大跨度懸挑鋼結(jié)構(gòu)連廊吊裝施工的模擬分析

張文瑯

中鐵五局集團(tuán)建筑工程有限責(zé)任公司 貴州 貴陽(yáng) 550002

1 工程概況

某工程地上鋼結(jié)構(gòu)由2棟塔樓以及中間大跨度懸挑鋼結(jié)構(gòu)連廊組成（圖1），塔樓逐層懸挑，最大懸挑長(zhǎng)度達(dá)18.9 m，結(jié)構(gòu)共7層，總高度31 m，采用鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)形式，其中斜撐鋼構(gòu)件主要集中在6層及以上的懸挑部位，6層以下部分懸挑及連廊中間位置也有斜撐分布，斜撐的主要截面形式包括箱形和H形。鋼結(jié)構(gòu)主要由鋼柱、鋼梁、鋼斜撐組成，鋼柱與主梁主要為剛接節(jié)點(diǎn)，鋼斜撐與鋼柱為剛接節(jié)點(diǎn)，主梁與次梁主要為鉸接節(jié)點(diǎn)，其中剛接節(jié)點(diǎn)為一級(jí)焊縫；鋼結(jié)構(gòu)主要截面形式有H型鋼、變截面H型鋼、箱型鋼以及十字型鋼，材質(zhì)主要采用Q345B和Q390B。在6層以上采用鋼結(jié)構(gòu)連廊連接2座塔樓，連廊跨度達(dá)33.6 m，最大懸挑長(zhǎng)度達(dá)16.0 m，連廊施工存在大跨度、長(zhǎng)懸挑的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)吊裝作業(yè)面小的情況，給現(xiàn)場(chǎng)連廊吊裝施工帶來(lái)很大的難題[1-4]。

圖1 結(jié)構(gòu)模型示意

2 方案比選

針對(duì)本工程鋼結(jié)構(gòu)連廊跨度大、懸挑長(zhǎng)、噸位大、斜撐多以及現(xiàn)場(chǎng)施工具體情況等特點(diǎn)，結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)以及國(guó)內(nèi)外大跨度鋼結(jié)構(gòu)安裝工程實(shí)例，進(jìn)行了多方案的比較、分析。

2.1 整體吊裝

1）特點(diǎn)：將結(jié)構(gòu)在地面拼裝成整體后，采用起重設(shè)備吊裝至設(shè)計(jì)位置。

2）優(yōu)點(diǎn)：地面拼接可有效保證焊接質(zhì)量及幾何尺寸。3）缺點(diǎn)：需超大型起重設(shè)備，費(fèi)用昂貴。

2.2 高空散拼

1）特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)標(biāo)高一次拼接完成。

2）優(yōu)點(diǎn)：可用較小起重設(shè)備。

3）缺點(diǎn)：現(xiàn)場(chǎng)高空作業(yè)量大，需要大量支架材料。

2.3 分片吊裝

1）特點(diǎn)：地面進(jìn)行部分拼接，高空吊裝就位。

2）優(yōu)點(diǎn)：高空拼接作業(yè)量及現(xiàn)場(chǎng)支架使用量減少。

3）缺點(diǎn)：需要采用專門設(shè)計(jì)的臨時(shí)支撐，采用較大的起重設(shè)備。

2.4 方案確定

通過(guò)分析比較，考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工條件比較窄，建筑背面無(wú)法停放吊車，只能在建筑正面進(jìn)行吊裝的情況，決定采用分片吊裝方案，即在地面將連廊主梁焊接后進(jìn)行分片吊裝，在連廊主梁中段設(shè)置臨時(shí)支撐進(jìn)行受力。吊裝過(guò)程中，結(jié)構(gòu)的空間定位測(cè)量以及吊裝完成后臨時(shí)支撐卸載是關(guān)鍵，因此，需要對(duì)整個(gè)吊裝及卸載過(guò)程進(jìn)行施工模擬，以便指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

3 現(xiàn)場(chǎng)施工

3.1 機(jī)械選型

連廊單根主框梁質(zhì)量達(dá)7.5 t，最遠(yuǎn)的主框梁吊裝半徑達(dá)45 m，根據(jù)汽車吊吊重性能分析，決定采用塔樓主體吊裝的QGC130型號(hào)130 t履帶吊，以滿足現(xiàn)場(chǎng)的連廊吊裝要求，另采用1臺(tái)25 t汽車吊進(jìn)行構(gòu)件的卸貨及近端鋼連廊次梁吊裝。

3.2 吊裝流程

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，在每根鋼連廊的中段下方設(shè)置臨時(shí)支撐，作為吊裝過(guò)程中鋼梁自重受力的支撐點(diǎn)，避免鋼框梁發(fā)生過(guò)大撓度和變形。鋼結(jié)構(gòu)連廊現(xiàn)場(chǎng)施工按照以下步驟進(jìn)行：先吊裝6層最靠里的2根主框梁以及之間的次梁，接著吊裝7層最靠里的主框梁及次梁，接著吊裝6層從里往外的第3根主框梁及次梁，然后吊裝屋面層最靠里的2根主框梁及次梁，如此循環(huán)，確保上一層的主框梁比下一層少1～2根，不影響起重機(jī)械的吊裝操作。在鋼梁吊裝過(guò)程中，穿插安排鋼筋桁架樓承板安裝工作，值得注意的是，為保證臨時(shí)支撐卸載后樓承板混凝土不會(huì)產(chǎn)生裂縫，6層及以上樓板混凝土澆筑在臨時(shí)支撐卸載后進(jìn)行。

結(jié)構(gòu)安裝完成后，暫不澆筑6層及以上樓面混凝土，25組臨時(shí)支撐架同步進(jìn)行卸載，支撐架卸載后方可進(jìn)行6層及以上樓面混凝土澆筑。

3.3 臨時(shí)支撐施工

本工程鋼結(jié)構(gòu)連廊區(qū)域設(shè)置7組四肢格構(gòu)式臨時(shí)支撐架，包括主框梁下方4組和連廊懸挑區(qū)域3組，其中布置于6層鋼連廊主框梁下方的臨時(shí)支撐架高度約26.0 m，布置于鋼連廊懸挑區(qū)域的臨時(shí)支撐架高度約28.8 m。根據(jù)支撐架承受荷載，對(duì)支撐架設(shè)計(jì)如下：支撐架平面尺寸2.0 m×2.0 m，頂部節(jié)間采用H200 mm×200 mm×8 mm×12 mm（Q235B）型鋼作為平臺(tái)，采用B120 mm×6 mm、B120 mm×5 mm（Q235B）矩管加強(qiáng)（圖2）。

圖2 臨時(shí)支撐架頂部結(jié)構(gòu)布置

為了保證臨時(shí)支撐架的側(cè)向穩(wěn)定，在上部鋼結(jié)構(gòu)未就位前，在臨時(shí)支撐架四周拉設(shè)纜風(fēng)繩進(jìn)行臨時(shí)固定。在上部鋼結(jié)構(gòu)就位前，不可拆除纜風(fēng)繩。

整體同步進(jìn)行卸載，卸載時(shí)每個(gè)支撐架派2名工人進(jìn)行操作，通過(guò)通信設(shè)備，由現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目管理人員統(tǒng)一指揮，保證在大致同步的條件下進(jìn)行卸載。

4 連廊吊裝施工模擬分析

本工程鋼結(jié)構(gòu)采用分片吊裝，對(duì)結(jié)構(gòu)施工過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真模擬分析，采用通用有限元分析軟件Midas Gen 2014進(jìn)行建模分析驗(yàn)算。驗(yàn)算過(guò)程中結(jié)構(gòu)自重修正系數(shù)取1.3。在邊界、單元、節(jié)點(diǎn)、支撐架等設(shè)置中，支座、支撐架以及各個(gè)連接節(jié)點(diǎn)，根據(jù)施工分步中采取的措施，嚴(yán)格按照?qǐng)D紙以及施工過(guò)程進(jìn)行模擬分析。

根據(jù)已經(jīng)制訂的施工過(guò)程，首先按照普通鋼構(gòu)吊裝完成2座塔樓，再按照如下順序吊裝塔樓懸挑部分和連廊結(jié)構(gòu)：

1）階段1：設(shè)置主框梁臨時(shí)支撐，依次吊裝6層、7層最遠(yuǎn)端主框梁及相連次梁。

2）階段2：吊裝6層第3根主框梁、屋面層最遠(yuǎn)端主框梁及相連次梁。

3）階段3：依次吊裝完成6層至屋面層連廊主框梁及相連次梁的吊裝。

4）階段4：按照主框梁的順序吊裝連廊懸挑區(qū)域梁及斜撐，并對(duì)梁、斜撐的焊接質(zhì)量進(jìn)行檢查。

5）階段5：采取同步措施，拆除連廊區(qū)域臨時(shí)支撐。

通過(guò)施工階段分析計(jì)算，連廊在各吊裝施工階段位移、應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 連廊吊裝各階段分析結(jié)果

通過(guò)上述分析結(jié)果表明，在連廊吊裝過(guò)程中、未拆除臨時(shí)支撐前，結(jié)構(gòu)最大豎向位移為6.5 mm，水平位移均很?。粯?gòu)件最大組合應(yīng)力53.0 MPa、最大剪應(yīng)力5.0 MPa，小于鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度，最大應(yīng)力出現(xiàn)在懸挑部位臨時(shí)支撐處桿件上，位置合理（圖3）。

在連廊吊裝過(guò)程完成、拆除臨時(shí)支撐后，結(jié)構(gòu)最大豎向位移為16.9 mm，水平位移均很小；構(gòu)件最大組合應(yīng)力43.5 MPa、最大剪應(yīng)力4.6 MPa，小于鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度，最大應(yīng)力出現(xiàn)在連廊跨中處桿件上，位置合理（圖4）。

根據(jù)施工模擬分析計(jì)算結(jié)果，連廊吊裝過(guò)程中最大的豎向變形量為16.9 mm，小于設(shè)計(jì)最大允許下?lián)现礚/400=21 mm，變形滿足要求。最大組合應(yīng)力53.0 MPa、最大剪應(yīng)力5.0 MPa，小于鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，滿足要求。通過(guò)施工模擬計(jì)算結(jié)果，說(shuō)明連廊吊裝施工過(guò)程安全。

圖3 連廊結(jié)構(gòu)吊裝完成時(shí)的變形及應(yīng)力云圖

圖4 臨時(shí)支撐拆除后的變形及應(yīng)力云圖

5 結(jié)語(yǔ)

在鋼連廊吊裝及卸載過(guò)程中，通過(guò)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)連廊的變形進(jìn)行觀測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)，在連廊安裝完成后、卸載前，最大變形實(shí)測(cè)值為7.5 mm，發(fā)生在連廊懸挑部位，較施工模擬值6.5 mm稍大，但符合標(biāo)準(zhǔn)要求；卸載完成后，最大變形實(shí)測(cè)值為18.2 mm，發(fā)生在連廊懸挑部位，較施工模擬值16.9 mm稍大，但亦滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

通過(guò)對(duì)施工模擬的分析計(jì)算，驗(yàn)證了方案的合理性，為施工時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的受力和變形提供了可靠依據(jù)，確保了鋼結(jié)構(gòu)施工的安全與質(zhì)量，同時(shí)也為類似鋼結(jié)構(gòu)工程提供了借鑒。