連續(xù)懸挑混凝土結(jié)構(gòu)支撐平臺力學(xué)性能研究與應(yīng)用*

張 新，韓 碩，周廣昊，劉天宇

(1.山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院, 山東，濟南 250101； 2.中建八局第一建設(shè)有限公司，山東，濟南 250100)

0 引言

隨著我國建筑使用功能的不斷提升，建筑的個性化和多樣化不斷得到設(shè)計師的關(guān)注。近年來高層建筑中的懸挑結(jié)構(gòu)越來越多，其中懸挑混凝土結(jié)構(gòu)施工中的支撐體系設(shè)計和研究至關(guān)重要。國內(nèi)外對不同懸挑結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)研究較多，如張顯剛等[1]以北京光彩中心懸挑跨度8.7m、最大懸挑長度7m的大跨度圓弧形懸挑梁板結(jié)構(gòu)為研究背景，采用角鋼斜拉桿固定懸挑型鋼梁形成支撐平臺，對施工難點和關(guān)鍵施工工藝進行總結(jié)；彭輝等[2]依托某水文氣象環(huán)境綜合監(jiān)測臺懸挑長度4.7m的混凝土板工程，采用鋼桁架支撐平臺，結(jié)合ABAQUS有限元軟件分析支撐平臺對主體結(jié)構(gòu)的影響并總結(jié)支撐平臺安裝工藝；舒文超等[3]基于昆山市某酒店式公寓工程，該公寓沿建筑頂層四周設(shè)置懸挑長度3.0m的混凝土構(gòu)架，采用懸挑槽鋼，結(jié)合槽鋼斜撐作為支撐平臺并對支撐體系各構(gòu)件進行理論計算；胡長明等[4]基于某工程懸挑長度3m的斜屋面懸挑板，采用斜拉式懸挑型鋼支撐平臺，結(jié)合ANSYS有限元軟件建立支撐體系模型并與實測數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果表明，架體穩(wěn)定性驗算需考慮節(jié)點半剛性連接和廣義初始缺陷；房連生等[5]從剪力墻外墻懸挑板模板搭設(shè)入手，研究定制型鋼三角架與可調(diào)節(jié)豎向支撐相結(jié)合的模板支撐平臺，對其原理和施工工藝進行總結(jié)；彭林海等[6]依托珠海橫琴某大廈工程，工程結(jié)構(gòu)為“樹形”并形成多層次的高空懸挑混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)最大懸挑長度為13.2m，采用建筑內(nèi)部斜撐支護和鋼桁架施工支撐平臺，結(jié)合性能設(shè)計及多道防線驗算研究結(jié)構(gòu)在地震作用下的損傷情況；鄧穗等[7]基于廣州白云區(qū)商住建筑跨度14.1m的多層懸空結(jié)構(gòu)，采用型鋼梁平臺模板支撐體系，并對其設(shè)計和施工工藝進行研究總結(jié)；Mohamed等[8]采用工字型鋼構(gòu)成三角鋼桁架作為懸挑梁板模板的支撐平臺，結(jié)合SAP2000有限元軟件對4種尺寸的鋼桁架平臺進行分析對比，并將受力變形結(jié)果代入驗證理論公式；Christoph等[9]結(jié)合德國柏林車站中轉(zhuǎn)站對稱細長懸挑混凝土屋頂工程，屋頂采用高強輕質(zhì)混凝土與不銹鋼，并采用鋼支架支承屋面外邊緣各點。

綜上所述，針對高空非承重混凝土造型結(jié)構(gòu)梁板，常采用懸挑型鋼或定制型鋼架作為支撐平臺；針對異形和大跨度懸挑結(jié)構(gòu)，常采用懸挑型鋼、鋼桁架作為支撐平臺。雖然目前國內(nèi)外對懸挑結(jié)構(gòu)支撐平臺的研究較多，但主要集中于懸挑長度和跨度較大的梁板結(jié)構(gòu)及異形懸挑結(jié)構(gòu)對應(yīng)的施工支撐平臺，對連續(xù)懸挑混凝土結(jié)構(gòu)支撐平臺的選型和受力變形特點研究則較少。本文以濟南歷下總部商務(wù)中心C塔5層連續(xù)懸挑混凝土結(jié)構(gòu)支撐平臺為研究背景，經(jīng)過方案比選提出最佳支撐平臺設(shè)計方案，利用ANSYS有限元軟件對支撐平臺主應(yīng)力與豎向位移進行模擬分析，并在現(xiàn)場對支撐平臺豎向位移進行實測，后期將模擬分析結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比。研究成果將為連續(xù)懸挑混凝土結(jié)構(gòu)支撐平臺力學(xué)性能研究與實踐提供借鑒。

1 混凝土懸挑結(jié)構(gòu)支撐體系

1.1 混凝土懸挑結(jié)構(gòu)支撐體系分類

根據(jù)混凝土懸挑結(jié)構(gòu)的施工條件與結(jié)構(gòu)特點，可將其支撐體系分為落地式支撐體系、純懸挑支撐體系及組合式懸挑支撐體系。

1.1.1落地式支撐體系

混凝土懸挑結(jié)構(gòu)距下部持力層高度不高(≤50m)時，可采用落地式支撐體系。從持力層開始向上搭設(shè)支撐架，支撐架根據(jù)懸挑結(jié)構(gòu)高度及自重可采取扣件式、碗扣式、盤扣式等鋼管支撐架或型鋼支撐架。懸挑結(jié)構(gòu)荷載通過支撐架傳遞給持力層(見圖1)。

圖1 落地式支撐體系

1.1.2純懸挑支撐體系

混凝土懸挑結(jié)構(gòu)距下部持力層較高、懸挑尺寸不大且荷載較小時，可采用純懸挑支撐體系。在懸挑結(jié)構(gòu)下1層樓板上以一定間距布置懸挑梁，懸挑梁可選用槽鋼、工字鋼、H型鋼或貝雷架等，懸挑梁伸入樓板的部分通過預(yù)埋的U形螺栓與樓板連接固定。懸挑梁向上搭設(shè)支撐架，懸挑結(jié)構(gòu)荷載通過支撐架傳遞給懸挑梁，再經(jīng)懸挑梁傳遞給結(jié)構(gòu)樓板(見圖2)。

圖2 純懸挑支撐體系

1.1.3組合式懸挑支撐體系

混凝土懸挑結(jié)構(gòu)距下部持力層較高、懸挑尺寸較大或荷載較大時，可采用組合式懸挑支撐體系。組合式懸挑支撐體系中的懸挑梁與純懸挑支撐體系中的懸挑梁相同。根據(jù)傳力方式不同，組合式懸挑支撐體系分為斜拉式懸挑支撐體系和下?lián)问綉姨糁误w系。

1)斜拉式懸挑支撐體系 根據(jù)懸挑結(jié)構(gòu)長度，在懸挑梁上設(shè)置1道或多道斜拉桿，斜拉桿采用鋼筋、鋼管、角鋼或槽鋼(不能采用鋼絲繩)，斜拉桿上部與上層結(jié)構(gòu)邊梁連接。懸挑結(jié)構(gòu)荷載向下傳遞到懸挑梁，再由斜拉桿和結(jié)構(gòu)樓板共同承受(見圖3)。

圖3 斜拉式支撐體系

2)下?lián)问綉姨糁误w系 懸挑梁下部設(shè)置斜撐桿，斜撐桿采用鋼管、角鋼、槽鋼、工字鋼或H型鋼等，斜撐桿下部與下層結(jié)構(gòu)邊梁連接。懸挑結(jié)構(gòu)荷載向下傳遞到懸挑梁后，由斜撐桿和樓板結(jié)構(gòu)共同承受。為保證斜撐桿的穩(wěn)定性，一般需設(shè)置縱向和斜向連接桿件(見圖4)。

圖4 下?lián)问街误w系

1.2 混凝土懸挑結(jié)構(gòu)支撐體系對比

針對落地式、純懸挑及組合式3類支撐體系，從設(shè)計、安拆難度、施工周期、施工成本等方面對比各自優(yōu)缺點(見表1)。

表1 支撐類型比選

2 工程概況

濟南歷下總部商務(wù)中心C塔建筑高度73.6m，在建筑西立面標(biāo)高48.800m，第11～15層處存在懸挑長度4.2m的連續(xù)懸挑混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)層高3.9m。懸挑區(qū)域主梁尺寸為400mm×800mm，次梁尺寸為300mm×800mm與200mm×800mm，懸挑板厚250mm(見圖5)。

圖5 懸挑結(jié)構(gòu)剖面

3 混凝土懸挑結(jié)構(gòu)支撐體系設(shè)計

3.1 混凝土懸挑結(jié)構(gòu)施工方案比選

3.1.1懸挑支撐體系方案比選

1)方案1 采取下?lián)问綉姨糁误w系方案，懸挑梁通過預(yù)埋的U形螺栓與主體結(jié)構(gòu)10層梁板固定；懸挑梁下部設(shè)置1道斜撐桿與9層邊梁焊接固定，支撐平臺施工完成后在其上方搭設(shè)扣件式支撐架至11層懸挑結(jié)構(gòu)。該方案荷載經(jīng)懸挑梁與下?lián)谓Y(jié)構(gòu)傳遞，由9層和10層結(jié)構(gòu)梁板共同承受，但需在斜撐桿處設(shè)置斜向與豎向連系桿，構(gòu)件連接工作較多。

2)方案2 采取斜拉式懸挑支撐體系方案，懸挑梁通過預(yù)埋的U形螺栓與主體結(jié)構(gòu)9層梁板固定。斜拉桿件設(shè)置在距懸挑梁端部一定距離處并與10層邊梁固定，后期支撐架的搭設(shè)與方案1相同。該方案荷載經(jīng)懸挑梁與斜拉桿傳遞，由9層和10層結(jié)構(gòu)梁板共同承受且平臺構(gòu)造簡單，施工難度較低。

經(jīng)方案比選，方案2充分利用斜拉桿件的抗拉性能并在高空作業(yè)環(huán)境下簡化設(shè)計安拆工序與傳力路徑，減少材料用量，因此采取方案2更加切實可行。

3.1.2混凝土結(jié)構(gòu)施工方案比選

1)方案1 懸挑結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)同時施工。兩部分結(jié)構(gòu)同步施工，無須設(shè)置施工縫。由于施工周期較短，作為傳力路徑的斜拉桿件與主體結(jié)構(gòu)連接處混凝土無法保證達到設(shè)計強度。

2)方案2 懸挑結(jié)構(gòu)滯后于主體結(jié)構(gòu)施工。先施工主體結(jié)構(gòu)，待其達到設(shè)計強度后再施工懸挑結(jié)構(gòu)。懸挑結(jié)構(gòu)施工周期拉長，不僅為斜拉桿錨固處混凝土達到設(shè)計強度留出時間，先期施工的懸挑結(jié)構(gòu)還可分擔(dān)上部懸挑結(jié)構(gòu)施工荷載。該方案需在懸挑結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)間留置施工縫。

經(jīng)方案比選，方案2在施工安全方面有較大優(yōu)勢，懸挑結(jié)構(gòu)荷載由懸挑結(jié)構(gòu)自身與支撐平臺共同承受，充分利用懸挑結(jié)構(gòu)自身承載力，有效降低荷載對支撐平臺的不利影響，因此采取方案2更加安全可行，2種方案對比如圖6所示。

圖6 混凝土結(jié)構(gòu)施工方案對比

3.2 混凝土懸挑結(jié)構(gòu)支撐體系設(shè)計

1)懸挑鋼平臺由主懸挑梁和分配梁組成，分配梁布置在懸挑梁頂面并與其垂直，通過直徑18mm U形螺栓固定。懸挑梁和分配梁間距與上方支撐架體相應(yīng)方向保持一致。懸挑梁布置在9層結(jié)構(gòu)上，懸挑長度5.3m，伸入樓板長度6.7m，采用U形螺栓與主體結(jié)構(gòu)梁板固定。

2)距懸挑梁端部1.3m處設(shè)置1道雙角鋼作為斜拉桿，斜拉桿下部與主梁連接、上部與10層混凝土結(jié)構(gòu)邊梁連接，均采取銷軸連接，銷軸直徑50mm。

3)模板支撐架在分配梁上部搭設(shè)，架體最大搭設(shè)高度7.8m，水平間距同主懸挑型鋼梁保持一致為1m，步距1.5m，懸挑鋼平臺三維效果及剖面如圖7，8所示，構(gòu)件型號如表2所示。

圖7 懸挑鋼平臺三維效果

圖8 支撐體系剖面

表2 構(gòu)件尺寸

4 混凝土懸挑結(jié)構(gòu)支撐平臺數(shù)值分析

4.1 研究方法

采用ANSYS模擬分析，并且結(jié)合工程實際截取部分懸挑鋼平臺和懸挑結(jié)構(gòu)作為計算模型。在荷載布置方式上，將懸挑結(jié)構(gòu)1層荷載布置在懸挑鋼平臺上，懸挑結(jié)構(gòu)2層荷載布置在1層懸挑結(jié)構(gòu)上，上部結(jié)構(gòu)荷載布置方式與此相同。通過連續(xù)加載分析懸挑結(jié)構(gòu)第11～15層施工過程中，懸挑鋼平臺的豎向位移和應(yīng)力變化趨勢與規(guī)律。

4.2 荷載選取

根據(jù)GB 50666—2011《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》、JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》、JGJ 130—2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》等相關(guān)規(guī)定取值。樓板厚度按250mm計算，梁高度按800mm計算(見表3)。

表3 荷載取值

由《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》中第4.3.6條、GB 50068—2018《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》中第8.2.8條、第8.2.9條確定模板及支架的荷載設(shè)計值。

(1)

由式(1)計算可得以下結(jié)果。

搭設(shè)高度7.8m荷載效應(yīng)值：

SG梁=0.85+1.27+19.2+1.2=22.52kN/m2

SG板=0.85+1.27+6+0.275=8.395kN/m2

SQ=1+2+2=5kN/m2

搭設(shè)高度7.8m荷載設(shè)計值：

q梁=1.1×(1.3×22.52+1.5×5)=40.45kN/m2

q板=1.1×(1.3×8.395+1.5×5)=20.25kN/m2

搭設(shè)高度3.9m荷載效應(yīng)值：

SG梁=0.85+0.64+19.2+1.2=21.89kN/m2

SG板=0.85+0.64+6+0.275=7.765kN/m2

SQ=1+2+2=5kN/m2

搭設(shè)高度3.9m荷載設(shè)計值：

q梁=1.1×(1.3×21.89+1.5×5)=39.55kN/m2

q板=1.1×(1.3×7.765+1.5×5)=19.35kN/m2

計算簡圖如圖9所示，其中q1表示第1層懸挑板的施工荷載(包含施工恒荷載和活荷載)，其余符號含義與其相同。

圖9 受力計算簡圖

4.3 模型建立

本模型屬于組合式懸挑支撐體系斜拉式懸挑鋼平臺，選取部分跨度4m的懸挑鋼平臺及其對應(yīng)上部連續(xù)懸挑混凝土結(jié)構(gòu)，采用ANSYS軟件模擬懸挑結(jié)構(gòu)施工到不同層時懸挑鋼平臺的豎向位移和應(yīng)力變化情況。分析過程中懸挑鋼平臺和支撐架體采用solid185單元，懸挑混凝土結(jié)構(gòu)采用solid65單元，網(wǎng)格采用映射劃分，模型單元各方向尺寸均為0.05m。網(wǎng)格劃分模型如圖10所示，懸挑結(jié)構(gòu)逐層施工，數(shù)值分析過程中采用連續(xù)加載法模擬懸挑鋼平臺的豎向位移和應(yīng)力變化。

圖10 實體模型與網(wǎng)格劃分

4.4 結(jié)果分析

具體工況劃分為：工況1～5對應(yīng)第11～15層懸挑結(jié)構(gòu)底板混凝土澆筑，工況6對應(yīng)第15層懸挑結(jié)構(gòu)頂板混凝土澆筑。

4.4.1豎向位移結(jié)果分析

采用有限元軟件ANSYS對6種工況豎向位移進行模擬(見圖11)。懸挑鋼平臺最大豎向位移計算結(jié)果如表4所示。

表4 豎向位移計算結(jié)果 mm

圖11 豎向位移云圖(單位：m)

由圖11分析可知，隨著懸挑結(jié)構(gòu)的層數(shù)增加，懸挑鋼平臺的最不利豎向位移也逐漸增大，最大豎向位移出現(xiàn)在工況6，位于平臺中間懸挑梁并距懸挑端2.64m處，位移為4.578mm，<1/400跨度，符合規(guī)范要求。

隨著懸挑結(jié)構(gòu)混凝土達到設(shè)計強度，懸挑結(jié)構(gòu)自身可承受豎向荷載，因此各工況下的最大豎向位移逐漸增大，但其相對位移逐漸減小，豎向位移的變化幅度逐漸降低，符合連續(xù)懸挑混凝土結(jié)構(gòu)豎向位移變化規(guī)律。

4.4.2應(yīng)力結(jié)果分析

采用有限元軟件ANSYS對6種工況應(yīng)力進行模擬，選取工況1和工況6的第一主應(yīng)力云圖(見圖12)。懸挑鋼平臺最大第一主應(yīng)力計算結(jié)果如表5所示。

表5 最大第一主應(yīng)力計算結(jié)果 MPa

圖12 第一主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

由第一主應(yīng)力云圖分析可知，隨著懸挑結(jié)構(gòu)的層數(shù)增加，懸挑鋼平臺的最大主應(yīng)力值逐漸增大，最不利主應(yīng)力出現(xiàn)在工況6為179MPa<205MPa，符合規(guī)范要求。各工況下最大主應(yīng)力出現(xiàn)位置均為斜拉角鋼與懸挑型鋼梁接合處，其原因為豎向荷載需經(jīng)斜拉角鋼傳遞至主體結(jié)構(gòu)梁板共同承受，接合處出現(xiàn)應(yīng)力集中。

其變化趨勢與豎向位移相同，隨著懸挑結(jié)構(gòu)混凝土強度達到設(shè)計要求，懸挑結(jié)構(gòu)自身可承受豎向荷載，因此在懸挑鋼平臺的變化規(guī)律上，各工況下主應(yīng)力最大值的相對差值逐漸減小，變化幅度明顯放緩，符合連續(xù)懸挑混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)傳遞規(guī)律。

5 現(xiàn)場實測

5.1 監(jiān)測點布置

考慮到懸挑結(jié)構(gòu)不同構(gòu)件對懸挑鋼平臺的影響，在布設(shè)監(jiān)測點時應(yīng)同時考慮懸挑結(jié)構(gòu)板下和梁下懸挑鋼平臺的豎向位移值。監(jiān)測點D1，D3，D5，D7主要反映懸挑結(jié)構(gòu)最外側(cè)梁下懸挑鋼平臺的豎向位移情況；監(jiān)測點D2，D4，D6，D8布置在懸挑段中部，主要反映懸挑結(jié)構(gòu)板下懸挑鋼平臺的豎向位移情況，具體監(jiān)測點布設(shè)如圖13所示。

圖13 監(jiān)測點平面布置

5.2 實測數(shù)據(jù)

本項目采用精確水準(zhǔn)儀進行測量，其精度可達0.1mm，在每層懸挑結(jié)構(gòu)混凝土達到設(shè)計強度后測得相對標(biāo)高，相對標(biāo)高與初始值的差值即為本層的豎向位移值，本層與下層相對標(biāo)高的差值即為本層相對位移(見表6)。

表6 監(jiān)測點實測值 mm

監(jiān)測點D1～D8實測值如圖14所示。

由圖14分析可知：

圖14 豎向位移實測值

1)梁下測點豎向位移 在梁下D1，D3，D5，D7測點中，最大豎向位移值出現(xiàn)在工況6下的D5測點為3mm。

2)板下測點豎向位移 在板下D2，D4，D6，D8測點中，最大豎向位移值出現(xiàn)在工況6下的D6測點為4.4mm。

3)各測點豎向位移值均<1/400跨度(10mm)，符合規(guī)范要求。梁下懸挑鋼平臺豎向位移值均明顯小于板下懸挑鋼平臺的豎向位移值，其原因在于斜拉桿的設(shè)置點正位于梁下鋼平臺處，有效限制了鋼平臺變形。

4)結(jié)合豎向位移實測值的變化曲線分析，各測點的豎向位移值均隨著懸挑混凝土結(jié)構(gòu)的層數(shù)增多而逐漸增大，但因懸挑結(jié)構(gòu)混凝土強度逐漸達到設(shè)計要求，懸挑結(jié)構(gòu)自身可承受大部分豎向荷載，所以各層間相對位移均小于或等于前一層間相對位移值，增長趨勢整體放緩，豎向位移值變化幅度逐漸減小。

6 現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對比分析

懸挑鋼平臺豎向位移模擬值與現(xiàn)場實測值對比如圖15所示。

圖15 豎向位移實測與模擬值對比

由圖15分析可知：

1)懸挑鋼平臺豎向位移模擬與實測最大值分別為4.578，4.4mm，兩者均出現(xiàn)在工況6且數(shù)值大小基本一致。

2)實測值通過梁下與板下對比，較大豎向位移均出現(xiàn)在板下區(qū)域的主型鋼懸挑段跨中位置，與模擬值最大值位置相吻合。

3)豎向位移數(shù)值分析結(jié)果均高于實測結(jié)果，其原因為數(shù)值模擬的結(jié)果是根據(jù)規(guī)范考慮荷載分項系數(shù)的情況下進行連續(xù)加載求得，導(dǎo)致模擬值與實測值出現(xiàn)一定偏差。

4)模擬值與實測值均隨著懸挑結(jié)構(gòu)層數(shù)增加逐漸增大，相對位移逐漸減小或保持不變，變化趨勢整體放緩，變化幅度逐步減小，兩者豎向位移變化規(guī)律基本一致。

7 結(jié)語

連續(xù)懸挑混凝土結(jié)構(gòu)的懸挑鋼平臺，因其上部懸挑結(jié)構(gòu)施工方式與荷載傳遞的特殊性，導(dǎo)致懸挑鋼平臺的力學(xué)性能與傳統(tǒng)懸挑結(jié)構(gòu)支撐平臺不同。本文通過分析懸挑結(jié)構(gòu)支撐體系并結(jié)合實際工程對連續(xù)懸挑混凝土結(jié)構(gòu)的施工方式與懸挑支撐平臺進行方案比選，后期結(jié)合所選方案采用ANSYS軟件對連續(xù)懸挑混凝土結(jié)構(gòu)逐層施工工況下懸挑鋼平臺的主應(yīng)力與豎向位移進行模擬分析，結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析懸挑鋼平臺豎向位移的變化特點和規(guī)律。結(jié)果表明，各工況下最不利主應(yīng)力與豎向位移在不超過規(guī)范限值的情況下逐漸增大且變化幅度逐漸減小，現(xiàn)場實測與模擬結(jié)果吻合度較高。