李芬紅

(浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江杭州 311210)

0 引言

由于杭州火車東站站房鋼結(jié)構(gòu)屋蓋桁架跨度大，每榀桁架自重重，屋面離地面高度高，為了建筑美觀，同時(shí)滿足跨度大、高度高的要求，工程設(shè)計(jì)時(shí)采用橢圓錐管鋼柱為支承柱。

1 工程概況

杭州火車東站站房鋼結(jié)構(gòu)屋蓋長度為490多米，寬度280多米，最高點(diǎn)標(biāo)高為39.100，桁架最大跨度為111.6 m，桁架最大截面高度為7 m。

考慮到溫度作用產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，在長度方向設(shè)置了兩道伸縮縫，即把屋蓋分成了3個(gè)溫度區(qū)段。施工時(shí)每個(gè)溫度區(qū)段可以當(dāng)作一個(gè)施工區(qū)段，此處以軸～軸/⑥軸～軸為一個(gè)施工區(qū)段。此施工區(qū)段，在軸和軸上有橢圓錐管鋼柱，每條軸線上6根(見圖1)。由于外伸橢圓錐管鋼柱 GKZ3，GKZ3a(GKZ3a與GKZ3對(duì)稱)為安裝難度最大的鋼柱，故橢圓錐管鋼柱的安裝施工方案以GKZ3為典型進(jìn)行分析說明。GKZ3柱頂與桁架相連，柱底標(biāo)高 －3.350，柱頂標(biāo)高24.940，垂直高度28.290 m，柱軸心線傾角為63.7°。柱底短軸長1 170 mm，長軸長2 144 mm;柱頂短軸長4 928 mm，長軸長5 808 mm。柱體總重約1 000 kN，柱頂負(fù)載1 500 kN。施工支架底標(biāo)高為±0.000。

2 橢圓錐管鋼柱施工方案

橢圓錐管鋼柱傾斜角度大、上部負(fù)載大、地面土質(zhì)松軟、地面承載力低，柱垂直高度達(dá)28.290 m，穩(wěn)定性差。如支架發(fā)生沉降，橢圓錐管鋼柱傾角發(fā)生變化，中心跨度加大，屋面主桁架難以合龍。故在保證橢圓錐管鋼柱施工支架強(qiáng)度的同時(shí)，必須加強(qiáng)對(duì)橢圓錐管鋼柱施工支架的變形控制以及支架基礎(chǔ)的加固處理，以減小橢圓錐管鋼柱的偏差。

圖1 軸～ 軸/軸～軸屋蓋桁架軸測(cè)圖

由于橢圓錐管鋼柱高度高，自重大，施工定位難，施工時(shí)采用分段吊裝、現(xiàn)場拼接的施工方法，通過對(duì)施工支架進(jìn)行模擬分析，確保橢圓錐管鋼柱施工安全順利地進(jìn)行。吊裝時(shí)采用250 t和260 t的履帶吊。

1)橢圓錐管鋼柱分段重量表見表1。

表1 橢圓錐管鋼柱分段重量表

2)橢圓錐管鋼柱安裝流程。安裝時(shí)按表1中的分段情況進(jìn)行逐段安裝(見圖2)。

圖2 橢圓錐管鋼柱安裝示意圖

3 施工支架模擬分析

橢圓錐管鋼柱施工階段，必須進(jìn)行施工階段非線性分析，通過施工分析確定方案合理后才能采用，若不合理，必須根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整方案，直到合理為止。此處根據(jù)圖2的安裝流程對(duì)橢圓錐管鋼柱施工支架進(jìn)行施工模擬分析，并根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整得到經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的施工方案。

3.1 施工過程中荷載計(jì)算

恒荷載:包含支架和橢圓錐管鋼柱自重。

恒荷載分項(xiàng)系數(shù):1.2(考慮施工過程中可能出現(xiàn)的不利情況)。

恒荷載有利時(shí)分項(xiàng)系數(shù):1.0。

附加恒荷載:橢圓錐管鋼柱柱頂1 500 kN。

支架風(fēng)荷載影響:W0=0.45 kN/m2，體型系數(shù):μS=1.3，高度分別取10 m，20 m，30 m，地面粗糙度:B類。

WK10= βZμSμZW0=1.00 ×1.3 × 1.00 ×0.45=0.585 kN/m2，取 0.60 kN/m2。

WK20= βZμSμZW0=1.00 ×1.3 × 1.25 ×0.45=0.731 kN/m2，取 0.75 kN/m2。

WK30= βZμSμZW0=1.00 ×1.3 × 1.42 ×0.45=0.830 kN/m2，取 0.85 kN/m2。

3.2 施工模擬分析

3.2.1 變形分析

控制支架變形的目的是為了控制橢圓錐管鋼柱的側(cè)移，故以下主要通過對(duì)各施工階段進(jìn)行變形分析，查看橢圓錐管鋼柱的位移，分析結(jié)果見變形云圖(見圖3～圖7)。

圖3 第一步安裝后支架變形云圖

第一段橢圓錐管鋼柱頂位移為:U1:0.841 6 mm，U2:0.001 9 mm，U3:0.464 5 mm。

圖4 第二步安裝后支架變形云圖

第二段橢圓錐管鋼柱頂位移為:U1:0.109 7 mm，U2:0.000 2 mm，U3:0.096 2 mm。

圖5 第三步安裝后支架變形云圖

第三段橢圓錐管鋼柱頂位移為:U1:0.356 8 mm，U2:0.000 8 mm，U3:0.258 6 mm。

圖6 第四步安裝后支架變形云圖

第四段橢圓錐管鋼柱頂位移為:U1:0.319 7 mm，U2:0.001 0 mm，U3:0.196 2 mm。

第五段橢圓錐管鋼柱頂位移為:U1:3.956 7 mm，U2:0.326 8 mm，U3:2.457 7 mm。

3.2.2 支架桿件應(yīng)力分析

根據(jù)計(jì)算，第五段安裝完畢后支架桿件的最大應(yīng)力比為0.7，應(yīng)力比圖見圖8。

3.2.3 支架整體穩(wěn)定分析

要保證橢圓錐管鋼柱的安裝能安全順利地進(jìn)行，就必須首先保證支架本身的整體穩(wěn)定，通過屈曲分析(Buckling分析)結(jié)果判斷支架的整體穩(wěn)定情況，荷載取值為支架自重與鋼柱自重的和再乘以分項(xiàng)系數(shù)1.2，屈曲分析各階模態(tài)圖見圖9～圖13，屈曲分析比例因子見表2。

圖7 第五步安裝后支架變形云圖

圖8 構(gòu)件應(yīng)力比圖

圖9 Buckling分析第一模態(tài)圖

圖10 Buckling分析第二模態(tài)圖

綜上所述，構(gòu)件最大應(yīng)力比未超過0.7，支架在水平力作用下結(jié)構(gòu)位移很小，支架滿足變形要求;橢圓錐管鋼柱GKZ3最大位移為:U1:3.956 7 mm，U2:0.326 8 mm，U3:2.457 7 mm，空間位移總量為:4.669 3 mm，變形滿足規(guī)范要求;屈曲分析比例因子最小值為43.575，支架整體穩(wěn)定安全系數(shù)大，滿足施工要求。

圖11 Buckling分析第三模態(tài)圖

圖12 Buckling分析第四模態(tài)圖

圖13 Buckling分析第五模態(tài)圖

表2 屈曲分析比例因子

4 結(jié)語

通過對(duì)橢圓錐管鋼柱施工支架進(jìn)行變形、強(qiáng)度、穩(wěn)定等各方面的模擬分析，得到了安全可靠的施工方案，不僅保證了橢圓錐管鋼柱施工的安全順利進(jìn)行，還為整個(gè)項(xiàng)目的順利進(jìn)行奠定了基礎(chǔ)，也為類似項(xiàng)目的施工分析起到了指導(dǎo)性作用。

［1］ GB 50009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.

［2］ GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］ 北京金土木軟件公司.SAP2000中文版使用指南［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［4］ GB 50153-2008，工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)［S］.