張?bào)w輝 倪勝利 戴玉帥 張新輝

中國(guó)建筑第八工程局有限公司鋼結(jié)構(gòu)工程公司 上海 200125

1 概述

隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，大跨度鋼桁架和混凝土組合結(jié)構(gòu)建筑不斷涌現(xiàn)，多體現(xiàn)于大型廠房結(jié)構(gòu)以及外部有特殊造型結(jié)構(gòu)的建筑中。

在大跨度鋼桁架結(jié)構(gòu)中，鋼構(gòu)件大多處于超靜定狀態(tài)，桿件之間相互約束，桁架整體剛度大，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的約束性強(qiáng)，溫度應(yīng)力使鋼桁架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生膨脹，由中間向外部延伸，使鋼結(jié)構(gòu)建筑物由中間向兩端變形增大，因此溫度應(yīng)力的影響在鋼桁架結(jié)構(gòu)變形中是必須考慮的因素，在設(shè)計(jì)中必須計(jì)算溫度應(yīng)力和變形程度。目前，常規(guī)的施工辦法是在鋼結(jié)構(gòu)一定的溫度區(qū)間設(shè)置伸縮縫，縮短溫度區(qū)，減小溫度對(duì)一般建筑物的影響，從而在設(shè)計(jì)時(shí)可以不考慮溫度產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變，以此來(lái)降低溫度應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，但這個(gè)方法必然會(huì)影響建筑立面的造型美觀需求，也會(huì)帶來(lái)防水等問(wèn)題[1-4]。

對(duì)于那些不適合設(shè)置伸縮縫的結(jié)構(gòu)，只能普遍采用加大安全系數(shù)法，即加大鋼構(gòu)件截面，減小溫度應(yīng)力對(duì)變形的影響，而這就會(huì)導(dǎo)致用鋼量的大幅增加。從理論上考慮，在大跨度鋼桁架結(jié)構(gòu)中，如果適當(dāng)設(shè)置滑動(dòng)支座，在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性的條件下，可以釋放掉一部分溫度應(yīng)力，這就可以降低溫度應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，從而解決了對(duì)結(jié)構(gòu)條件的依賴(lài)和用鋼量增加的困擾。

因此，單向滑動(dòng)鉸支座被廣泛應(yīng)用于建筑上，尤其適用于大跨度鋼桁架結(jié)構(gòu)中屋頂結(jié)構(gòu)和下部支承結(jié)構(gòu)的鉸接連接。其可以實(shí)現(xiàn)以下功能：支座具有各方向的轉(zhuǎn)動(dòng)能力；能夠?qū)⑸喜拷Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎向荷載傳遞到下部支承結(jié)構(gòu)；能夠?qū)⑸喜拷Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生的某一方向的水平荷載傳遞到下部支承結(jié)構(gòu)；能夠釋放垂直方向的水平荷載并允許結(jié)構(gòu)在此水平方向滑動(dòng)。但是，在支承結(jié)構(gòu)側(cè)向設(shè)置單向滑動(dòng)鉸支座時(shí)，需要設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換件，并將轉(zhuǎn)換件通過(guò)預(yù)埋件剛接固定在支承結(jié)構(gòu)側(cè)部。如果滑動(dòng)鉸支座轉(zhuǎn)換件設(shè)置不當(dāng)，則不但起不到滑動(dòng)鉸支座應(yīng)有的作用，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)倒塌。

2 工程概況

上海JW萬(wàn)豪侯爵酒店項(xiàng)目（圖1）位于上海市浦東新區(qū)，總占地面積為11 340 m2，總建筑面積為119 600 m2。

本工程由塔樓和裙樓組成，塔樓結(jié)構(gòu)為型鋼混凝土外框架-核心筒組合結(jié)構(gòu)，共40層，高度為157.1 m，裙樓為鋼框架結(jié)構(gòu)，共5層，高度為24.1 m。項(xiàng)目地下室結(jié)構(gòu)為5層，底板標(biāo)高為－19.6 m?？傆娩摿考s12 000 t。

為滿(mǎn)足造型要求，工程采用了帶滑動(dòng)鉸支座的大跨度三角管桁架＋A字形勁性鋼骨混凝土柱結(jié)構(gòu)體系（圖2）。三角管桁架共設(shè)18榀，外凸型滑動(dòng)鉸支座36個(gè)，位于塔樓A字形大堂，東側(cè)8榀，西側(cè)10榀。本工程造型獨(dú)特，塔樓大堂處采用A字造型，勁性鋼骨混凝土柱最大傾斜角度11.5°，整個(gè)塔樓A字形南側(cè)處于獨(dú)立體系，使得施工十分復(fù)雜困難。幕墻三角管桁架在桁架本身自重和因水平方向偏心而產(chǎn)生的扭矩的共同作用下，使得端部節(jié)點(diǎn)內(nèi)力的發(fā)展和位形的變化都非常復(fù)雜。

圖1 上海JW萬(wàn)豪侯爵酒店效果圖

圖2 大跨度建筑幕墻桁架模型

為使三角管桁架內(nèi)部不產(chǎn)生“施工階段殘余應(yīng)力”、三角管桁架節(jié)點(diǎn)處的焊縫不產(chǎn)生撕裂和變形等不良受力狀態(tài)，在三角管桁架端部與勁性鋼骨混凝土柱之間設(shè)置滑動(dòng)鉸支座。以上海JW萬(wàn)豪侯爵酒店項(xiàng)目為研究載體，在充分集成現(xiàn)有施工技術(shù)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新提出了大跨度建筑幕墻桁架“外凸牛腿＋單向滑動(dòng)支座”的成套施工技術(shù)。本技術(shù)以幕墻桁架“外凸牛腿＋單向滑動(dòng)支座”為核心，運(yùn)用施工全過(guò)程模擬分析、施工變形監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)應(yīng)力或應(yīng)變監(jiān)測(cè)等手段全方位控制結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量，以保證結(jié)構(gòu)性能。

3 外凸型單向滑動(dòng)鉸支座技術(shù)

3.1 桁架單向滑動(dòng)鉸支座節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

為使幕墻桁架水平能夠相對(duì)自由變形，且防止桁架彎矩傳遞到混凝土結(jié)構(gòu)上，本工程幕墻桁架采用了單向滑動(dòng)鉸支座技術(shù)。該節(jié)點(diǎn)由埋件、連接板、短斜柱、U形卡槽、聚四氟乙烯板、桁架端部嵌入式牛腿等組成。聚四氟乙烯板置于U形卡槽內(nèi)，具有較強(qiáng)的滑動(dòng)性和抗震性，起到了非常關(guān)鍵的作用。U形卡槽與短斜柱相連，短斜柱通過(guò)埋件和連接板與混凝土結(jié)構(gòu)相接，再由桁架通過(guò)牛腿嵌入U(xiǎn)形卡槽，形成外凸型單向滑動(dòng)鉸支座，如圖3所示。

圖3 外凸型單向滑動(dòng)鉸支座效果圖

在幕墻桁架施工過(guò)程中，首先在混凝土柱上進(jìn)行預(yù)埋，通過(guò)連接板將U形卡槽短斜柱固定在混凝土柱上（圖4），現(xiàn)場(chǎng)拼接桁架主體與嵌入式牛腿，將聚四氟乙烯板粘于嵌入式牛腿上，然后通過(guò)端部嵌入式牛腿與U形卡槽對(duì)接（圖5），完成單榀桁架安裝。待單榀桁架微調(diào)至指定位置后，在牛腿兩側(cè)封焊抗剪鋼板（南柱節(jié)點(diǎn)只焊一側(cè)），如此一來(lái)，單榀桁架只能傳遞z軸方向荷載，繞y軸方向的彎矩以及x軸方向的水平荷載得以釋放。

圖4 U形卡槽短斜柱安裝

圖5 U形卡槽與嵌入式牛腿對(duì)接

桁架在水平方向偏心產(chǎn)生的繞x軸方向扭矩，通過(guò)嵌入式牛腿傳遞到U形卡槽的上下抗剪鋼板。本文通過(guò)Midas Gen等軟件進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)（圖6），以驗(yàn)證抗剪鋼板是否滿(mǎn)足力學(xué)性能要求，并由此得出U形卡槽、連接板等零件尺寸規(guī)格。

圖6 利用Midas Gen模擬分析端部支座反力

3.2 變形模擬分析

本工程采用Midas軟件對(duì)結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行模擬分析（圖7）。全過(guò)程模擬分析的基本步驟如下[5]：

1）基于設(shè)計(jì)資料，一次性建立整體結(jié)構(gòu)有限元模型。

2）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際溫度，對(duì)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行模擬分析，計(jì)算得到水平位移最大值，進(jìn)而得到節(jié)點(diǎn)可移動(dòng)的最大距離，根據(jù)此計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)抗剪鋼板的具體位置。

圖7 利用軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形設(shè)計(jì)

3.3 外凸型單向滑動(dòng)鉸支座節(jié)點(diǎn)焊接工藝

外凸型單向滑動(dòng)鉸支座節(jié)點(diǎn)的后焊封板焊接在混凝土預(yù)埋件上的鋼牛腿上，上下抗剪鋼板焊接在鋼牛腿上面，最后在單向滑動(dòng)鉸支座水平安裝進(jìn)入節(jié)點(diǎn)后，加焊抗剪鋼板于端部嵌入式牛腿外側(cè)，以承受桁架在水平方向偏心而產(chǎn)生的繞x軸方向的扭矩。因此外凸型單向滑動(dòng)鉸支座節(jié)點(diǎn)的焊接工藝尤為關(guān)鍵，焊縫質(zhì)量尤為重要。在焊接固定過(guò)程中，應(yīng)遵循以下原則：

1）對(duì)稱(chēng)焊接原則。在對(duì)同一個(gè)剖面對(duì)稱(chēng)位置的2條焊縫進(jìn)行焊接時(shí)，要求對(duì)構(gòu)件的熱輸入值大體相同。

2）預(yù)熱處理?，F(xiàn)場(chǎng)板厚30 mm以上，常溫以下焊接環(huán)境可用火焰預(yù)熱至60～80 ℃，預(yù)熱范圍為坡口兩側(cè)各100 mm，測(cè)溫為背面坡口兩側(cè)50 mm。

3）焊接應(yīng)力控制。其方法有減小焊縫尺寸、減小焊接拘束度、采取合理的焊接順序、對(duì)構(gòu)件進(jìn)行分解施工等。

4）焊接應(yīng)力消除。其方法有對(duì)零件整平、局部烘烤、超聲波振動(dòng)等。

5）進(jìn)行焊縫無(wú)損檢測(cè)。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)

在外凸型單向滑動(dòng)鉸支座的嵌入式牛腿上設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置做好永久性標(biāo)記，并記錄好初始位置。采用全站儀對(duì)外凸型單向滑動(dòng)鉸支座的嵌入式牛腿下側(cè)的水平變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)得到的嵌入式牛腿下側(cè)變形差值調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)內(nèi)鋼卡板的位置。變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，隨著施工的進(jìn)展，嵌入式牛腿下側(cè)有不同程度的水平變形，且隨著溫度的變化（隨時(shí)間推移溫度相應(yīng)變化），嵌入式牛腿下側(cè)的水平變形存在一定的差值，如圖8所示。

圖8 構(gòu)件變形曲線

3.5 模擬分析與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

通過(guò)對(duì)全過(guò)程施工模擬分析的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)變形及應(yīng)力監(jiān)測(cè)的結(jié)果對(duì)比，以對(duì)比的結(jié)果反饋于施工方案的調(diào)整，從而確定更加嚴(yán)謹(jǐn)、更加科學(xué)的大跨度建筑幕墻桁架施工方案。

3.6 實(shí)時(shí)應(yīng)力監(jiān)測(cè)

大跨度建筑幕墻桁架在安裝完成后，連接板處會(huì)產(chǎn)生較大的剪切力。為檢查連接板處焊縫的焊接質(zhì)量是否滿(mǎn)足要求，在兩側(cè)連接板處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)在安裝大跨度建筑幕墻桁架前、后連接板處3 h內(nèi)的實(shí)時(shí)應(yīng)力變化。同時(shí)在外凸型單向活動(dòng)鉸支座處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)安裝單榀桁架吊桿前、后連接板和抗剪鋼板的實(shí)時(shí)應(yīng)力變化，確保施工安全。

4 結(jié)語(yǔ)

以上海JW萬(wàn)豪侯爵酒店工程的大跨度幕墻桁架施工實(shí)踐為基礎(chǔ)，提出了“外凸型單向滑動(dòng)鉸支座”的成套施工技術(shù)，其中包括全周期施工模擬分析與現(xiàn)場(chǎng)全過(guò)程變形應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比的大跨度幕墻桁架焊接安裝技術(shù)與實(shí)時(shí)應(yīng)力監(jiān)測(cè)技術(shù)。

在大跨度鋼桁架結(jié)構(gòu)中，溫度對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的整體變形和內(nèi)部應(yīng)力分布的影響是不可忽略的。按照以往常規(guī)施工辦法設(shè)置伸縮縫，就會(huì)使得建筑的防水性能、保溫性能有所下降，建筑外立面和造型的美觀需求也難以達(dá)到人們預(yù)期。若采用加大鋼構(gòu)件截面的辦法來(lái)抵抗溫度應(yīng)力和溫度變形的影響，則會(huì)嚴(yán)重增加結(jié)構(gòu)用鋼量，從而大大增加經(jīng)濟(jì)成本，同時(shí)有可能產(chǎn)生負(fù)面作用，即結(jié)構(gòu)自重增大會(huì)對(duì)支座產(chǎn)生過(guò)大的內(nèi)力，超出支座的承載力，繼而使得支座的設(shè)計(jì)、施工困難且成本加大。

由上海JW萬(wàn)豪侯爵酒店工程的大跨度幕墻桁架施工實(shí)踐可知，科學(xué)地設(shè)置滑動(dòng)鉸支座，不但可以保證結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性，而且可以將大跨度鋼桁架因溫度產(chǎn)生的應(yīng)力及變形釋放出去，解決了在溫度影響下桁架兩端彎曲應(yīng)力過(guò)大的難題，同時(shí)也滿(mǎn)足了大跨度幕墻桁架施工與使用階段的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定需求，為建筑施工中大跨度幕墻桁架的連接提供了一種可靠、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的施工工藝。