趙俊釗 趙 斌 匙文成

1. 上海建工四建集團(tuán)有限公司 上海 201103；2. 上海振宏金屬制品有限公司 上海 201712

裝配式鋼結(jié)構(gòu)是指在工廠化生產(chǎn)鋼結(jié)構(gòu)部件、在施工現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)組裝和連接而成的鋼結(jié)構(gòu)，具有工業(yè)化程度高、施工周期短、節(jié)能環(huán)保、抗震性能好、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在建筑工程施工過(guò)程中被廣泛應(yīng)用[1]。

2016年以來(lái)，我國(guó)陸續(xù)出臺(tái)多項(xiàng)文件[2-3]，明確提出：“力爭(zhēng)用10年左右的時(shí)間，使裝配式建筑占新建建筑面積的比例達(dá)到30%”。2017年3月，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)的《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中提出“大力發(fā)展裝配式建筑；積極發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)等建筑結(jié)構(gòu)體系”。根據(jù)《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見(jiàn)》，上海已納入裝配式建筑發(fā)展的重點(diǎn)推進(jìn)地區(qū)。

為響應(yīng)政府大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)和裝配式建筑的號(hào)召，本文介紹一種能滿足項(xiàng)目不間斷營(yíng)運(yùn)需求的臨時(shí)裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工平臺(tái)體系。該鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)體系具有結(jié)構(gòu)性能好、現(xiàn)場(chǎng)無(wú)焊接、可通過(guò)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可供類似項(xiàng)目借鑒。

1 工程概況

某大型商場(chǎng)改建項(xiàng)目位于上海市徐匯區(qū)核心商業(yè)區(qū)，項(xiàng)目改建前外景如圖1所示。項(xiàng)目改建區(qū)域?yàn)樯虡I(yè)裙房部分，不包含裙房以上A、B座塔樓辦公區(qū)。改建施工內(nèi)容主要包括：地下室改建工程、輔樓改建工程、新建連橋及原連橋改建工程、出入口改造工程、外立面幕墻改造工程和主樓中庭裝飾工程。

為保證改建施工時(shí)，商場(chǎng)不間斷運(yùn)營(yíng)，除地下室改建工程和輔樓改建工程外，其他4項(xiàng)工程均需要用到施工平臺(tái)。其中，主樓中庭裝飾工程裝飾區(qū)域（施工平臺(tái)區(qū)域）平面如圖2所示，平臺(tái)覆蓋面積約800 m2。在主樓中庭首層搭設(shè)層高4 m的施工平臺(tái)，平臺(tái)上再搭設(shè)通高腳手架，在施工平臺(tái)和通高腳手架上完成主樓中庭裝飾施工工作。

圖1 某商場(chǎng)改建項(xiàng)目外景

圖2 主樓中庭裝飾區(qū)域（施工平臺(tái)區(qū)域）平面示意

主樓中庭裝飾工程為室內(nèi)工程，施工平臺(tái)除滿足基本功能以外，還需要滿足項(xiàng)目的特殊要求，如滿足正常營(yíng)業(yè)并盡可能減小平臺(tái)對(duì)顧客購(gòu)物體驗(yàn)影響的要求、室內(nèi)環(huán)境保護(hù)要求、現(xiàn)有設(shè)施設(shè)備的保護(hù)要求等。因此，需要采用更合理的施工平臺(tái)方案，以滿足項(xiàng)目要求。

2 方案比選

鋼結(jié)構(gòu)具有工業(yè)化程度高、結(jié)構(gòu)布置靈活、施工速度快、即裝即用、拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)，因此，施工平臺(tái)多采用鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)施工平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系多為框架或者框架-支撐結(jié)構(gòu)[4-5]。

另外，為減小平臺(tái)對(duì)現(xiàn)有地下室結(jié)構(gòu)頂板的影響，柱腳與地下室頂板的連接節(jié)點(diǎn)需采用鉸接節(jié)點(diǎn)，其連接構(gòu)造如圖3所示。

圖3 平臺(tái)柱腳節(jié)點(diǎn)構(gòu)造示意

下面將通過(guò)4個(gè)施工平臺(tái)方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較，選擇出適應(yīng)項(xiàng)目要求的方案。

2.1 方案一

方案一為柱腳鉸接、梁柱栓焊剛接的框架結(jié)構(gòu)方案。該方案鋼梁翼緣與鋼柱現(xiàn)場(chǎng)焊縫連接，鋼梁腹板通過(guò)高強(qiáng)度螺栓與鋼柱連接，其節(jié)點(diǎn)構(gòu)造見(jiàn)圖4。

圖4 方案一的梁柱連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造示意

2.2 方案二

方案二為柱腳鉸接、梁柱采用帶懸臂梁段的全螺栓剛接連接的框架結(jié)構(gòu)方案。該方案懸臂梁段翼緣、腹板與鋼柱在工廠焊接形成整體，鋼梁與懸臂梁段之間用高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拼接，其帶懸臂梁段的全螺栓剛接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造見(jiàn)圖5。

圖5 方案二的梁柱連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造示意

2.3 方案三

方案三為柱腳鉸接、梁柱鉸接+支撐的結(jié)構(gòu)方案。柱腳鉸接、梁柱鉸接為可變體系，加支撐后才能形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，支撐多采用十字中心支撐或人字形中心支撐[6]。該方案梁柱鉸接節(jié)點(diǎn)為鋼梁腹板通過(guò)高強(qiáng)度螺栓與鋼柱相連，翼緣不連接，其節(jié)點(diǎn)構(gòu)造見(jiàn)圖6。

圖6 方案三的梁柱鉸接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造示意

2.4 方案四

方案四為柱腳鉸接、梁柱鉸接+隅撐方案。該方案為全裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工平臺(tái)，連接構(gòu)造簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)焊接。該方案鋼梁腹板通過(guò)高強(qiáng)度螺栓與鋼柱連接，隅撐兩端也通過(guò)高強(qiáng)度螺栓分別與鋼梁和鋼柱相連，其梁柱及隅撐連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造見(jiàn)圖7。

圖7 方案四的梁柱、隅撐連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造示意

2.5 方案比較

方案一節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便，但需要現(xiàn)場(chǎng)焊接，現(xiàn)場(chǎng)焊接不僅污染商場(chǎng)室內(nèi)環(huán)境，且可能觸發(fā)商場(chǎng)煙感報(bào)警系統(tǒng)；方案二雖沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)焊接，但其運(yùn)輸不方便且螺栓使得施工平臺(tái)上表面不平整，對(duì)施工安全不利；方案三雖然避免了前2個(gè)方案的缺點(diǎn)，但其缺點(diǎn)是支撐使得通行受阻，對(duì)商場(chǎng)的購(gòu)物體驗(yàn)有比較大的影響；方案四采用全裝配施工，連接構(gòu)造簡(jiǎn)單，隅撐高度小，不污染商場(chǎng)室內(nèi)環(huán)境且不影響商場(chǎng)內(nèi)部通行。

4個(gè)鋼結(jié)構(gòu)施工平臺(tái)方案的優(yōu)缺點(diǎn)詳細(xì)比較見(jiàn)表1。

表1 鋼平臺(tái)方案比較

根據(jù)Maxwell準(zhǔn)則[7]，4個(gè)鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)方案的平面計(jì)算簡(jiǎn)圖（一跨）的超靜定次數(shù)均為1，即4個(gè)方案均可形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體系。通過(guò)4個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較，最終選擇方案四作為中庭裝飾工程的施工平臺(tái)。

3 計(jì)算分析

為更全面地了解所選方案的結(jié)構(gòu)性能，保證施工平臺(tái)的安全性，需對(duì)其進(jìn)行必要的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析?？蚣芙Y(jié)構(gòu)是施工平臺(tái)經(jīng)常采用并可用常規(guī)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)體系[8]。因此，本節(jié)分別建立了方案一（框架結(jié)構(gòu)）和方案四（梁柱鉸接+隅撐）2個(gè)簡(jiǎn)化計(jì)算模型，通過(guò)對(duì)2個(gè)模型計(jì)算結(jié)果的比較，證明所選方案的施工平臺(tái)結(jié)構(gòu)是安全、可靠的。

3.1 計(jì)算模型

2個(gè)計(jì)算模型平面尺寸5.0 m×5.0 m，高度4.0 m。平臺(tái)構(gòu)件均采用熱軋型鋼，平臺(tái)柱截面均為HW250 mm× 250 mm，平臺(tái)梁截面均為HN300 mm×150 mm。方案四中的隅撐截面為100 mm×100 mm×6 mm方鋼，隅撐高度900 mm。2個(gè)計(jì)算模型軸測(cè)圖如圖8所示。

圖8 計(jì)算模型（左為方案一，右為方案四）

3.2 荷載及作用

重力荷載：除平臺(tái)自重外，平臺(tái)結(jié)構(gòu)還承擔(dān)其上部腳手架及廣告牌自重和施工荷載作用。

風(fēng)荷載：室內(nèi)環(huán)境不考慮風(fēng)荷載。

地震作用：7度（0.1g），場(chǎng)地類別為Ⅳ類（臨時(shí)結(jié)構(gòu)一般可以不考慮地震作用，此處僅用作2個(gè)方案的結(jié)構(gòu)性能比較）。

3.3 動(dòng)力特性分析

動(dòng)力特性分析[9]是運(yùn)用有限元法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，建立系統(tǒng)特征值問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型，用近似方法求解系統(tǒng)的固有頻率和固有振型矢量的過(guò)程。結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性在一定程度上反映結(jié)構(gòu)剛度的大小，通常情況下，結(jié)構(gòu)質(zhì)量越大周期越長(zhǎng)，而剛度越大周期越短[7]。

經(jīng)計(jì)算，2個(gè)計(jì)算模型的前三階自振周期及相應(yīng)振型如表2所示。

從表2可看出，2個(gè)計(jì)算模型前三階振型依次為x向水平振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和y向水平振動(dòng)。在方案四模型比方案一模型質(zhì)量略大的情況下（多出隅撐質(zhì)量），其各階自振周期比方案一模型相應(yīng)周期要短，且方案四模型的扭轉(zhuǎn)周期比方案一模型的前三階周期都短。因此，方案四模型2個(gè)方向側(cè)向剛度均比方案一模型相應(yīng)方向側(cè)向剛度大，且方案四模型扭轉(zhuǎn)剛度也變大。

3.4 整體穩(wěn)定分析

研究表明：建筑結(jié)構(gòu)僅在豎向重力荷載作用下產(chǎn)生整體失穩(wěn)的可能性很小，其穩(wěn)定設(shè)計(jì)主要是控制在水平荷載作用下，重力荷載產(chǎn)生的二階效應(yīng)不致過(guò)大，以免引起結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)倒塌，因此結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求。

表2 結(jié)構(gòu)自振周期及振型

JGJ 99—2015《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》6.1.7條第一款規(guī)定，框架結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性應(yīng)該符合公式（1）的規(guī)定：

式中：Di——第i樓層的側(cè)向剛度；

Gj——第j樓層重量荷載設(shè)計(jì)值；

hi——第i樓層層高。

結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定驗(yàn)算如表3所示。

表3 整體穩(wěn)定驗(yàn)算

4 平臺(tái)施工

該項(xiàng)目裝配式鋼施工平臺(tái)主要構(gòu)件包括鋼柱、鋼梁、隅撐和花紋鋼板，主要連接材料為化學(xué)錨栓、高強(qiáng)度螺栓和自攻螺釘?；瘜W(xué)錨栓將鋼柱固定在地下室頂板上，高強(qiáng)度螺栓用于鋼柱、鋼梁和隅撐之間的連接，自攻螺釘將花紋鋼板固定在鋼梁上。

項(xiàng)目要求平臺(tái)的施工只能在商場(chǎng)停止?fàn)I業(yè)后才能進(jìn)行，而化學(xué)錨栓一般需要24 h的靜置時(shí)間，如果先種植化學(xué)錨栓，第2天夜間才能安裝施工平臺(tái)，地面化學(xué)錨栓會(huì)影響第2天商場(chǎng)正常營(yíng)業(yè)。因此，該項(xiàng)目的化學(xué)錨栓在平臺(tái)鋼構(gòu)件組裝完成后才進(jìn)行種植，待化學(xué)錨栓完全固化以后再將其擰緊并安裝花紋鋼板、搭設(shè)上部腳手架，從而避免化學(xué)錨栓受到擾動(dòng)。

鋼平臺(tái)主要施工步驟為：材料進(jìn)場(chǎng)→一榀梁柱地面裝配并立于相應(yīng)位置→裝配其余梁、柱構(gòu)件→隅撐安裝→安裝化學(xué)錨栓→安裝花紋鋼板→鋼柱外包→結(jié)束。

裝配式鋼平臺(tái)施工過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)照片如圖9所示。

圖9 裝配式鋼平臺(tái)施工過(guò)程

5 結(jié)語(yǔ)

裝配式鋼結(jié)構(gòu)具有節(jié)能環(huán)保、性能優(yōu)良、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣。本文針對(duì)某商場(chǎng)改建項(xiàng)目主樓中庭裝飾施工，提出4種鋼結(jié)構(gòu)施工平臺(tái)方案，通過(guò)對(duì)4種施工平臺(tái)優(yōu)缺點(diǎn)的詳細(xì)比較，確定了一種適應(yīng)于項(xiàng)目環(huán)境保護(hù)等要求的全裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工平臺(tái)。為全面認(rèn)識(shí)所選方案平臺(tái)結(jié)構(gòu)性能、保證平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全，建立了2個(gè)簡(jiǎn)化計(jì)算模型，對(duì)其動(dòng)力特性及整體穩(wěn)定性進(jìn)行了分析比較。分析結(jié)果表明，所選方案結(jié)構(gòu)性能比常規(guī)框架結(jié)構(gòu)性能更好，經(jīng)實(shí)踐亦達(dá)到了理想的效果。