房志斌

1. 上海建工四建集團有限公司 上海 201103；2. 上海建筑改建與持續(xù)利用工程技術(shù)研究中心 上海 201103

1 工程概況

本項目為蒂森電梯配件生產(chǎn)之電梯試驗塔工程，位于廣東省中山市南區(qū)龍環(huán)村。占地面積4 956.60 m2，總建筑面積19 582.60 m2，其中地下建筑面積1 890.30 m2，地上建筑面積17 692.21 m2。地下3層，地上31層（裙樓3層），擬建電梯試驗塔塔高247.30 m，工程±0.00 m相當(dāng)于絕對高程10.00 m。

主樓的地下和地上結(jié)構(gòu)均為剪力墻筒體結(jié)構(gòu)，裙房為框架結(jié)構(gòu)。

1.1 難點分析

1）本項目為超高層工業(yè)建筑，27層北側(cè)梁板為懸挑結(jié)構(gòu)（圖1）。

圖1 26～27層結(jié)構(gòu)平面示意

2）電梯試驗塔27層北側(cè)結(jié)構(gòu)支撐體系及施工操作平臺無法直接架設(shè)在建筑物內(nèi)部樓面上，需單獨設(shè)計型鋼平臺作為支撐平臺。

3）該處結(jié)構(gòu)梁截面為450 mm×2 000 mm超大梁，集中線荷載超20 kN/m，對型鋼平臺承載力要求高。

4）梁跨度6.3 m，對型鋼平臺變形控制要求極高。

5）層高6 m，在超高作業(yè)環(huán)境下（高213 m）對支撐架體穩(wěn)定性要求極高。

6）對型鋼平臺與結(jié)構(gòu)連接方式的確定、連接節(jié)點質(zhì)量控制要求高。

1.2 技術(shù)應(yīng)對措施

根據(jù)中山蒂森電梯試驗塔項目業(yè)主、設(shè)計提供的圖紙，于懸挑結(jié)構(gòu)下方設(shè)置以型鋼鋼梁組成的平臺，以滿足梁板澆筑時模板排架的搭設(shè)。

為保證支撐平臺施工的安全，相關(guān)操作人員須嚴(yán)格按照施工方案要求進行施工，施工中配備專人在場負(fù)責(zé)安全和維護檢查。

2 鋼平臺設(shè)計

2.1 鋼平臺鋼梁設(shè)計

鋼平臺主要采用16#、20#、30#這3種規(guī)格的工字鋼（圖2），其中30#工字鋼作為梁底主要承重構(gòu)件，兩側(cè)增加16#工字鋼拉結(jié)以保證平臺安全及穩(wěn)定性（圖3）。

圖2 鋼平臺平面示意

2.2 支撐架體設(shè)計

上部支撐架采用φ48 mm×3.2 mm圓鋼管，為常規(guī)模板排架支撐體系（使用品茗軟件進行安全驗算），底部為組合鋼梁平臺（圖4）。圖中梁上端墻體，待梁結(jié)構(gòu)達到規(guī)定強度時再進行施工，故不在支撐體系計算范圍內(nèi)。

3 Midas模型設(shè)計

3.1 有限元分析方法簡介

有限元分析方法是用于求解數(shù)值方程的一種常用的方法，其結(jié)合了計算數(shù)學(xué)、彈性理論和計算機技術(shù)，對于實際工程的求解具有非常重要的作用。其基本思想源于1943年，當(dāng)時被用在由三角形區(qū)域上定義的分片連續(xù)函數(shù)與最小位能原理求解St.Venant扭轉(zhuǎn)問題上。而有限元法這一名詞的首次出現(xiàn)是在1960年，由美國的克拉夫（Clough）提出。到了20世紀(jì)70年代初，有限元理論逐漸成熟，各種商業(yè)化的有限元軟件也漸漸出現(xiàn)。近30年以來，關(guān)于有限元的基礎(chǔ)理論已經(jīng)足夠成熟了，是目前工程設(shè)計領(lǐng)域中最有效、最可靠的數(shù)值計算方法。有限元分析方法的基本思想就是對結(jié)構(gòu)的離散化，通過將連續(xù)的結(jié)構(gòu)劃分為有限個離散的單元，并對這些單元設(shè)定有限個節(jié)點，從而得到一個只在節(jié)點處相連的單元集合體，將連續(xù)的無限個自由度問題轉(zhuǎn)化為有限個單元的自由度問題。

圖3 鋼平臺與主體結(jié)構(gòu)連接示意

圖4 組合鋼梁平臺側(cè)視圖（立面圖）

3.1.1 ?結(jié)構(gòu)的離散

所謂離散化就是將連續(xù)的結(jié)構(gòu)劃分為有限個單元，并在單元的指定點上設(shè)置節(jié)點，從而使得相鄰單元的參數(shù)可以具有一定的連續(xù)性，以形成有限單元網(wǎng)格。這樣，連續(xù)的結(jié)構(gòu)就被離散為只在節(jié)點處連接的有限個單元。所劃分單元的大小和數(shù)目直接影響到計算的精度和速度。

3.1.2 ?有限元法的收斂性

有限元法是一種數(shù)值分析方法，因此應(yīng)考慮收斂性問題。所謂的收斂性是指：當(dāng)網(wǎng)格逐漸加密時，有限元解答的序列收斂到精確解；或者當(dāng)單元尺寸固定時，每個單元的自由度數(shù)越多，有限元的解答就越趨近于精確解。

3.1.3 ?實際應(yīng)用的平衡點

在求解時，單元的幾何形狀是靈活多變的，因此可以方便地模擬和逼近復(fù)雜求解區(qū)域。可以看出，只要選用合適的插值函數(shù)，當(dāng)單元的數(shù)目滿足要求時，求解精度將不斷提高并趨近于精確解。

但是在實際求解過程中，如果單元的數(shù)目不斷增多，計算機的運行時間也會大大增加，顯然是不實用的。因此在實際工程應(yīng)用中，計算所需的精度只要滿足需要就行了。在有限元分析方法中的一個基本原則就是在分析精度與分析時間上找到一個最佳平衡點[1-2]。

3.2 模型建立

鋼平臺模型（圖5）采用Midas/Gen結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計軟件進行建立。模型各構(gòu)件根據(jù)上述設(shè)計中所給出尺寸進行模擬，各鋼梁間為焊接連接，采用剛接模擬（即Dx，Dy，Dz，Rx，Ry，Rz全部約束）。并將鋼梁等大小劃分為有限個單元，保證主要受力構(gòu)件更準(zhǔn)確地模擬和逼近復(fù)雜求解區(qū)域，獲得更高的分析精度（圖6）。

圖5 鋼平臺示意

圖6 Midas/Gen模型示意

3.3 邊界條件

外約束條件：16#工字鋼斜拉桿及30#工字鋼與主體結(jié)構(gòu)通過預(yù)埋牛腿焊接，Midas模型此處采用剛接邊界條件形式模擬計算。5根20#工字鋼與主體結(jié)構(gòu)搭接處通過預(yù)埋鋼筋錨環(huán)加固，Midas模型此處采用鉸接邊界條件（圖7）形式模擬計算（即約束Dx，Dy，Dz，釋放Rx，Ry，Rz）。

圖7 Midas模型邊界條件示意

3.4 荷載參數(shù)

3.4.1 ?結(jié)構(gòu)自重

鋼材均采用Q235，各鋼梁以及腳手架鋼管的自重通過正確選取材料參數(shù)，建模建立材料特性，自重荷載作用由Midas軟件在計算分析過程中自動考慮。

3.4.2 ?外部荷載

模板排架、立柱扣件所傳遞的豎向荷載?？奂|(zhì)量以13.2 N節(jié)點荷載添加于相應(yīng)節(jié)點處（圖8）；結(jié)構(gòu)梁質(zhì)量及施工荷載簡化為節(jié)點荷載14 kN（作用于梁底11根立桿），厚120 mm混凝土板通過選取正確材料，產(chǎn)生自重。

圖8 節(jié)點荷載（13.2N）示意

3.4.3 ?荷載組合

根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，本次計算荷載組合恒載分項系數(shù)為1.2，活載組合分項系數(shù)為1.4，組合公式：自重×1.2＋點荷載×1.4。

3.5 運行分析

通過Midas/Gen軟件對模型整體結(jié)構(gòu)在靜力荷載組合工況下進行線性分析。

3.6 分析結(jié)果

模型中梁單元最大應(yīng)力為148.4 MPa（圖9）。

Q235鋼材抗拉強度設(shè)計f=215 MPa。 梁單元最大應(yīng)力為148.4 MPa＜鋼材允許應(yīng)力215 MPa，滿足要求。

鋼平臺最大撓度為10.89 mm（圖10），滿足規(guī)范＜1/250跨度，及蒂森電梯試驗塔結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。

圖9 梁單元應(yīng)力等值線

圖10 鋼平臺位移等值線

計算結(jié)果顯示，鋼平臺支撐體系滿足施工所需的強度和變形要求。

4 連接節(jié)點驗算

20#工字鋼與結(jié)構(gòu)搭接處預(yù)埋錨環(huán)為構(gòu)造措施，滿足規(guī)范要求，此處不作驗算。

4.1 焊縫強度驗算

焊縫強度驗算包括：30#工字鋼與預(yù)埋件的焊縫計算、16#斜拉工字鋼與埋件部位焊縫計算、16#斜拉工字鋼與30#主鋼梁部位焊縫計算，焊縫均采用6 mm雙面直角焊縫。經(jīng)計算，焊縫強度均滿足規(guī)范要求。

4.2 預(yù)埋件強度驗算

按照GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》埋件錨固相關(guān)公式進行計算。經(jīng)計算，預(yù)埋件強度及錨固長度均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

懸挑結(jié)構(gòu)在高層建筑工程中的應(yīng)用逐漸普遍，但此類結(jié)構(gòu)施工有著一定的風(fēng)險。因此，為了保證工程順利施工，須采取科學(xué)合理的施工技術(shù)，嚴(yán)格把控懸挑結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量及施工安全。本文結(jié)合背景工程中山蒂森電梯試驗塔項目，針對高層建筑懸挑結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)展開了探討，建立Midas模型，利用有限元軟件進行施工模擬分析，進行精密求解，結(jié)果表明該支撐平臺變形、應(yīng)力均滿足要求，安全可靠，并在實際施工中得到證實。