11］，分析構件翹曲、變形、負溫作用引起的脆性破壞，求得負荷開銷為：

其中：E為鋼結構應力作用產生的損傷動態開銷；η為氣中構件截面意外變形的熱比系數；ω為整體結構或結構構件的喘振分布系數；b為結構構件的相對位移.

3 實驗及結果分析

實驗建模采用Beam188單元，鋼結構支撐節點數為24，支撐加固的陣列設計為6跨，跨長L為1 m，采用工字鋼、鋼管和內加強設計方法建立高層建筑施工臨時鋼結構支撐極限強度檢測模型，屈服預應力度為26.3 MPa、366.0 MPa，給出高層建筑施工臨時鋼結構支撐性能評個指標體系如表1所列.

根據上述參數設定，進行高層建筑施工臨時鋼結構支撐加固改造效果測試，測試現場如圖4所示.

采用動態加載方法進行高層建筑施工臨時鋼結構支撐固定的受力分析，得到各個節點的支撐力測試結果如表2所列.

根據受力參數測試得知，采用本文方法進行高層建筑施工臨時鋼結構支撐加固改造，提高了結構強度，建筑鋼結構的健康指標及測試單點擾度結果如圖5所示.

分析圖5得知，本文方法進行鋼結構支撐加固施工改造，擾度響應頻譜分布明顯，說明結構強度較好.

與傳統方法對比，通過高層建筑施工臨時鋼結構支撐固定設計，降低了層間位移，預應力度分別為0.54、0.87，滿足設計要求.

4 結語

結合數字模擬和應力特征響應分析，實現對高層建筑施工臨時鋼結構支撐加固和優化設計，提高結構穩定性和強度.本文提出基于參數優化解析和材料本構關系控制的高層建筑施工臨時鋼結構支撐加固改造施工技術，根據鋼結構支撐的縱橫耦合振動慣性，分析橫向框架承受的荷載及其他作用，結合參數優化解析結果，實現施工改造優化.

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［責任編輯：李 嵐］