張 新,張 宇,余金兵

(1.山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250101; 2.中冶(上海)鋼結(jié)構(gòu)科技有限公司,上海 200941)

0 引言

綜上所述,高空滑移法施工中常見(jiàn)的是滑移軌道與框架梁在同一條直線上,對(duì)于軌道與框架梁偏斜情況主要采取設(shè)置臨時(shí)支撐胎架的方法,采取牛腿支承的方法研究較少。本文以濟(jì)南融創(chuàng)茂海洋樂(lè)園鋼結(jié)構(gòu)屋蓋高空滑移施工為研究背景,滑軌與框架梁局部偏斜情況下,對(duì)牛腿支承和胎架支承2種方式進(jìn)行了分析對(duì)比,采用ANSYS有限元軟件數(shù)值模擬了型鋼牛腿在施工中的力學(xué)性能變化并進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用,應(yīng)用結(jié)果可為類似工程提供一定的借鑒和參考。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

濟(jì)南融創(chuàng)茂海洋樂(lè)園位于濟(jì)南市歷城區(qū),南臨經(jīng)十路,東臨鳳鳴路,是濟(jì)南市歷城區(qū)重要的娛樂(lè)、休閑場(chǎng)所。海洋樂(lè)園鋼屋蓋為平面圓管桁架和倒三角管桁架拼裝而成的空間桁架結(jié)構(gòu),重約2 600t,平面為不規(guī)則五邊形。建筑內(nèi)部需進(jìn)行其他平行施工的土建作業(yè),結(jié)合鋼屋蓋的平面形狀,如圖1所示,將鋼屋蓋安裝分成2個(gè)同步施工的作業(yè)區(qū):累積滑移區(qū)和分段吊裝區(qū)。累積滑移區(qū)鋼屋蓋主桁架(南北向)最大跨度75.3m,次桁架(東西向)最大跨度42m,桁架上、下弦桿中心線距離為3.7～7.2m,主、次桁架通過(guò)剛性系桿連接成整體。

圖1 海洋樂(lè)園屋面鋼結(jié)構(gòu)示意

海洋樂(lè)園建筑結(jié)構(gòu)為地上3層、地下1層,主體為混凝土框架結(jié)構(gòu)體系,混凝土梁、柱在建筑四周形成閉合的外排架,建筑內(nèi)部設(shè)置3根鋼柱。⑩軸線混凝土框架梁的中軸線不在同一直線上,如圖2所示位置處框架梁開(kāi)始偏斜,柱中軸線偏斜距離為1 700mm?；栖壍捞幗Y(jié)構(gòu)梁截面尺寸為400mm×1 500mm, 框架柱截面尺寸為1 400mm×1 600mm。

圖2 ⑩軸線結(jié)構(gòu)梁偏斜平面示意

1.2 滑移軌道設(shè)置

滑移軌道在整個(gè)滑移過(guò)程中主要起到承受上部荷載、引導(dǎo)滑移頂推方向、約束橫向位移的作用,因此滑移軌道的合理設(shè)置是滑移工作順利進(jìn)行的重要因素。建筑既有混凝土框架結(jié)構(gòu)宜選擇為滑移軌道支撐結(jié)構(gòu),因此在東、西側(cè)⑩軸、①軸兩軸線混凝土結(jié)構(gòu)上各設(shè)置1條滑移軌道。海洋樂(lè)園鋼屋蓋東西方向框架柱間距為151.7m,如果僅在①軸、⑩軸兩側(cè)設(shè)置滑移軌道,由于鋼桁架跨度太大,會(huì)導(dǎo)致兩側(cè)頂推力較大,且跨中鋼桁架撓度變形過(guò)大。在靠近跨中⑥軸線處搭設(shè)臨時(shí)支撐胎架設(shè)置1條中間滑移軌道,由此減少兩側(cè)的頂推力和跨中撓度變形,滑移軌道平面布置如圖3所示。①軸線滑移軌道與⑥軸線滑移軌道間距為80.4m,⑩軸線滑移軌道與⑥軸線滑移軌道間距為70.7m。東側(cè)⑩軸線在,軸線間發(fā)生偏斜,偏斜水平距離1.7m。

圖3 滑移區(qū)滑移軌道平面布置

2 偏斜位置軌道支座方案比選

2.1 設(shè)計(jì)思路

滑移軌道與混凝土結(jié)構(gòu)梁偏斜情況下,目前多采用在偏斜位置滑移軌道梁下設(shè)置臨時(shí)支撐胎架作為滑移軌道支座。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況提出第2種做法,利用既有框架柱設(shè)置側(cè)向牛腿作為滑軌的支撐結(jié)構(gòu),牛腿可采用型鋼牛腿和混凝土牛腿2種支座形式。

2.2 滑移軌道支座方案比選

2.2.1側(cè)向型鋼牛腿支座

采用柱側(cè)型鋼牛腿作為滑移軌道的支撐結(jié)構(gòu)?；栖壍乐С性谛弯撆Ｍ壬?從而使其位于同一直線。牛腿由型鋼焊接而成,通過(guò)預(yù)埋件與混凝土框架柱連接固定,荷載由鋼牛腿傳遞至混凝土框架柱,如圖4所示。

圖4 側(cè)向型鋼牛腿支座示意

2.2.2側(cè)向混凝土牛腿支座

采用柱側(cè)混凝土牛腿作為滑移軌道的支撐結(jié)構(gòu)。框架柱設(shè)計(jì)成牛腿柱,滑移軌道支撐在混凝土牛腿上(見(jiàn)圖5)?；炷僚Ｍ仍诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)即作為結(jié)構(gòu)的一部分進(jìn)行考慮,施工時(shí)牛腿與框架柱一起施工。鋼結(jié)構(gòu)施工完成后,牛腿作為結(jié)構(gòu)的永久部分需考慮建筑的美觀和使用功能不受影響。

圖5 側(cè)向混凝土牛腿支座示意

2.2.3型鋼臨時(shí)支撐胎架

舍棄既有混凝土框架結(jié)構(gòu)作為滑移軌道的支撐結(jié)構(gòu),另選位置搭設(shè)支撐胎架,利用支撐胎架承受滑移荷載,支撐胎架如圖6所示。

圖6 型鋼臨時(shí)支撐胎架示意

型鋼牛腿和臨時(shí)支撐胎架屬于臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu),施工完成后可拆除,安拆方便,混凝土牛腿屬于結(jié)構(gòu)一部分,需在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行考慮,施工完成后拆除困難;型鋼牛腿的安拆無(wú)需大量勞動(dòng)力資源,而支撐胎架安拆和混凝土牛腿安裝需大量勞動(dòng)力;型鋼牛腿和混凝土牛腿依靠與混凝土框架柱連接點(diǎn)的抗剪、抗彎能力承受施工荷載,對(duì)節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量要求高,支撐胎架依靠自身抗壓能力承受施工荷載,對(duì)拼裝桿件的質(zhì)量要求高;型鋼牛腿和混凝土牛腿占用施工場(chǎng)地較小,而支撐胎架需占據(jù)較大施工場(chǎng)地,影響其他施工作業(yè)。綜合3種滑移軌道支撐結(jié)構(gòu)特點(diǎn),結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn),得出其優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比,如表1所示。

融創(chuàng)茂海洋樂(lè)園下部有地下室結(jié)構(gòu),搭設(shè)臨時(shí)支撐胎架需對(duì)地下室結(jié)構(gòu)頂板進(jìn)行加固,且施工工期較長(zhǎng)。采用混凝土牛腿,由于偏斜距離為1.7m,混凝土牛腿尺寸過(guò)大,且后期影響建筑使用功能。綜合考慮選用型鋼牛腿支座作為滑移軌道的支撐結(jié)構(gòu)。

3 型鋼牛腿支座設(shè)計(jì)及計(jì)算

3.1 型鋼牛腿支座設(shè)計(jì)

型鋼牛腿設(shè)計(jì)包括牛腿設(shè)計(jì)和預(yù)埋件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。型鋼牛腿由牛腿和預(yù)埋件2部分構(gòu)成,牛腿采用雙肢型鋼牛腿,具體設(shè)計(jì)如下。

1)雙肢型鋼牛腿設(shè)計(jì) 牛腿長(zhǎng)1 700mm、寬 1 400mm、 高2 100mm。每個(gè)單肢牛腿內(nèi)豎向設(shè)置型鋼剪刀撐,增強(qiáng)牛腿的豎向剛度。2個(gè)單肢牛腿上、下翼緣平面內(nèi)設(shè)置3道水平型鋼連梁,增強(qiáng)牛腿水平方向剛度。每個(gè)單肢牛腿底部設(shè)置斜撐,斜撐水平夾角為45°。雙肢牛腿所有型鋼連接均為焊接,所用材料均為Q355B材質(zhì)HW300×300型鋼,如圖7所示。

圖7 型鋼牛腿設(shè)計(jì)

2)預(yù)埋件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 預(yù)埋件節(jié)點(diǎn)包括預(yù)埋鋼筋和鋼板2部分。預(yù)埋件采用直徑為20mm的HRB400鋼筋,牛腿上弦型鋼預(yù)埋件錨固深度為480mm,下弦型鋼與底部斜撐預(yù)埋件錨固深度為350mm。為了保證上弦型鋼預(yù)埋件處有足夠的抗拉強(qiáng)度,該處設(shè)置4排×4列預(yù)埋鋼筋;下弦型鋼預(yù)埋件主要承受壓力,設(shè)置4排×3列預(yù)埋鋼筋;底部斜撐作為構(gòu)造穩(wěn)固措施,設(shè)置3排×3列預(yù)埋鋼筋。預(yù)埋件一端與框架柱內(nèi)部鋼筋焊接,另一端與預(yù)埋鋼板焊接,焊腳高度為8mm。牛腿預(yù)埋板采用25mm厚Q355B材質(zhì)鋼板。牛腿上、下弦型鋼處預(yù)埋鋼板尺寸為400mm×700mm,底部斜撐處預(yù)埋鋼板尺寸為400mm×600mm。

3)滑移軌道設(shè)計(jì) 采用H800×500×20×25型鋼作為滑移鋼梁。為了增加滑移鋼梁的平面外剛度,采用HW200×200型鋼作為滑移鋼梁平面外斜撐,斜撐上端與鋼梁腹板焊接,下端與牛腿上弦型鋼焊接?；栖壍啦捎肣U100軌道鋼,軌道通過(guò)軌道壓板規(guī)定在滑移鋼梁上,壓板間距為800mm。

3.2 有限元分析

3.2.1建?；炯俣?/p>

1)采用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,型鋼牛腿與框架柱間的節(jié)點(diǎn)連接為剛接(ALL DOF),牛腿中型鋼采用焊接連接,接觸面節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合處理(CPINTF)。

2)假定滑移鋼梁的剛性滿足要求。

3)統(tǒng)計(jì)上部鋼屋蓋所有荷載并組合,最大值以均布荷載形式作用在型鋼牛腿上。如圖8所示,牛腿受鋼屋蓋荷載可分為2種不利工況:①工況1 鋼屋蓋滑移至牛腿邊緣時(shí),即荷載作用在單肢牛腿上;②工況2 鋼屋蓋滑移至牛腿中間,即荷載作用在連系型鋼上。

圖8 型鋼牛腿工況示意

3.2.2荷載取值

根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范取值,荷載統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 荷載標(biāo)準(zhǔn)值

3.2.3荷載組合

非滑移狀態(tài)按下式進(jìn)行組合:

(1)

式中:γG為永久作用分項(xiàng)系數(shù),取值1.3;γQ為可變作用分項(xiàng)系數(shù),取值1.5;γ0為滑移結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù),取值1.1。其中,雪荷載和工作人員檢修、操作荷載不同時(shí)組合,則滑移支撐結(jié)構(gòu)承受面荷載組合值S=3 156.27kN/m2。

滑移狀態(tài)按下式進(jìn)行組合:

(2)

式中:μ為支座反力摩擦系數(shù),按最大靜摩擦取值為0.2,則滑移支撐結(jié)構(gòu)承受面荷載組合值S=3 439.42kN/m2。

3.2.4有限元分析

采用有限元分析軟件ANSYS建立⑩軸線滑移軌道型鋼牛腿支撐結(jié)構(gòu)模型,其中型鋼采用solid Brick 10node 187實(shí)體單元,劃分單元大小為0.05m。取滑移狀態(tài)和非滑移狀態(tài)下較大的荷載組合值作用在型鋼牛腿上,并疊加型鋼牛腿自重進(jìn)行靜態(tài)非線性分析,分別得出2種工況下的應(yīng)力、應(yīng)變響應(yīng),如圖9所示。采用型鋼牛腿支座需對(duì)既有混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固,防止在滑移過(guò)程中產(chǎn)生的附加應(yīng)力破壞既有結(jié)構(gòu)。既有結(jié)構(gòu)施工前,設(shè)計(jì)單位已根據(jù)滑移荷載對(duì)框架結(jié)構(gòu)承載力進(jìn)行了復(fù)核,局部采取增加配筋等加固措施。

有限元分析結(jié)果如表3所示。

表3 有限元分析結(jié)果

中間連系型鋼跨度為800mm,撓度限值取L/400=2mm, 滿足連系型鋼變形要求。單肢牛腿豎向位移限值為1mm,單肢牛腿豎向變形要求。型鋼牛腿采用Q355B型鋼焊接而成,鋼材屈服應(yīng)力為355MPa,有限元分析結(jié)果均<355MPa,型鋼牛腿處于彈性變形狀態(tài)。在牛腿與框架柱連接處,型鋼牛腿與框架柱采用焊接連接,焊縫要求與母材同等強(qiáng)度,滿足應(yīng)力要求。

4 施工工藝

4.1 型鋼牛腿安裝

1)如圖10a所示,型鋼牛腿在地面進(jìn)行拼裝、焊接。同時(shí),在框架柱型鋼牛腿設(shè)置位置下方搭設(shè)臨時(shí)支撐胎架用于臨時(shí)放置型鋼牛腿,臨時(shí)支撐胎架頂部標(biāo)高與型鋼牛腿底部標(biāo)高一致。

圖10 型鋼牛腿施工順序

2)如圖10b所示,采用汽車式起重機(jī)將拼裝完成的型鋼牛腿吊至臨時(shí)支撐胎架頂部,牛腿與框架柱側(cè)邊預(yù)埋件進(jìn)行焊接。

3)型鋼牛腿安裝完成后,拆除支撐胎架并安裝牛腿底部斜撐,如圖10c所示。

4)安裝滑移鋼梁、滑移軌道、柱間斜撐等滑移輔助結(jié)構(gòu),型鋼牛腿施工現(xiàn)場(chǎng)照片如圖10d所示。

4.2 型鋼牛腿拆除

1)鋼屋蓋滑移完成后,受頂部?jī)艨崭叨认拗?汽車式起重機(jī)已無(wú)法使用,采用搭設(shè)門式操作架和倒鏈對(duì)型鋼牛腿拆除。

2)型鋼拆除順序與安裝順序相反,先拆除牛腿下部斜撐,再拆除牛腿。

3)型鋼牛腿自重小,將倒鏈掛在上部鋼桁架上,下部吊鉤與型鋼牛腿相連。先將倒鏈?zhǔn)站o,然后切割型鋼牛腿與框架柱的連接,放松倒鏈將型鋼牛腿緩慢放至地面。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合濟(jì)南融創(chuàng)茂海洋樂(lè)園鋼屋蓋高空滑移施工項(xiàng)目,通過(guò)3種方案對(duì)比選擇型鋼牛腿支座作為滑移軌道的支撐結(jié)構(gòu),根據(jù)框架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和滑移荷載設(shè)計(jì)雙肢型鋼牛腿結(jié)構(gòu)形式,并采用有限元分析軟件在2種工況下進(jìn)行計(jì)算分析,應(yīng)用結(jié)果顯示采用型鋼牛腿支座作為滑移軌道的支撐結(jié)構(gòu)可減少滑移支撐胎架搭設(shè)、降低工程造價(jià)、縮短工期。

對(duì)于滑移軌道與結(jié)構(gòu)梁偏斜情況,針對(duì)型鋼牛腿支座作為滑移軌道支撐結(jié)構(gòu)提出以下幾點(diǎn)建議。

1)在滑移軌道與結(jié)構(gòu)梁偏斜距離≤2m時(shí),可采用型鋼牛腿支座作為滑移軌道的支撐結(jié)構(gòu),但需對(duì)既有框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載力復(fù)核。

2)型鋼牛腿自重小,安拆方便,可降低工程造價(jià),材料環(huán)保,對(duì)于存在地下室的鋼屋蓋滑移工程可優(yōu)先考慮使用。

3)由于空間鋼結(jié)構(gòu)整體剛度大,力學(xué)性能較好,在偏斜尺寸較大結(jié)構(gòu)中宜設(shè)計(jì)成雙肢型鋼牛腿空間鋼結(jié)構(gòu)受力體系。