滑軌與結構梁偏斜情況下滑移支撐結構研究與應用*

張 新,張 宇,余金兵

(1.山東建筑大學土木工程學院,山東 濟南 250101; 2.中冶(上海)鋼結構科技有限公司,上海 200941)

0 引言

綜上所述,高空滑移法施工中常見的是滑移軌道與框架梁在同一條直線上,對于軌道與框架梁偏斜情況主要采取設置臨時支撐胎架的方法,采取牛腿支承的方法研究較少。本文以濟南融創茂海洋樂園鋼結構屋蓋高空滑移施工為研究背景,滑軌與框架梁局部偏斜情況下,對牛腿支承和胎架支承2種方式進行了分析對比,采用ANSYS有限元軟件數值模擬了型鋼牛腿在施工中的力學性能變化并進行了實踐應用,應用結果可為類似工程提供一定的借鑒和參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

濟南融創茂海洋樂園位于濟南市歷城區,南臨經十路,東臨鳳鳴路,是濟南市歷城區重要的娛樂、休閑場所。海洋樂園鋼屋蓋為平面圓管桁架和倒三角管桁架拼裝而成的空間桁架結構,重約2 600t,平面為不規則五邊形。建筑內部需進行其他平行施工的土建作業,結合鋼屋蓋的平面形狀,如圖1所示,將鋼屋蓋安裝分成2個同步施工的作業區:累積滑移區和分段吊裝區。累積滑移區鋼屋蓋主桁架(南北向)最大跨度75.3m,次桁架(東西向)最大跨度42m,桁架上、下弦桿中心線距離為3.7～7.2m,主、次桁架通過剛性系桿連接成整體。

圖1 海洋樂園屋面鋼結構示意

海洋樂園建筑結構為地上3層、地下1層,主體為混凝土框架結構體系,混凝土梁、柱在建筑四周形成閉合的外排架,建筑內部設置3根鋼柱。⑩軸線混凝土框架梁的中軸線不在同一直線上,如圖2所示位置處框架梁開始偏斜,柱中軸線偏斜距離為1 700mm。滑移軌道處結構梁截面尺寸為400mm×1 500mm, 框架柱截面尺寸為1 400mm×1 600mm。

圖2 ⑩軸線結構梁偏斜平面示意

1.2 滑移軌道設置

滑移軌道在整個滑移過程中主要起到承受上部荷載、引導滑移頂推方向、約束橫向位移的作用,因此滑移軌道的合理設置是滑移工作順利進行的重要因素。建筑既有混凝土框架結構宜選擇為滑移軌道支撐結構,因此在東、西側⑩軸、①軸兩軸線混凝土結構上各設置1條滑移軌道。海洋樂園鋼屋蓋東西方向框架柱間距為151.7m,如果僅在①軸、⑩軸兩側設置滑移軌道,由于鋼桁架跨度太大,會導致兩側頂推力較大,且跨中鋼桁架撓度變形過大。在靠近跨中⑥軸線處搭設臨時支撐胎架設置1條中間滑移軌道,由此減少兩側的頂推力和跨中撓度變形,滑移軌道平面布置如圖3所示。①軸線滑移軌道與⑥軸線滑移軌道間距為80.4m,⑩軸線滑移軌道與⑥軸線滑移軌道間距為70.7m。東側⑩軸線在,軸線間發生偏斜,偏斜水平距離1.7m。

圖3 滑移區滑移軌道平面布置

2 偏斜位置軌道支座方案比選

2.1 設計思路

滑移軌道與混凝土結構梁偏斜情況下,目前多采用在偏斜位置滑移軌道梁下設置臨時支撐胎架作為滑移軌道支座。結合現場實際情況提出第2種做法,利用既有框架柱設置側向牛腿作為滑軌的支撐結構,牛腿可采用型鋼牛腿和混凝土牛腿2種支座形式。

2.2 滑移軌道支座方案比選

2.2.1側向型鋼牛腿支座

采用柱側型鋼牛腿作為滑移軌道的支撐結構。滑移軌道支承在型鋼牛腿上,從而使其位于同一直線。牛腿由型鋼焊接而成,通過預埋件與混凝土框架柱連接固定,荷載由鋼牛腿傳遞至混凝土框架柱,如圖4所示。

圖4 側向型鋼牛腿支座示意

2.2.2側向混凝土牛腿支座

采用柱側混凝土牛腿作為滑移軌道的支撐結構。框架柱設計成牛腿柱,滑移軌道支撐在混凝土牛腿上(見圖5)。混凝土牛腿在結構設計時即作為結構的一部分進行考慮,施工時牛腿與框架柱一起施工。鋼結構施工完成后,牛腿作為結構的永久部分需考慮建筑的美觀和使用功能不受影響。

圖5 側向混凝土牛腿支座示意

2.2.3型鋼臨時支撐胎架

舍棄既有混凝土框架結構作為滑移軌道的支撐結構,另選位置搭設支撐胎架,利用支撐胎架承受滑移荷載,支撐胎架如圖6所示。

圖6 型鋼臨時支撐胎架示意

型鋼牛腿和臨時支撐胎架屬于臨時支撐結構,施工完成后可拆除,安拆方便,混凝土牛腿屬于結構一部分,需在設計階段進行考慮,施工完成后拆除困難;型鋼牛腿的安拆無需大量勞動力資源,而支撐胎架安拆和混凝土牛腿安裝需大量勞動力;型鋼牛腿和混凝土牛腿依靠與混凝土框架柱連接點的抗剪、抗彎能力承受施工荷載,對節點的質量要求高,支撐胎架依靠自身抗壓能力承受施工荷載,對拼裝桿件的質量要求高;型鋼牛腿和混凝土牛腿占用施工場地較小,而支撐胎架需占據較大施工場地,影響其他施工作業。綜合3種滑移軌道支撐結構特點,結合類似工程經驗,得出其優缺點對比,如表1所示。

融創茂海洋樂園下部有地下室結構,搭設臨時支撐胎架需對地下室結構頂板進行加固,且施工工期較長。采用混凝土牛腿,由于偏斜距離為1.7m,混凝土牛腿尺寸過大,且后期影響建筑使用功能。綜合考慮選用型鋼牛腿支座作為滑移軌道的支撐結構。

3 型鋼牛腿支座設計及計算

3.1 型鋼牛腿支座設計

型鋼牛腿設計包括牛腿設計和預埋件節點設計。型鋼牛腿由牛腿和預埋件2部分構成,牛腿采用雙肢型鋼牛腿,具體設計如下。

1)雙肢型鋼牛腿設計 牛腿長1 700mm、寬 1 400mm、 高2 100mm。每個單肢牛腿內豎向設置型鋼剪刀撐,增強牛腿的豎向剛度。2個單肢牛腿上、下翼緣平面內設置3道水平型鋼連梁,增強牛腿水平方向剛度。每個單肢牛腿底部設置斜撐,斜撐水平夾角為45°。雙肢牛腿所有型鋼連接均為焊接,所用材料均為Q355B材質HW300×300型鋼,如圖7所示。

圖7 型鋼牛腿設計

2)預埋件節點設計 預埋件節點包括預埋鋼筋和鋼板2部分。預埋件采用直徑為20mm的HRB400鋼筋,牛腿上弦型鋼預埋件錨固深度為480mm,下弦型鋼與底部斜撐預埋件錨固深度為350mm。為了保證上弦型鋼預埋件處有足夠的抗拉強度,該處設置4排×4列預埋鋼筋;下弦型鋼預埋件主要承受壓力,設置4排×3列預埋鋼筋;底部斜撐作為構造穩固措施,設置3排×3列預埋鋼筋。預埋件一端與框架柱內部鋼筋焊接,另一端與預埋鋼板焊接,焊腳高度為8mm。牛腿預埋板采用25mm厚Q355B材質鋼板。牛腿上、下弦型鋼處預埋鋼板尺寸為400mm×700mm,底部斜撐處預埋鋼板尺寸為400mm×600mm。

3)滑移軌道設計 采用H800×500×20×25型鋼作為滑移鋼梁。為了增加滑移鋼梁的平面外剛度,采用HW200×200型鋼作為滑移鋼梁平面外斜撐,斜撐上端與鋼梁腹板焊接,下端與牛腿上弦型鋼焊接。滑移軌道采用QU100軌道鋼,軌道通過軌道壓板規定在滑移鋼梁上,壓板間距為800mm。

3.2 有限元分析

3.2.1建模基本假定

1)采用ANSYS有限元分析軟件進行數值模擬,型鋼牛腿與框架柱間的節點連接為剛接(ALL DOF),牛腿中型鋼采用焊接連接,接觸面節點進行耦合處理(CPINTF)。

2)假定滑移鋼梁的剛性滿足要求。

3)統計上部鋼屋蓋所有荷載并組合,最大值以均布荷載形式作用在型鋼牛腿上。如圖8所示,牛腿受鋼屋蓋荷載可分為2種不利工況:①工況1 鋼屋蓋滑移至牛腿邊緣時,即荷載作用在單肢牛腿上;②工況2 鋼屋蓋滑移至牛腿中間,即荷載作用在連系型鋼上。

圖8 型鋼牛腿工況示意

3.2.2荷載取值

根據GB 50017—2017《鋼結構設計標準》、GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》等相關規范取值,荷載統計如表2所示。

表2 荷載標準值

3.2.3荷載組合

非滑移狀態按下式進行組合:

(1)

式中:γG為永久作用分項系數,取值1.3;γQ為可變作用分項系數,取值1.5;γ0為滑移結構的重要性系數,取值1.1。其中,雪荷載和工作人員檢修、操作荷載不同時組合,則滑移支撐結構承受面荷載組合值S=3 156.27kN/m2。

滑移狀態按下式進行組合:

(2)

式中:μ為支座反力摩擦系數,按最大靜摩擦取值為0.2,則滑移支撐結構承受面荷載組合值S=3 439.42kN/m2。

3.2.4有限元分析

采用有限元分析軟件ANSYS建立⑩軸線滑移軌道型鋼牛腿支撐結構模型,其中型鋼采用solid Brick 10node 187實體單元,劃分單元大小為0.05m。取滑移狀態和非滑移狀態下較大的荷載組合值作用在型鋼牛腿上,并疊加型鋼牛腿自重進行靜態非線性分析,分別得出2種工況下的應力、應變響應,如圖9所示。采用型鋼牛腿支座需對既有混凝土結構進行加固,防止在滑移過程中產生的附加應力破壞既有結構。既有結構施工前,設計單位已根據滑移荷載對框架結構承載力進行了復核,局部采取增加配筋等加固措施。

有限元分析結果如表3所示。

表3 有限元分析結果

中間連系型鋼跨度為800mm,撓度限值取L/400=2mm, 滿足連系型鋼變形要求。單肢牛腿豎向位移限值為1mm,單肢牛腿豎向變形要求。型鋼牛腿采用Q355B型鋼焊接而成,鋼材屈服應力為355MPa,有限元分析結果均<355MPa,型鋼牛腿處于彈性變形狀態。在牛腿與框架柱連接處,型鋼牛腿與框架柱采用焊接連接,焊縫要求與母材同等強度,滿足應力要求。

4 施工工藝

4.1 型鋼牛腿安裝

1)如圖10a所示,型鋼牛腿在地面進行拼裝、焊接。同時,在框架柱型鋼牛腿設置位置下方搭設臨時支撐胎架用于臨時放置型鋼牛腿,臨時支撐胎架頂部標高與型鋼牛腿底部標高一致。

圖10 型鋼牛腿施工順序

2)如圖10b所示,采用汽車式起重機將拼裝完成的型鋼牛腿吊至臨時支撐胎架頂部,牛腿與框架柱側邊預埋件進行焊接。

3)型鋼牛腿安裝完成后,拆除支撐胎架并安裝牛腿底部斜撐,如圖10c所示。

4)安裝滑移鋼梁、滑移軌道、柱間斜撐等滑移輔助結構,型鋼牛腿施工現場照片如圖10d所示。

4.2 型鋼牛腿拆除

1)鋼屋蓋滑移完成后,受頂部凈空高度限制,汽車式起重機已無法使用,采用搭設門式操作架和倒鏈對型鋼牛腿拆除。

2)型鋼拆除順序與安裝順序相反,先拆除牛腿下部斜撐,再拆除牛腿。

3)型鋼牛腿自重小,將倒鏈掛在上部鋼桁架上,下部吊鉤與型鋼牛腿相連。先將倒鏈收緊,然后切割型鋼牛腿與框架柱的連接,放松倒鏈將型鋼牛腿緩慢放至地面。

5 結語

結合濟南融創茂海洋樂園鋼屋蓋高空滑移施工項目,通過3種方案對比選擇型鋼牛腿支座作為滑移軌道的支撐結構,根據框架結構特點和滑移荷載設計雙肢型鋼牛腿結構形式,并采用有限元分析軟件在2種工況下進行計算分析,應用結果顯示采用型鋼牛腿支座作為滑移軌道的支撐結構可減少滑移支撐胎架搭設、降低工程造價、縮短工期。

對于滑移軌道與結構梁偏斜情況,針對型鋼牛腿支座作為滑移軌道支撐結構提出以下幾點建議。

1)在滑移軌道與結構梁偏斜距離≤2m時,可采用型鋼牛腿支座作為滑移軌道的支撐結構,但需對既有框架結構進行承載力復核。

2)型鋼牛腿自重小,安拆方便,可降低工程造價,材料環保,對于存在地下室的鋼屋蓋滑移工程可優先考慮使用。

3)由于空間鋼結構整體剛度大,力學性能較好,在偏斜尺寸較大結構中宜設計成雙肢型鋼牛腿空間鋼結構受力體系。