王程 張超
摘 要:鋼結(jié)構(gòu)高層結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的混凝土建筑相比,適合于活荷載占總荷載比例較小的結(jié)構(gòu),以及軟土地基上建造。本文運用有限元軟件SAP2000對外海超高層鋼結(jié)構(gòu)進行分析研究,并對施工中存在的經(jīng)驗教訓(xùn)進行總結(jié),為類似工程提供很好借鑒。
關(guān)鍵詞:外海 鋼結(jié)構(gòu) 設(shè)計
1.工程規(guī)模及結(jié)構(gòu)形式
本工程位于某港區(qū)作業(yè)區(qū)口門處防波堤上。主結(jié)構(gòu)為九層框架鋼結(jié)構(gòu),立柱為φ426鋼管,鋼梁為H鋼,柱撐水撐為φ127,部分樓層底板為復(fù)合樓板結(jié)構(gòu):樓承板上加設(shè)混凝土面層,框架頂設(shè)維修平臺,架設(shè)附屬結(jié)構(gòu)設(shè)施,屋頂架設(shè)15m鋼結(jié)構(gòu)輕型塔。本工程離岸最近距離約為1公里,需要水上運輸,自行發(fā)電,本工程計劃工期150天。
2.設(shè)計分析研究
本文采用有限元軟件SAP2000對外海高層鋼結(jié)構(gòu)進行整體建模分析,分析此結(jié)構(gòu)體系的振型和周期等結(jié)構(gòu)固有特性。高層結(jié)構(gòu)的振型尤其是高階振型對體系的模態(tài)及地震響應(yīng)影響較大,本文采用反應(yīng)譜法分析結(jié)構(gòu)地震作用下的內(nèi)力和變形,通過分析結(jié)構(gòu)體系的頂層位移、層間位移、層間位移角的變化情況,對外海高層鋼結(jié)構(gòu)進行研究。
反應(yīng)譜法是地面加速度一定的情況下,結(jié)構(gòu)運動在不同周期下的最大相應(yīng)曲線(加速度Sa,速度Sv,位移Sd)。復(fù)雜的結(jié)構(gòu)簡化為單自由度結(jié)構(gòu)體系,通過振型疊加法,將原有結(jié)構(gòu)由多自由度體系轉(zhuǎn)化為多個單自由度體系。
反應(yīng)譜理論有以下特征:一是位移反應(yīng)譜與速度位移譜類似;二是加速度反應(yīng)譜的數(shù)值在周期短時接近地面最大加速度,周期長時接近零;三是速度反應(yīng)譜數(shù)值周期很短時接近零,隨著周期增大而增大,且周期增加幅度存在極值。
地震反應(yīng)譜分析常用的方法為精確法,基本思路是將離散形式的地震動加速度記錄數(shù)據(jù)用分段線性插值的方法復(fù)原,再逐段求解。加速度反應(yīng)譜方法是利用振型的正交等特性,將多自由度簡化為單自由度分析,然后利用某種相應(yīng)的振型耦合法(SRSS和CQC)得到多自由度結(jié)構(gòu)的抗震分析的結(jié)果。
表1中,x、y的意思是結(jié)構(gòu)向x方向、y方向運動,θ為扭轉(zhuǎn),表中運動或扭轉(zhuǎn)幅度過小的沒有表示。由有限元分析計算可知,結(jié)構(gòu)的第一振型為y方向,第二振型為x方向,從第三振型開始,有扭轉(zhuǎn),且伴有扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)。
圖2左圖為結(jié)構(gòu)體系的樓層位移圖,右圖為結(jié)構(gòu)體系的層間位移角圖,樓層的位移隨著層數(shù)的增加逐層增加,于塔樓頂層達(dá)到最大值。層間位移和層間位移角呈現(xiàn)較強的變化,綜合函數(shù)圖線作用下的地震響應(yīng),層間位移角隨層數(shù)在開始階段逐漸增加,于第二層第三層的交界附近達(dá)到最大值,其后隨著層數(shù)的增加有所降低,在第五層達(dá)到極小值,隨后隨著樓層增加而降低,頂層存在鞭梢效應(yīng)。
結(jié)構(gòu)在首層、第五層和第八層設(shè)置了交叉支撐,其他樓層未設(shè)置交叉支撐,支撐的存在提高了所在樓層的剛度,但同時使得相鄰未設(shè)置交叉支撐的層間位移角相對大幅度增加,因此樓層在第五層的層面位移角達(dá)到極小值。
高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中支撐有以下作用:一是增加鋼結(jié)構(gòu)建筑的縱向穩(wěn)定的空間剛度;二是在排架平面外,提供可靠的支承點從而減小柱在排架平面外的計算長度;三是承受鋼結(jié)構(gòu)建筑端部山墻風(fēng)力、縱向吊車剎車荷載、溫度產(chǎn)生的應(yīng)力和地震作用,并將其傳至基礎(chǔ)。支撐的合理設(shè)置能有效減小高層鋼結(jié)構(gòu)的層間位移角,從而增加鋼結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。
3.施工過程的分析研究
(1)施工總體安排
①根據(jù)工程施工圖紙及相關(guān)要求進行二次細(xì)化設(shè)計,分別針對梁、柱、交叉撐做出加工圖,進行零部件的車間加工。
② 根據(jù)鋼框架分層情況將梁、柱、支撐分區(qū)存放。對于柱,上面焊接柱頭,外形寸不規(guī)則,單獨存放;對于梁、支撐分類打捆,中間加墊木。
③ 根據(jù)構(gòu)件加工圖紙,將梁、柱、支撐在廠內(nèi)制作完成;待零部件檢驗無誤后,表面打砂并進行表面防腐處理。
(2)鋼結(jié)構(gòu)運輸
本工程的主體為鋼結(jié)構(gòu)框架形式,主體工程構(gòu)件中柱、梁、鋼梯分別有48件、249件、21件,構(gòu)件最大重量為5t,高度為12.5米,運輸距離遠(yuǎn),位于孤立的防波堤上,運輸不便。
為了保證鋼結(jié)構(gòu)順利運到施工現(xiàn)場,采用海陸同時倒運,由加工廠到防波堤用托盤車倒運,平臺設(shè)置2處帶攬繩為蓋板船臨時??浚摌?gòu)件到防波堤后運用蓋板船的吊機裝船,其后運用蓋板船運至施工處,有效減小外海運輸作業(yè),減小海上運距,省工省時。
(3)施工過程中出現(xiàn)的問題及處理
①本工程處于外海,經(jīng)過長時間海霧侵蝕后,個別構(gòu)件表面出現(xiàn)銹點,需對銹點部位進行了補漆防腐處理。
②本工程位于防波堤堤頭沉箱上部,易出現(xiàn)沉降位移,且鋼結(jié)構(gòu)相對高度較高,鋼構(gòu)件自身重量較大,經(jīng)過重新加載預(yù)壓的沉箱更易發(fā)生沉降,因此施工中對基準(zhǔn)點定時進行沉降位移觀測。
(4)經(jīng)驗和教訓(xùn)
①鋼結(jié)構(gòu)的運輸需按運輸計劃,分批、分節(jié)地進行,對于超長、超寬或者超重的構(gòu)件,行合理的分段劃分,滿足最大運輸限制,確保運輸安全。
②海上運輸為避免鋼構(gòu)件碰損,采用土工布覆蓋鋼構(gòu)件,上層采用每隔2m麻繩捆綁,使鋼構(gòu)件海上運輸穩(wěn)定,無碰損。施工過程中,組織施工船舶協(xié)調(diào)會,積極與海事局交管中心等部門溝通,規(guī)范施工秩序,確保船舶運輸通航安全。
③鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工完成后,運輸至施工現(xiàn)場安裝。安裝前,首先對構(gòu)件的質(zhì)量進行檢查,確保鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的永久變形和缺陷在允許范圍內(nèi)。鋼柱安裝首先檢查柱底板下的墊鐵是否墊實、墊平,檢查其地腳螺栓是否失穩(wěn);在鋼結(jié)構(gòu)體系未穩(wěn)定前,采取臨時支護措施保證施工安全性。鋼結(jié)構(gòu)形成固定單元,并通過驗收后,需及時將柱底板和基礎(chǔ)頂面的空間用膨脹混凝土二次澆筑密實。
④合理選取鋼結(jié)構(gòu)吊裝方式,對鋼柱進行吊點計算,確保安裝的安全和精度,次梁與交叉支撐采用成片吊裝方式,有效的節(jié)約了吊裝時間,縮短了工期。
4.研究結(jié)論
本文通過有限元建模分析和現(xiàn)場施工經(jīng)驗總結(jié)對外海高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工進行了一定的探討,首先采用SAP2000對鋼結(jié)構(gòu)進行整體分析,運用反應(yīng)譜法進行抗震分析,然后對鋼結(jié)構(gòu)施工中遇到的問題進行了分析和總結(jié)。通過各組數(shù)據(jù)的分析,所得結(jié)論如下:
(1)雙塔結(jié)構(gòu)體系有五種基本振型,通過理論分析,沿x方向的平動與沿y方向的平動及結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)獨立。與普通建筑物不同的是前6階振型中,高層鋼結(jié)構(gòu)有4個振型存在扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。
(2)鋼結(jié)構(gòu)施工中運輸和安裝極為關(guān)鍵。對于超長、超寬或者超重的構(gòu)件,需進行合理的分段劃分,滿足最大運輸限制,并對鋼柱進行吊點計算,確保安裝的安全性和精度要求。