林基聰

(廈門合立道工程設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 福建廈門 361004)

0 引言

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)和建筑技術(shù)的發(fā)展，許多城市建造了大量公共建筑，這些公共建筑為了滿足功能和造型的需要，往往具有較大的跨度或者較大的懸挑長度。對(duì)于這類的建筑，臨時(shí)支撐的安裝和拆卸等邊界條件的改變，都會(huì)引起較大的變形，從而引起結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布。對(duì)于這類建筑，按傳統(tǒng)經(jīng)典力學(xué)，不考慮材料的徐變、收縮和強(qiáng)度發(fā)展，不考慮施工階段荷載、不考慮施工安裝設(shè)備、臨時(shí)支撐的安裝和拆卸等邊界條件的改變，不考慮結(jié)構(gòu)依次成型不斷發(fā)生的內(nèi)力重分布，而只考慮使用階段的荷載。然而，按一次性加載或者逐層加載的傳統(tǒng)計(jì)算分析方式，不能滿足工程需要。這類建筑的設(shè)計(jì)過程，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的施工順序，綜合考慮結(jié)構(gòu)的構(gòu)件、荷載、邊界條件等變化進(jìn)行施工分析?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010)[1]第5.1.9條規(guī)定，“復(fù)雜高層建筑及房屋高度大于150m其他高層建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮施工過程的影響”。

目前，3D3S、SAP2000、Midas Gen等軟件有專門的施工模擬模塊來實(shí)現(xiàn)施工順序的模擬，其中3D3S主要針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的施工模擬；Ansys和Abaqus等通用有限元軟件，可以分別通過生死單元的概念ekill, ealive縮小殺死單元?jiǎng)偠群屯ㄟ^model change, remove/add追蹤單元實(shí)現(xiàn)施工模擬。

本文以廈門某大型商場屋面懸挑桁架為例，利用有限元軟件Midas Gen對(duì)其進(jìn)行施工模擬，并針對(duì)分析結(jié)果給出相應(yīng)的施工建議。

1 工程概況

該項(xiàng)目位于廈門市仙岳路與嘉禾路交叉地帶，地下3層，地上為18層酒店和4層商業(yè)裙房，檐口高度分別為85.6m和22.8m，地上商業(yè)面積約6.3萬m2，平面呈L型布置，效果圖如圖1所示。

由于建筑造型原因，圖1中圈出位置最大懸挑位置分別逐層外挑，其頂層最大外挑長度達(dá)分別達(dá)到11.6m和7.7m，其平面位置如圖2所示。其中a-B軸的懸挑長度最大，在屋面層和構(gòu)架層設(shè)置懸挑桁架，通過屋面懸挑桁架和吊柱，減少三層、四層懸挑長度8m，將原11.6m的懸挑長度降為3.6m，提高結(jié)構(gòu)的安全性和舒適性，其結(jié)構(gòu)剖面示意如圖3所示。

圖1 項(xiàng)目效果圖及大懸挑部位示意圖

圖2 大懸挑位置平面示意圖

圖3 最大懸挑桁架剖面示意

2 分析工況

施工順序模擬分析跟施工工序緊密相連。該工程懸挑桁架及吊柱的施工，可采取搭設(shè)臨時(shí)支撐，然后逐層向上順序施工，待屋面桁架施工完成后，拆除臨時(shí)支撐的施工順序，也可采取先施工除大懸挑部位外的主體結(jié)構(gòu)和屋面桁架，然后逐層向下施工吊柱和懸挑梁的逆序施工順序。由于逆序施工存在吊柱和懸挑梁施工安裝困難等因素，建議該工程采取第一種施工順序，施工順序模擬也按該施工順序進(jìn)行。

對(duì)于上述第一種施工順序的模擬，主要是模擬施工階段的荷載、臨時(shí)支撐的安裝和拆除等結(jié)構(gòu)邊界條件改變對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

該工程施工模擬不涉及臨時(shí)支撐的失穩(wěn)分析，故施工模擬分析時(shí)，未建立臨時(shí)支撐構(gòu)件的結(jié)構(gòu)組，僅通過改變大懸挑位置的邊界條件來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)忽略混凝土徐變、收縮和強(qiáng)度發(fā)展等對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。具體分析工況如圖4所示，SC2工況通過增加邊界條件模擬臨時(shí)支撐的安裝，SC5工況通過改變邊界條件模擬臨時(shí)支撐拆除，SC1～CS5工況僅考慮結(jié)構(gòu)自重和施工活荷作用，最后以SC5的最終變形作為整體結(jié)構(gòu)的初始條件，與樓面面層裝修荷載、樓面使用活荷載等豎向荷載工況和風(fēng)荷載、地震荷載等水平荷載工況進(jìn)行組合，計(jì)算結(jié)構(gòu)最終受力狀態(tài)。

圖4 分析工況示意圖

3 分析結(jié)果

本文施工模擬分析，主要關(guān)注圖4中A點(diǎn)臨時(shí)支撐拆除前后的位移變化、懸挑梁在B點(diǎn)各施工階段的彎矩變化、桁架下弦桿C點(diǎn)在臨時(shí)支撐拆除前后及最終的軸力和彎矩變化、桁架上弦桿D點(diǎn)在臨時(shí)支撐拆除前后及最終的軸力和彎矩變化等。下文將分別對(duì)這些關(guān)注點(diǎn)的分析結(jié)果進(jìn)行分析。

A點(diǎn)在臨時(shí)支撐拆除前、拆除后位移及最終變形如圖5所示。由圖5中可以看出，臨時(shí)支撐拆除時(shí)，A點(diǎn)產(chǎn)生的變形約占最終總變形80%左右，臨時(shí)支撐的拆除產(chǎn)生的變形將會(huì)引起較大的內(nèi)力重分布，其懸挑段端部B點(diǎn)的彎矩在各施工階段的變化如圖6所示。

圖5 A點(diǎn)臨時(shí)支撐拆除前、后及最終變形趨勢(shì)圖

圖6 B點(diǎn)各施工工況彎矩變化趨勢(shì)圖

由圖6可以看出，隨著工況的增加，B點(diǎn)隨著梁端框架柱由于上部荷載的增加，框架柱被逐步壓縮變形，這些微小變形導(dǎo)致B點(diǎn)負(fù)彎矩逐步減少，到臨時(shí)支撐拆除前，即臨時(shí)支撐拆除前CS4工況，B點(diǎn)彎矩已出現(xiàn)正彎矩，其值為261kN·m。但是，隨著臨時(shí)支撐的拆除，A點(diǎn)產(chǎn)生較大的變形，從而引起B(yǎng)點(diǎn)較大的負(fù)彎矩，其值為3825kN·m，約為初始彎矩(566kN·m)的6.75倍?？梢?，臨時(shí)支撐的拆除，引起三層懸挑梁變形，從而引起懸挑梁端內(nèi)力重分布。常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)常忽視該內(nèi)力重分布引起的梁端彎矩，從而存在結(jié)構(gòu)安全隱患。

在臨時(shí)支撐拆除前后，懸挑桁架的上弦和下弦桿也會(huì)因?yàn)檫吔鐥l件的改變引起內(nèi)力重分布，其軸力和彎矩的變化分布如圖7～圖8所示。

圖7 上下弦桿軸力變化趨勢(shì)圖

圖8 上下弦桿彎矩變化趨勢(shì)圖

由圖7、圖8可以看出，臨時(shí)支撐拆除時(shí)，A點(diǎn)的變形同時(shí)將使上弦桿產(chǎn)生拉力2558.2kN，下弦桿產(chǎn)生壓力4100.7kN，分別約占最終不利組合下上弦桿軸向拉力和下弦桿軸向壓力的1/3左右。同樣，臨時(shí)支撐拆除引起上下弦桿的彎矩也約占最終最不利組合彎矩的1/3左右。圖中還可以看出，上弦桿的彎矩約為下弦桿的1/2。這些臨時(shí)支撐拆除引起的附加內(nèi)力，在設(shè)計(jì)時(shí)都應(yīng)給予充分考慮。

4 小結(jié)

本文采用Midas Gen軟件的施工模擬模塊，通過改變結(jié)構(gòu)組、荷載組模擬結(jié)構(gòu)施工工序，通過改變邊界組模擬臨時(shí)支撐的搭設(shè)和拆除，對(duì)該工程屋面大懸挑桁架及吊柱的施工順序進(jìn)行模擬，可以得出以下結(jié)論：

(1)臨時(shí)支撐的拆除，將對(duì)懸挑部位產(chǎn)生一定的豎向變形，而豎向變形將會(huì)引起懸挑端產(chǎn)生附加彎矩，且該彎矩較大，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)給予充分考慮，避免存在結(jié)構(gòu)安全隱患。

(2)臨時(shí)支撐的拆除，將會(huì)引起懸挑桁架內(nèi)力重分布，引起桁架桿件軸力和弦桿彎矩的增加，且該內(nèi)力占最終不利組合內(nèi)力的1/3，構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮該部分內(nèi)力。

基于上述兩點(diǎn)結(jié)論，在結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，懸挑桁架和三層、四層懸挑梁及吊柱，在充分考慮臨時(shí)支撐拆除時(shí)引起的附加內(nèi)力的基礎(chǔ)上，采用型鋼混凝土構(gòu)件，增加結(jié)構(gòu)的承載力和延性?；耍瑸榱朔乐古R時(shí)支撐拆除引起懸挑梁端產(chǎn)生裂縫，可在懸挑梁端設(shè)置后澆帶(圖9)，待臨時(shí)支撐拆除、變形穩(wěn)定后再進(jìn)行澆注。

5 建議

基于上述分析，筆者對(duì)該工程施工提出如下建議：

(1)臨時(shí)支撐，應(yīng)待懸挑桁架施工完成且混凝土強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到相關(guān)規(guī)范要求時(shí)再進(jìn)行拆除。

(2)安裝臨時(shí)支撐時(shí)，建議在臨時(shí)支撐頂部采用液壓千斤頂，待臨時(shí)支撐拆除時(shí)，逐步卸荷，防止臨時(shí)支撐突然拆除引起變形太大，從而引起懸挑梁端部荷載變化太大而產(chǎn)生裂縫甚至斷裂。

圖9 大懸挑位置后澆帶示意圖

(3)臨時(shí)支撐拆拆除時(shí)，建議根據(jù)邊界條件的改變引起的位移變化，確定千斤頂卸荷量，以保證懸挑梁變形協(xié)調(diào)。

最后需要指出的是，臨時(shí)支撐位于第三層樓面標(biāo)高處，支撐高度較大，可能存在臨時(shí)支撐失穩(wěn)的問題。本文計(jì)算時(shí)未建立臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)組，未考慮臨時(shí)支撐的穩(wěn)定問題，施工單位在做臨時(shí)支撐方案設(shè)計(jì)時(shí)，建議充分考慮計(jì)算臨時(shí)支撐的穩(wěn)定性，防止臨時(shí)支撐失穩(wěn)而導(dǎo)致懸挑梁、懸挑桁架邊界條件的改變。