超高層建筑外部懸挑超大梁施工技術(shù)分析

房志斌

1. 上海建工四建集團(tuán)有限公司 上海 201103；2. 上海建筑改建與持續(xù)利用工程技術(shù)研究中心 上海 201103

1 工程概況

本項(xiàng)目為蒂森電梯配件生產(chǎn)之電梯試驗(yàn)塔工程，位于廣東省中山市南區(qū)龍環(huán)村。占地面積4 956.60 m2，總建筑面積19 582.60 m2，其中地下建筑面積1 890.30 m2，地上建筑面積17 692.21 m2。地下3層，地上31層（裙樓3層），擬建電梯試驗(yàn)塔塔高247.30 m，工程±0.00 m相當(dāng)于絕對(duì)高程10.00 m。

主樓的地下和地上結(jié)構(gòu)均為剪力墻筒體結(jié)構(gòu)，裙房為框架結(jié)構(gòu)。

1.1 難點(diǎn)分析

1）本項(xiàng)目為超高層工業(yè)建筑，27層北側(cè)梁板為懸挑結(jié)構(gòu)（圖1）。

圖1 26～27層結(jié)構(gòu)平面示意

2）電梯試驗(yàn)塔27層北側(cè)結(jié)構(gòu)支撐體系及施工操作平臺(tái)無(wú)法直接架設(shè)在建筑物內(nèi)部樓面上，需單獨(dú)設(shè)計(jì)型鋼平臺(tái)作為支撐平臺(tái)。

3）該處結(jié)構(gòu)梁截面為450 mm×2 000 mm超大梁，集中線(xiàn)荷載超20 kN/m，對(duì)型鋼平臺(tái)承載力要求高。

4）梁跨度6.3 m，對(duì)型鋼平臺(tái)變形控制要求極高。

5）層高6 m，在超高作業(yè)環(huán)境下（高213 m）對(duì)支撐架體穩(wěn)定性要求極高。

6）對(duì)型鋼平臺(tái)與結(jié)構(gòu)連接方式的確定、連接節(jié)點(diǎn)質(zhì)量控制要求高。

1.2 技術(shù)應(yīng)對(duì)措施

根據(jù)中山蒂森電梯試驗(yàn)塔項(xiàng)目業(yè)主、設(shè)計(jì)提供的圖紙，于懸挑結(jié)構(gòu)下方設(shè)置以型鋼鋼梁組成的平臺(tái)，以滿(mǎn)足梁板澆筑時(shí)模板排架的搭設(shè)。

為保證支撐平臺(tái)施工的安全，相關(guān)操作人員須嚴(yán)格按照施工方案要求進(jìn)行施工，施工中配備專(zhuān)人在場(chǎng)負(fù)責(zé)安全和維護(hù)檢查。

2 鋼平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 鋼平臺(tái)鋼梁設(shè)計(jì)

鋼平臺(tái)主要采用16#、20#、30#這3種規(guī)格的工字鋼（圖2），其中30#工字鋼作為梁底主要承重構(gòu)件，兩側(cè)增加16#工字鋼拉結(jié)以保證平臺(tái)安全及穩(wěn)定性（圖3）。

圖2 鋼平臺(tái)平面示意

2.2 支撐架體設(shè)計(jì)

上部支撐架采用φ48 mm×3.2 mm圓鋼管，為常規(guī)模板排架支撐體系（使用品茗軟件進(jìn)行安全驗(yàn)算），底部為組合鋼梁平臺(tái)（圖4）。圖中梁上端墻體，待梁結(jié)構(gòu)達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度時(shí)再進(jìn)行施工，故不在支撐體系計(jì)算范圍內(nèi)。

3 Midas模型設(shè)計(jì)

3.1 有限元分析方法簡(jiǎn)介

有限元分析方法是用于求解數(shù)值方程的一種常用的方法，其結(jié)合了計(jì)算數(shù)學(xué)、彈性理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)于實(shí)際工程的求解具有非常重要的作用。其基本思想源于1943年，當(dāng)時(shí)被用在由三角形區(qū)域上定義的分片連續(xù)函數(shù)與最小位能原理求解St.Venant扭轉(zhuǎn)問(wèn)題上。而有限元法這一名詞的首次出現(xiàn)是在1960年，由美國(guó)的克拉夫（Clough）提出。到了20世紀(jì)70年代初，有限元理論逐漸成熟，各種商業(yè)化的有限元軟件也漸漸出現(xiàn)。近30年以來(lái)，關(guān)于有限元的基礎(chǔ)理論已經(jīng)足夠成熟了，是目前工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域中最有效、最可靠的數(shù)值計(jì)算方法。有限元分析方法的基本思想就是對(duì)結(jié)構(gòu)的離散化，通過(guò)將連續(xù)的結(jié)構(gòu)劃分為有限個(gè)離散的單元，并對(duì)這些單元設(shè)定有限個(gè)節(jié)點(diǎn)，從而得到一個(gè)只在節(jié)點(diǎn)處相連的單元集合體，將連續(xù)的無(wú)限個(gè)自由度問(wèn)題轉(zhuǎn)化為有限個(gè)單元的自由度問(wèn)題。

圖3 鋼平臺(tái)與主體結(jié)構(gòu)連接示意

圖4 組合鋼梁平臺(tái)側(cè)視圖（立面圖）

3.1.1 ?結(jié)構(gòu)的離散

所謂離散化就是將連續(xù)的結(jié)構(gòu)劃分為有限個(gè)單元，并在單元的指定點(diǎn)上設(shè)置節(jié)點(diǎn)，從而使得相鄰單元的參數(shù)可以具有一定的連續(xù)性，以形成有限單元網(wǎng)格。這樣，連續(xù)的結(jié)構(gòu)就被離散為只在節(jié)點(diǎn)處連接的有限個(gè)單元。所劃分單元的大小和數(shù)目直接影響到計(jì)算的精度和速度。

3.1.2 ?有限元法的收斂性

有限元法是一種數(shù)值分析方法，因此應(yīng)考慮收斂性問(wèn)題。所謂的收斂性是指：當(dāng)網(wǎng)格逐漸加密時(shí)，有限元解答的序列收斂到精確解；或者當(dāng)單元尺寸固定時(shí)，每個(gè)單元的自由度數(shù)越多，有限元的解答就越趨近于精確解。

3.1.3 ?實(shí)際應(yīng)用的平衡點(diǎn)

在求解時(shí)，單元的幾何形狀是靈活多變的，因此可以方便地模擬和逼近復(fù)雜求解區(qū)域?？梢钥闯?，只要選用合適的插值函數(shù)，當(dāng)單元的數(shù)目滿(mǎn)足要求時(shí)，求解精度將不斷提高并趨近于精確解。

但是在實(shí)際求解過(guò)程中，如果單元的數(shù)目不斷增多，計(jì)算機(jī)的運(yùn)行時(shí)間也會(huì)大大增加，顯然是不實(shí)用的。因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，計(jì)算所需的精度只要滿(mǎn)足需要就行了。在有限元分析方法中的一個(gè)基本原則就是在分析精度與分析時(shí)間上找到一個(gè)最佳平衡點(diǎn)[1-2]。

3.2 模型建立

鋼平臺(tái)模型（圖5）采用Midas/Gen結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行建立。模型各構(gòu)件根據(jù)上述設(shè)計(jì)中所給出尺寸進(jìn)行模擬，各鋼梁間為焊接連接，采用剛接模擬（即Dx，Dy，Dz，Rx，Ry，Rz全部約束）。并將鋼梁等大小劃分為有限個(gè)單元，保證主要受力構(gòu)件更準(zhǔn)確地模擬和逼近復(fù)雜求解區(qū)域，獲得更高的分析精度（圖6）。

圖5 鋼平臺(tái)示意

圖6 Midas/Gen模型示意

3.3 邊界條件

外約束條件：16#工字鋼斜拉桿及30#工字鋼與主體結(jié)構(gòu)通過(guò)預(yù)埋牛腿焊接，Midas模型此處采用剛接邊界條件形式模擬計(jì)算。5根20#工字鋼與主體結(jié)構(gòu)搭接處通過(guò)預(yù)埋鋼筋錨環(huán)加固，Midas模型此處采用鉸接邊界條件（圖7）形式模擬計(jì)算（即約束Dx，Dy，Dz，釋放Rx，Ry，Rz）。

圖7 Midas模型邊界條件示意

3.4 荷載參數(shù)

3.4.1 ?結(jié)構(gòu)自重

鋼材均采用Q235，各鋼梁以及腳手架鋼管的自重通過(guò)正確選取材料參數(shù)，建模建立材料特性，自重荷載作用由Midas軟件在計(jì)算分析過(guò)程中自動(dòng)考慮。

3.4.2 ?外部荷載

模板排架、立柱扣件所傳遞的豎向荷載。扣件質(zhì)量以13.2 N節(jié)點(diǎn)荷載添加于相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處（圖8）；結(jié)構(gòu)梁質(zhì)量及施工荷載簡(jiǎn)化為節(jié)點(diǎn)荷載14 kN（作用于梁底11根立桿），厚120 mm混凝土板通過(guò)選取正確材料，產(chǎn)生自重。

圖8 節(jié)點(diǎn)荷載（13.2N）示意

3.4.3 ?荷載組合

根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，本次計(jì)算荷載組合恒載分項(xiàng)系數(shù)為1.2，活載組合分項(xiàng)系數(shù)為1.4，組合公式：自重×1.2＋點(diǎn)荷載×1.4。

3.5 運(yùn)行分析

通過(guò)Midas/Gen軟件對(duì)模型整體結(jié)構(gòu)在靜力荷載組合工況下進(jìn)行線(xiàn)性分析。

3.6 分析結(jié)果

模型中梁?jiǎn)卧畲髴?yīng)力為148.4 MPa（圖9）。

Q235鋼材抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)f=215 MPa。 梁?jiǎn)卧畲髴?yīng)力為148.4 MPa＜鋼材允許應(yīng)力215 MPa，滿(mǎn)足要求。

鋼平臺(tái)最大撓度為10.89 mm（圖10），滿(mǎn)足規(guī)范＜1/250跨度，及蒂森電梯試驗(yàn)塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

圖9 梁?jiǎn)卧獞?yīng)力等值線(xiàn)

圖10 鋼平臺(tái)位移等值線(xiàn)

計(jì)算結(jié)果顯示，鋼平臺(tái)支撐體系滿(mǎn)足施工所需的強(qiáng)度和變形要求。

4 連接節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算

20#工字鋼與結(jié)構(gòu)搭接處預(yù)埋錨環(huán)為構(gòu)造措施，滿(mǎn)足規(guī)范要求，此處不作驗(yàn)算。

4.1 焊縫強(qiáng)度驗(yàn)算

焊縫強(qiáng)度驗(yàn)算包括：30#工字鋼與預(yù)埋件的焊縫計(jì)算、16#斜拉工字鋼與埋件部位焊縫計(jì)算、16#斜拉工字鋼與30#主鋼梁部位焊縫計(jì)算，焊縫均采用6 mm雙面直角焊縫。經(jīng)計(jì)算，焊縫強(qiáng)度均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4.2 預(yù)埋件強(qiáng)度驗(yàn)算

按照GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》埋件錨固相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，預(yù)埋件強(qiáng)度及錨固長(zhǎng)度均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

懸挑結(jié)構(gòu)在高層建筑工程中的應(yīng)用逐漸普遍，但此類(lèi)結(jié)構(gòu)施工有著一定的風(fēng)險(xiǎn)。因此，為了保證工程順利施工，須采取科學(xué)合理的施工技術(shù)，嚴(yán)格把控懸挑結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量及施工安全。本文結(jié)合背景工程中山蒂森電梯試驗(yàn)塔項(xiàng)目，針對(duì)高層建筑懸挑結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)展開(kāi)了探討，建立Midas模型，利用有限元軟件進(jìn)行施工模擬分析，進(jìn)行精密求解，結(jié)果表明該支撐平臺(tái)變形、應(yīng)力均滿(mǎn)足要求，安全可靠，并在實(shí)際施工中得到證實(shí)。