黃 革，韋 韜，馬朝龍

(1.四川華神鋼構(gòu)有限公司，四川成都 610031； 2.西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031；3. 四川省勘察設(shè)計協(xié)會，四川成都 610041))

已建地下室頂面上增加鋼結(jié)構(gòu)的施工方案設(shè)計

黃 革1，韋 韜2，馬朝龍3

(1.四川華神鋼構(gòu)有限公司，四川成都 610031； 2.西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031；3. 四川省勘察設(shè)計協(xié)會，四川成都 610041))

某已建的建筑平面呈“口”字形，由四周的4棟建筑圍成一個天井?，F(xiàn)擬在內(nèi)部天井位置加建5層鋼結(jié)構(gòu)，施工條件較差，工期十分緊張。通過對5種可能的施工方案進行對比，擬用腳手架支撐在施工期間臨時加固原有地下室頂面，在上面開行汽車起重機的施工方案；建立腳手架和原有地下室結(jié)構(gòu)的整體模型，根據(jù)施工的不同工況，進行施工過程的有限元非線性分析，設(shè)計腳手架加固方案，計算混凝土樓板受沖切承載力和局部受壓。結(jié)果表明，對已建的地下室頂面采用腳手架加固，在上面開行汽車起重機的施工方案是安全可行的。

腳手架； 汽車起重機； 加固； 鋼結(jié)構(gòu)； 施工過程分析

1 工程概況

綿陽新益大廈為已經(jīng)建成并投入使用多年的的建筑群，建筑平面呈“口”字形，四周的建筑分別為2棟17層的高層和2棟5層的多層，四周的建筑圍成一天井，已有建筑的平面見圖1?，F(xiàn)擬在內(nèi)部天井位置加建5層鋼結(jié)構(gòu)建筑，每層的面積為2 100 m2，增加的鋼結(jié)構(gòu)總用鋼量為1 100 t。

圖1 已有的建筑平面

增加的鋼結(jié)構(gòu)的區(qū)域，其地面為原建筑群地下停車庫的頂面，停車庫為筏板基礎(chǔ)，層高8.2 m，地下室的結(jié)構(gòu)形式為大跨混凝土框架結(jié)構(gòu)，無次梁。原設(shè)計中該地下室的頂面為建筑群內(nèi)天井的地面，無大型設(shè)備與貨物停滯，因此地下室頂面原設(shè)計荷載取值為3.5 kN/m2，大型起重設(shè)備無法直接進入該地下室頂面。根據(jù)業(yè)主要求，新建項目的主體鋼結(jié)構(gòu)安裝工期為3個月，時間十分緊張。

2 施工方案的比選

根據(jù)該項目的實際情況，對多種鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件吊裝的施工方案進行比選，比選過程見表1。

通過方案對比分析可知：方案(5)靈活方便、工期短、經(jīng)濟可行。通過對構(gòu)件吊裝重量的計算，本項目的施工采用25 t汽車式起重機，根據(jù)有關(guān)規(guī)范[1-3]的要求對施工方案進行設(shè)計。

3 腳手架加固方案設(shè)計

采用搭設(shè)滿堂承重碗扣式腳手架的方式，對地下室的頂板和梁同時進行施工臨時支撐加固。腳手架下部立桿間距600 mm×600 mm，靠近頂板的2個步距內(nèi)按照300 mm×300 mm的間距加密，橫桿步距1 200 mm，鋼管規(guī)格為φ48×3.5，材質(zhì)為Q235A，頂端的U型頂托內(nèi)置50 mm×100 mm的木方，通過擰緊螺栓的方式保證木方頂緊地下室頂板和框架梁，保證樓面荷載的順利傳遞。腳手架布置的示意(局部)見圖2。

圖2 腳手架布置示意

根據(jù)《建筑施工碗扣式腳手架安全技術(shù)規(guī)范》[4]，對碗扣式鋼管腳手架進行了計算。由于本工程中的腳手架主要起支撐地下室頂板的作用，腳手架的永久荷載包括：(1) 腳手架結(jié)構(gòu)的自重；(2) 配件重量；(3)地下室頂板及框架梁的自重。腳手架的可變荷載為腳手架承擔的施工荷載，即汽車起重機及吊裝構(gòu)件傳遞給腳手架的荷載。

表1 施工方案比選

單肢立桿穩(wěn)定性按下式計算：

N≤φAf

式中：A為立桿橫截面積；φ為軸心受壓桿件穩(wěn)定系數(shù)，按長細比查規(guī)范附錄C；f為鋼材強度設(shè)計值，查規(guī)范附錄B得f=205 N/mm2。

碗扣節(jié)點承載力按下式驗算：

Pc≤Qb

式中：Qb為下碗扣抗剪強度設(shè)計值，取60 kN。

建立腳手架和地下室結(jié)構(gòu)的整體模型，結(jié)構(gòu)分析采用通用有限元分析程序MIDAS/Gen。腳手架的單肢立桿中的軸力及碗扣節(jié)點的剪力由程序計算得出，碗扣的最大剪力為0.8 kN<60 kN，腳手架中最大應力為30.6 MPa<205 MPa，單肢立桿中最大軸力為15.7 kN，單根腳手架的承載力為φAf=75.0 kN>15.7 kN。腳手架的強度、穩(wěn)定以及碗扣節(jié)點承載力均滿足規(guī)范要求。

4 汽車起重機吊裝施工過程的有限元非線性分析

4.1 吊裝的施工過程及措施

施工中使用汽車起重機吊裝箱型鋼柱和H型鋼主梁、H型鋼次梁，為減少地下室樓面的荷載，制造時每根箱型鋼柱分為兩段，每段的重量控制在4～4.5 t，主、次梁不需要分段。

汽車起重機的入口位于增加鋼結(jié)構(gòu)區(qū)域的中部，施工中將共9跨的新增鋼結(jié)構(gòu)范圍分為A、B、C三個區(qū)域，每個區(qū)域均為3跨，逐個區(qū)域分別進行構(gòu)件的吊裝。為了節(jié)約施工過程中的腳手架用量和減少工期，構(gòu)件吊裝時，先對A、B區(qū)采用腳手架加固，先安裝完A區(qū)的構(gòu)件，接著安裝B區(qū)構(gòu)件，同時將A區(qū)的腳手架拆除并轉(zhuǎn)運至C區(qū)，對C區(qū)進行加固并安裝C區(qū)的構(gòu)件。

汽車起重機液壓支腿是按照在堅實地面使用來設(shè)計的，在本項目中如果僅僅使用支腿，將導致混凝土樓板上局部壓力過大，因此吊裝時候需制作專用支腿墊塊來擴散局部壓力。

4.2 計算荷載

計算中結(jié)構(gòu)永久荷載為構(gòu)件的自重，可變荷載除了腳手架的施工荷載外，還包含汽車起重機荷載和風荷載。汽車起重機選用四川長江起重機廠LT1025型，自重29 t，施工過程中有兩種工況：

一是汽車起重機開行工況。汽車起重機的前軸荷載63 kN，車輪的局部壓力為630 kN/m2；后軸荷載227 kN，車輪的局部壓力為568 kN/m2。

二是汽車起重機吊裝工況。吊裝構(gòu)件的最大重量為4 t。吊裝過程中，最不利的荷載工況為45°方向起吊時，有可能一個支腿承擔全部重量的75 %，混凝土頂板的局部壓力為172 kN/m2。上述荷載為標準值，在分析中還需考慮動力系數(shù)。

雖然腳手架在地下室內(nèi)，但由于地下室入口位置的局部風載較大，不能忽略風荷載的影響，計算中應根據(jù)工程當?shù)氐幕撅L壓換算成節(jié)點風荷載。

4.3 計算結(jié)果

由于地下室混凝土頂板局部受到很大的壓力作用，混凝土頂板有可能進入到彈塑性階段，在施工過程的分析中必須使用彈塑性材料來計算[5]。考慮到施工過程中可能出現(xiàn)腳手架與樓板之間不完全貼合的情況，分析時使用“帶間隙的只受壓單元”來模擬腳手架，采用非線性的計算方法。

包含原有結(jié)構(gòu)和腳手架臨時支撐的整體計算模型見圖3，兩種工況下的計算結(jié)果見表2，腳手架的應力計算結(jié)果見圖4。

表2 施工過程計算結(jié)果

(a)起重機開行工況

(b)吊裝時最不利工況圖3 整體計算模型及荷載

(a)起重機開行工況

(b)吊裝時最不利工況圖4 腳手架應力計算結(jié)果

(a)起重機開行工況

(b)吊裝時最不利工況圖5 局部受壓計算模型及荷載

5 樓板受沖切承載力計算及局部受壓計算

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的要求，需要進行樓板受沖切承載力計算及局部受壓計算。在施工過程中，混凝土樓板中存在如前所述的兩種局部承壓工況。計算采用有限元分析程序MIDAS/Gen進行，計算中對局部受壓部位的計算模型單元網(wǎng)格進行進一步的細分，計算模型見圖5。

兩種局壓工況下的樓板混凝土的計算結(jié)果見表3，應力計算結(jié)果見圖6。樓板混凝土強度等級為C40，受沖切承載力計算及局部受壓滿足規(guī)范的要求。

表3 樓板沖切承載力和局部受壓計算結(jié)果

(a)起重機開行工況

(b)吊裝時最不利工況圖6 混凝土樓板應力計算結(jié)果

6 結(jié) 論

該項目已建成并投入使用，施工方案的設(shè)計結(jié)果及施工 中的觀測結(jié)果表明：

(1)在已建地下室頂面上增加鋼結(jié)構(gòu)，通過碗扣式腳手架臨時支撐加固原有地下室結(jié)構(gòu)的梁和頂板，采用自行式起重機吊裝，工期短，是經(jīng)濟可行的施工方案。

(2)通過建立包含原有結(jié)構(gòu)和臨時支撐腳手架的整體結(jié)構(gòu)模型，采用有限元分析的方法，分別對施工過程、腳手架和混凝土樓板局部受壓進行計算，施工方案安全可行。

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

[2] GB 50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[3] JTG D60-2004 公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].

[4] JGG 166-2008建筑施工碗扣式腳手架安全技術(shù)規(guī)范[S].

[5] 顧祥林, 孫飛飛. 混凝土結(jié)構(gòu)的計算機仿真[M]. 上海：同濟大學出版社, 2002.

黃革(1968～),男，大學本科，工程師，主要研究方向為鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)。

TU741.1

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[定稿日期]2015-05-29