建筑工程結(jié)構(gòu)小單元的組合技術(shù)與運(yùn)用

王 凱

（廈門特區(qū)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)與工程技術(shù)的不斷發(fā)展，為了滿足建筑形體視覺形象以及生產(chǎn)生活功能上日益增長的需求，我國建筑工程結(jié)構(gòu)逐漸出現(xiàn)高層結(jié)構(gòu)、大跨結(jié)構(gòu)等特殊結(jié)構(gòu)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)體系日益多樣化與復(fù)雜化。在這樣的大背景下，如何對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系快捷有效地進(jìn)行分解與分析，對于研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系具有重要意義。

基于此，筆者在擔(dān)任廈門市某景觀慢行橋（以下簡稱“景觀橋”）的建設(shè)單位設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人及施工負(fù)責(zé)人期間，總結(jié)提出一種結(jié)構(gòu)小單元的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系的分析方法。結(jié)構(gòu)小單元是由構(gòu)件組合能夠獨(dú)立承擔(dān)拉力、壓力、彎矩、剪力和扭矩等外力荷載的最小結(jié)構(gòu)受力體系，既構(gòu)成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析的最小單元，又構(gòu)成現(xiàn)場施工（拼裝）工序間隙相對穩(wěn)定的最小組件。在景觀橋工程建設(shè)的方案設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)、工程施工過程中都運(yùn)用了結(jié)構(gòu)小單元的觀點(diǎn)理論，已順利完成項(xiàng)目建設(shè)。現(xiàn)以景觀橋頂棚鋼結(jié)構(gòu)為例簡述結(jié)構(gòu)小單元方法的實(shí)例運(yùn)用，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系大型工程的設(shè)計(jì)與施工拋磚引玉。

1 景觀橋及其鋼頂棚概況

景觀橋主橋采用單塔單索面斜拉橋形式，全長共 769 m，橫跨兩岸一島，分為東段橋與西段橋。橋梁段長度 537 m，道路段長度 232 m，橋梁最大跨度 72 m，橋身寬度上呈曲線波浪狀，橋梁標(biāo)準(zhǔn)段凈寬 6 m（3.5 m 自行車道+2.5 m 人行道），總寬 8.23 m（含南側(cè)護(hù)欄 1.53 m，北側(cè)護(hù)欄 0.7 m），橋塔處設(shè)置休憩平臺，橋梁凈寬加寬至 9 m，加寬橋梁段總寬 11.23 m（含南側(cè)護(hù)欄 1.53 m，北側(cè)護(hù)欄 0.7 m）。

鋼頂棚覆蓋全橋，承擔(dān)遮陽及部分遮雨功能，效果圖及剖面、平面圖如圖1～圖3 所示。其共由立柱、挑梁、后連梁、順橋向連接板等部件組成，剖面呈現(xiàn)“7”字型。為與景觀橋橋身寬度尺度上的曲線造型相呼應(yīng)，頂棚在俯視與側(cè)視角度亦呈現(xiàn)波浪狀多曲面造型，在休憩平臺加寬橋梁段頂棚亦加寬，故頂棚立柱高度由 5.54 m 漸變到 4.04 m，懸挑長度由 8.17 m 漸變到 2.86 m。連接立柱的挑梁為關(guān)鍵傳力構(gòu)件，將其所在的頂棚橫截面依序命名為剖面 D1 至剖面 D6。鋼頂棚在橋梁休憩平臺位置采用頂面鋁單板，逐漸過渡到橋梁標(biāo)準(zhǔn)段的頂面格柵，一方面可以實(shí)現(xiàn)休憩平臺的全遮陽遮雨功能同時(shí)兼顧標(biāo)準(zhǔn)段的部分遮陽功能，另一方面在保證功能的前提下盡可能采用格柵以減輕頂棚自重，有利于懸挑結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定，保證結(jié)構(gòu)安全并節(jié)約工程造價(jià)。

圖1 景觀橋鋼頂棚俯瞰效果圖

圖2 鋼頂棚典型剖面圖（單位：mm）

圖3 鋼頂棚平面圖（單位：mm）

2 鋼頂棚設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)小單元運(yùn)用

采用 3d3s 和 Midas 有限元計(jì)算軟件對橋梁鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析。輸入荷載如下。

1）恒載。頂棚鋁單板區(qū)域 0.20 kN/m2，頂棚格柵區(qū)域 0 kN/m2。

2）活載。頂棚滿布荷載 0.30 kN/m2。

3）溫度荷載。考慮系統(tǒng)升溫 30 ℃，降溫-30 ℃。

4）風(fēng)荷載。無人群時(shí)基本風(fēng)壓 0.8 kN/m2，有人群時(shí)基本風(fēng)壓 0.39 kN/m2，根據(jù) JTG/T 3360－01－2008《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，廈門市地面以上 10 m 高度處基本風(fēng)速Us10取值為 25 m/s，根據(jù)場地位置地面粗糙度類別為 B 類，抗風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)kf取為 1.05，計(jì)算位置高度Z取為 14 m，則得到設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速Ud為 27.7 m/s，又等效靜陣風(fēng)系數(shù)GV根據(jù)地面粗糙度類別及水平加載長度取 1.27，則等效靜陣風(fēng)風(fēng)速Ug根據(jù)公式Ug=GVUd可得 35.18 m/s。將Ug反帶入氣動三分力式［1］，并將風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)下的不同風(fēng)攻角工況下的氣動橫向力系數(shù)CH、氣動豎向力系數(shù)CV、氣動俯仰扭矩系數(shù)CM代入［2］，可得作用在鋼頂棚上的風(fēng)力單位線荷載氣動豎向力FV、氣動橫向力FH和繞縱軸氣動俯仰扭矩M，也即在不同風(fēng)攻角工況下的風(fēng)荷載組合［3］。根據(jù)頂棚布置，頂棚格柵處不承受風(fēng)荷載，風(fēng)荷載輸入在頂棚鋁板位置。

針對上述荷載，輸入共 19 種可能的荷載組合，并就各種荷載組合中最不利工況進(jìn)行應(yīng)力和位移分析。經(jīng)過初步計(jì)算得到初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，立柱、主挑梁、次挑梁、挑梁間順橋向連接板構(gòu)件形式及尺寸如表1 構(gòu)件方案 1 所示。頂棚鋁單板單層 3 mm 厚。

表1 頂棚構(gòu)件比選方案

各組成構(gòu)件建模示意圖如圖4 所示，經(jīng)過建模計(jì)算該方案位移方面豎向最大位移 84.1 mm，超過規(guī)范撓度限值L/200=41 mm，內(nèi)力方面最大應(yīng)力比R為 1.22，超過規(guī)范應(yīng)力比限值 0.9，方案不可行。

圖4 頂棚組成構(gòu)件建模示意圖

由上述傳力路徑分析可得，一方面要減少頂棚豎向位移減少挑梁撓度，主要需要增加額外約束，可以在懸臂端增加約束，將荷載由挑梁直接傳遞到橋身，因此可以得到增加拉壓立桿和增加拉索的比選約束方案，如圖5 所示。

圖5 頂棚約束比選方案

另一方面，要減少頂棚應(yīng)力比，主要需要優(yōu)化構(gòu)件截面。從受力分析來看小單元的約束邊緣構(gòu)件挑梁和順橋向連接板均為受彎構(gòu)件，同時(shí)小單元組傳遞到后連梁與立柱，立柱也是受彎狀態(tài)，故要減少應(yīng)力比需要增加順橋向連接板、挑梁、立柱等主要受彎構(gòu)件的截面抵抗矩，以保證挑梁和立柱的整體穩(wěn)定。增大構(gòu)件截面尤其是增加梁高是最有效率的方法［4］，但同時(shí)也會帶來構(gòu)件自重增加彎矩和剪力增加，綜合考慮下抽除部分次梁間連接板，也即減少頂棚格柵分縫密度，并適當(dāng)增大截面，在原初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的構(gòu)件方案 1 優(yōu)化得到構(gòu)件方案 2，另外考慮在增加截面抵抗矩的同時(shí)盡量控制構(gòu)件自重，因此構(gòu)件形式由實(shí)心鋼材往箱型、矩形管等優(yōu)化，在原初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的構(gòu)件方案 1 優(yōu)化得到構(gòu)件方案 3，如表1 所示。

綜上對于構(gòu)件比選方案 1、2、3 與約束比選方案 a、b、c 進(jìn)行組合，以對受力與變形兩方面進(jìn)行優(yōu)化，建模計(jì)算得到結(jié)構(gòu)受力與變形性能指標(biāo)如表2 所示。構(gòu)件方案 1 下，頂棚約束由無額外約束的方案 a 增加到有立桿或有拉索的方案 b 和方案 c，能夠有效控制豎向最大位移，但是受力方面邊立柱的應(yīng)力比仍然超過規(guī)范限值，而經(jīng)過構(gòu)件優(yōu)化后的構(gòu)件方案 2 和方案 3，在增加拉索或立桿的額外約束的約束方案 b 和約束方案工況下能夠?qū)崿F(xiàn)豎向最大位移和最大應(yīng)力比均滿足規(guī)范限值要求，具備可行性。最終為保證橋梁和頂棚外觀的整體視覺效果，綜合考慮后選擇矩形管截面為主的構(gòu)件方案 3 與懸臂端拉索的約束方案 c 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)組合。最終確定的構(gòu)件方案 3 與約束方案 c 的壓風(fēng)荷載組合、吸風(fēng)荷載組合下的位移云圖如圖6 所示。

表2 頂棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案比選

圖6 構(gòu)件方案 3 與約束方案 c 組合的有限元分析結(jié)果

3 鋼頂棚施工中的結(jié)構(gòu)小單元運(yùn)用

根據(jù)國內(nèi)外工程實(shí)例組織景觀橋主橋施工工序流程［5］，鋼頂棚施工位于工序流程末期，需待橋塔首節(jié)次節(jié)段安裝、橋面鋼箱梁安裝焊接合攏、橋塔三節(jié)四節(jié)依序完成后方施工鋼頂棚。頂棚用鋼西段橋共計(jì) 150.22 t，東段橋 328.95 t，全橋共計(jì) 479.17 t，安裝利用現(xiàn)場施工鋼棧橋站位，用 25 t 汽車吊站位在鋼棧橋上安裝，以下對頂棚施工安裝工序工藝進(jìn)行詳細(xì)分析。

運(yùn)用結(jié)構(gòu)小單元理論對于頂棚安裝施工工序進(jìn)行細(xì)化分析與組織。前述結(jié)構(gòu)受力分析的結(jié)構(gòu)小單元是獨(dú)立承受荷載的結(jié)構(gòu)體系，頂棚施工分為鋼結(jié)構(gòu)廠內(nèi)加工安裝與現(xiàn)場安裝兩部分。

廠內(nèi)安裝按照后連梁→橫橋向挑梁（立柱處主挑梁）→前連梁→柱間橫橋向挑梁（立柱間次挑梁）→次骨架（順橋向連接板），覆蓋鋁單板部分再另外焊接安裝鋁單板。該安裝順序?qū)嶋H上以立柱為分界，在每兩根立柱之間逐步安裝形成了一個(gè)由若干個(gè)頂棚鋁板或頂棚格柵小單元組合而成的結(jié)構(gòu)小單元組，等結(jié)構(gòu)小單元組分別安裝完成后再整體對應(yīng)焊接，以防止焊接變形。

現(xiàn)場安裝則是將前述廠內(nèi)安裝形成的每一個(gè)結(jié)構(gòu)小單元組作為吊裝單元，在現(xiàn)場自橋塔中軸線向兩側(cè)對稱安裝，也即在安裝立柱之后，如圖7 所示按照吊裝單元①、吊裝單元②、吊裝單元③的次序順次安裝結(jié)構(gòu)小單元組，并且在每一個(gè)吊裝單元安裝過程中，在已經(jīng)焊接完成的主橋橋面上采用規(guī)格 I20a 工字鋼搭設(shè)臨時(shí)支撐，用于支撐立柱處主挑梁懸臂端，臨時(shí)工字鋼支撐兩側(cè)斜撐 I20a 工字鋼保證其平面約束。工字鋼臨時(shí)支撐一方面能夠有效地輔助控制標(biāo)高及線型，另一方面通過立柱與臨時(shí)支撐共同作用，實(shí)現(xiàn)施工期間結(jié)構(gòu)小單元組→立柱與臨時(shí)支撐→主橋的荷載傳遞（見圖8）。

圖7 頂棚施工安裝工序

圖8 頂棚臨時(shí)支撐構(gòu)造

在整個(gè)頂棚現(xiàn)場安裝施工過程中對吊裝單元吊裝、拉索安裝與張拉的全過程進(jìn)行吊裝就位監(jiān)測與線型監(jiān)測［6］。吊裝就位監(jiān)測是根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?jiān)谝呀?jīng)安裝、焊接完成的鋼箱梁橋面上部放樣出頂棚立柱及臨時(shí)支撐的十字中線，在臨時(shí)支撐上部放置調(diào)節(jié)段調(diào)整主挑梁對應(yīng)位置標(biāo)高，安裝立柱過程中利用全站儀校正其傾斜角度，調(diào)整到設(shè)計(jì)位置后臨時(shí)固定，在吊裝過程全程監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)誤差及時(shí)修正；線型監(jiān)測則主要分為軸線調(diào)整及標(biāo)高調(diào)整，軸線調(diào)整采用全站儀測量調(diào)整中軸線，標(biāo)高調(diào)整采用水準(zhǔn)儀測量，在拉索張拉過程中對于整個(gè)頂棚同步監(jiān)測控制，確保軸線及標(biāo)高準(zhǔn)確，以保證線型符合設(shè)計(jì)效果。

4 結(jié)語

本文提出了一種建筑工程結(jié)構(gòu)小單元的分析思路，并以廈門市某景觀橋鋼頂棚作為實(shí)例，通過設(shè)計(jì)與施工上結(jié)構(gòu)小單元的具體運(yùn)用分析，可以得到如下結(jié)論。

1）通過將大型結(jié)構(gòu)根據(jù)傳力路徑與受力體系拆解為能夠獨(dú)立承受荷載的結(jié)構(gòu)小單元，可以有效地化整為零、化繁為簡，為工程設(shè)計(jì)與施工提供指導(dǎo)。

2）工程設(shè)計(jì)方面，結(jié)構(gòu)小單元可以作為結(jié)構(gòu)受力分析的起點(diǎn)，通過分析小單元內(nèi)部的荷載傳遞及小單元間的耦合作用實(shí)現(xiàn)傳力路徑。

3）工程施工方面，結(jié)構(gòu)小單元可以作為鋼結(jié)構(gòu)分解與拼裝的組元，將完整結(jié)構(gòu)化整為零拆分成可獨(dú)立承受荷載的結(jié)構(gòu)小單元或小單元組，對于施工分段或施工分節(jié)有重要意義。Q