大空間地下室頂板局部承載安全性分析與施工監測技術研究

建筑物地下室頂板在施工過程中的不合理加載容易導致其整體或局部坍塌，造成重大安全事故及財產損失。對某商業建筑裙房大跨度鋼梁吊裝施工過程及過車荷載作用下大空間地下室頂板的局部承載安全性進行分析；采用SAP2000軟件針對最不利狀況進行施工模擬，考慮28種施工工況，模擬結果表明，僅依靠地下室頂板自身結構能夠承擔過車、吊裝及運輸等荷載作用，不需要額外對地下室頂板進行支撐；介紹了施工過程中地下室頂板結構變形實時監測內容，結合數值計算對監測數據進行了對比分析。詳細介紹了所采用施工模擬方法、結構變形監測技術等，為類似工程提供參考。

地下室結構頂板； 移動荷載； 局部承載； 施工模擬

TU312+.1A

［定稿日期］2024-02-26

［作者簡介］徐廷魁（1992—），男，本科，助理工程師，研究方向為結構設計、檢測、鑒定與加固改造。

1 工程背景

目前，國內的商業建筑通常采用塔樓+裙房+大底盤地下室+筏形基礎、樁基礎的結構布置體系。施工過程中，相鄰塔樓間的大底盤地下室頂板經常用作建筑材料堆載場地、建筑運輸車輛道路等用途。當地下室頂板上承擔的不均勻荷載超過其設計承載力時，就會造成局部或整體坍塌等重大安全事故。圖1是某商業建筑裙房地下室頂板整體坍塌事故。該起事故的發生與運輸施工材料的車輛停放不當有關。目前，國內針對施工模擬分析方法、鋼結構整體吊裝施工方法的研究較多［1-8］，針對地下室頂板局部承載性能分析及施工實時監測的研究較少。

某商業綜合體裙房需要進行大跨度超重鋼梁的安裝施工（待安裝鋼梁如圖5所示），鋼梁最大重量達120 t。裙房地下室頂板需要滿足運輸車輛過車、局部承載及汽車起重機吊裝等施工作業要求。同時裙房地下室部分區域為大空間，結構跨度達24 m。本文針對該工程地下室頂板局部承載安全性能進行分析。施工區域如圖2所示。

2 大空間地下室頂板施工方案

2.1 概述

施工區域位于兩棟塔樓間的地下室頂板位置，對應的地上建筑共一層，為塔樓裙房。施工區域平面布置如圖3所示。為了避免過車對大空間地下室頂板的局部荷載作用的影響。構件運輸車輛只在左側通道（該區域地下室頂板結構為普通跨度及層高）上行駛，不進入裙房區域，但在對鋼構件吊裝時汽車起重機需要行駛到裙房大空間地下室頂板上。

2.2 施工方案

根據施工過程中對汽車過車、吊裝以及構件拼裝、轉運的要求，考慮以下施工方案。

2.2.1 運輸汽車及汽車起重機過車方案

行駛區域見圖3，該區域需驗算行駛總重為49 t的運輸車輛及自重為46 t汽車起重機通過時頂板的承載性能。

2.2.2 汽車起重機布置方案

對鋼梁分塊拼接時，需在地下室頂板范圍進行汽車起重機吊裝作業。根據構件吊裝情況、現場條件、汽車起重機的性能，共規劃5個汽車起重機吊裝時停靠位置。吊車停靠位置在圖4中用編號1～5標出。位置的確定以盡量避開大空間地下室所在區域為原則，同時吊車支腿盡量支撐在框架梁或結構柱上。為保證地下室安全性，只允許一輛吊車施工作業。每臺次汽車起重機自重、配重及鋼構件吊重合計92 t。

2.2.3 二次轉運及拼裝方案

本工程中，大跨度鋼梁采用整體液壓提升的方式進行安裝作業。由于道路情況的限制，以及汽車起重機選型等因素，圖5中編號為3的鋼梁不能通過汽車起重機一次吊裝到指定區域，需二次轉運，即通過水平平移的方式移動到位。對于3號鋼梁，現場拼裝完成后，整個鋼梁通過軌道滑移到指定位置。軌道兩端焊接在巨型鋼管混凝土柱上，如圖6所示。3號鋼梁初始拼裝時，根據柱位和梁位擺放拼裝用的胎架采用工字鋼作為拼裝用的支撐胎架，并在軌道上鋪設滾軸，然后通過機械牽引平移施工，見圖7。

3 基于SAP2000的施工模擬分析

3.1 簡化模型的建立

采用SAP2000軟件建模分析。考慮到施工區域受臨時荷載作用，選取過車、吊裝作業以及轉運區域內的部分地下室頂板結構建立簡化有限元模型計算。如圖8所示，該模型局部三層，大空間頂板對應位置為一層。其中，圖8（a）為施工區域結構平面布置，圖8（b）為簡化模型選取的區域范圍，圖8（c）為簡化有限元模型示意。

3.2 計算工況

地下室主要承擔恒載、活載及施工荷載。計算時，恒、活載依據設計文件確定。地下室頂板設計考慮覆土荷載10.8 kN/m2，施工時該荷載為零。針對各專項施工方案，分為以下計算工況。

3.2.1 運輸汽車及汽車起重機過車方案

根據運輸及吊裝車輛過車區域分布，考慮兩種最不利工況，每種工況均考慮同時作用三臺車的自重荷載。單臺車重49 t（活荷載LL），考慮1.4活載分項系數與1.1倍動力系數。過車工況見圖9，黑實心圓點為車輪位置。計算時，輪壓荷載以集中荷載的形式施加在圖中圓點標記點處。

3.2.2 汽車起重機布置方案

該分析考慮結構自重與1～5位置吊車支腿處的集中荷載，單臺吊車自重及吊重荷載合計92 t（活荷載LL），考慮1.4活載分項系數與1.1倍動力系數。施工時，現場只允許一臺汽車起重機作業，5處起重機停靠位置分別對應5種工況。如圖10所示。圖中圓圈為吊車支腿位置。吊車豎向荷載以集中荷載的形式施加在圖中圓圈標記點處。

采用XCT75型汽車起重機，由于汽車起重機在起吊過程中4個支腿的反力是變化的，結合現場施吊距離并經過反復計算，每個起重機位置共考慮4種偏載作用下支腿作用力分布和1種均布荷載作用下支腿作用力，即對5種子工況進行計算。支腿作用力以點荷載的形式加載至圖11所示位置。考慮偏載、均載作用后共計25個工況，見表1。圖11為起重機支腿編號及吊裝現場照片。

3.2.3 二次轉運及拼裝方案

針對二次轉運，軌道梁簡化受力模型為梁中設有兩個鉸接支點的兩端嵌固梁進行計算，設計軌道梁截面為□300×400×20×20。為考察軌道梁承載對地下室頂板的影響，在地下室頂板簡化有限元模型上建入軌道梁進行計算，為工況3-1。該工況主要考慮3號鋼梁自重荷載（標準值為96 t，考慮1.4活載分項系數與1.1倍動力系數）。

3.3 針對各工況的分析結果

本節按照分項施工方案，給出施工工況的分析結果。

3.3.1 車輛過車方案

在車輛過車工況下，地下室主要承受恒載、活載及過車荷載。為了方便分析車輛過車荷載引起結構內力的變化以及所產生的結構附加變形，圖12、圖13分別給出了僅考慮三臺車過車荷載作用下（1.4×1.1×LL，LL=49 t）結構的軸力彎矩分布及變形云圖。由圖15可知，在過車荷載作用下，工況1-1最大豎向變形為3 mm，工況1-2最大變形為4.4 mm。圖14給出了地下室頂板在結構自重荷載下豎向變形。可以看到由吊車過車引起的附加變形遠小于結構本身自重引起的豎向變形，表明過車荷載對結構安全性影響較小。經過軟件驗算配筋后得出，結構配筋滿足要求。

3.3.2 汽車起重機布置方案

方案中所涉及工況較多，為簡化篇幅，給出最不利偏載支腿作用力下和均載支腿作用力下的結構計算結果。各吊車位置最不利工況分別為工況2-1-5、2-2-5、2-3-2、2-4-5、2-5-4。經驗算，各工況下結構沖切、抗剪承載力滿足要求。為了方便分析吊裝荷載引起結構應力的變化以及所產生的附加變形，圖15、圖16分別給出了僅考慮吊車荷載作用下（1.4×1.1×LL，LL=92 t）結構的應力云圖及變形云圖。

在考慮20種汽車起重機荷載分布后，由吊裝荷載引起的變形最大值為-7.15 mm。各位置汽車起重機荷載作用下結構最大變形與起重機位置編號的關系見圖17。

3.3.3 二次轉運方案

軌道梁簡化為跨中設有2個鉸接支點的兩端嵌固梁進行計算，設計得出梁截面為□300×400×20×20。然后將梁建入地下室頂板簡化有限元模型中，考慮平移施工對地下室頂板的影響，見圖18。考慮鋼梁自重荷載（1.4×1.1×LL，LL=96 t）作用在軌道梁跨中時，板變形與應力分布見圖19。

3.4 小結

通過對各施工工況的模擬分析，由施工荷載引起的結構變形最大值為7.15 mm，地下室頂板結構配筋經驗算滿足要求。通過施工模擬表明僅依靠地下室頂板自身結構能夠承擔過車、吊裝及運輸等荷載作用，不需要額外對地下室頂板進行支撐。實際上在設計時考慮了10.8 kN/m2的附加恒載，而在頂板及一層裙房施工時該荷載尚未施加，有一定承載力余量，在施工荷載作用下結構能夠滿足安全性要求。

4 基于全自動測量全站儀的結構變形監測

4.1 監測系統介紹及測點布置

施工過程監測具有監測周期短、監測環境差等特點。由于施工場地及現場條件的限制，監測設備最好能夠集成自供電、無線傳輸、自動存儲、自動采集等功能。在對結構變形進行監測時，通常有靜力水準儀監測、GPS定位監測、全自動測量全站儀監測等手段。其中，靜力水準儀及GPS定位主要適用于既有建筑正常使用過程的長期監測，需要對監測設備進行安裝并考慮保護措施。全自動測量全站儀具有便攜性、高效性等優點，同時操作簡單，當監測人員在場時不需要額外針對設備進行保護，適合短時間施工過程監測。本工程在過車及吊裝施工過程中采用SOK KIA NET05全自動測量全站儀系統進行變形監測。該設備自動照準距離為1 000 m；可分辨棱鏡最小夾角為 3′。該設備放置在地下室一層，監測地下室頂板結構變形，測點布置如圖20所示。

4.2 監測結果分析

對過車及吊裝施工過程中結構變形進行監測。圖21為8月某天過車施工時測點1～6的實測變形值與監測時刻關系曲線。其中橫坐標軸為監測當天時刻，縱坐標軸為監測豎向變形，負值代表變形豎直向下。根據計算得出，過車工況下最大變形為4.4 mm，不考慮汽車活載分項系數與動力系數時，變形為2.85 mm。可以看到結構變形現場監測結果與變形計算最大值（不考慮分項系數及動力系數）基本吻合。

吊裝過程中監測最大變形值與計算結果對比如圖22所示。可以看到預估結果與實測結果基本吻合。

5 結論

對某商業建筑裙房大跨度鋼梁吊裝施工過程及過車荷載作用下大空間地下室頂板的局部承載安全性進行分析；采用SAP2000軟件針對最不利狀況進行施工模擬。在考慮20種汽車起重機荷載分布后，得到由起重機吊裝荷載引起的變形最大值為-7.15 mm。通過模擬分析得出，依靠地下一層自身結構能夠承擔過車、吊裝及運輸等荷載作用，不需要額外對地下室頂板進行支撐；介紹了施工過程中地下室頂板結構變形實時監測內容，結合數值計算對監測數據進行了對比分析。監測數據峰值點與數值計算變形最大值基本吻合，驗證了所采用的理論模型的正確性。本文施工模擬方法與現場監測技術應用結合的技術手段可為類似工程提供參考。

參考文獻

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