郭 磊

(中鐵建設(shè)集團(tuán)中南建設(shè)有限公司 湖北武漢 430000)

1 引言

大跨度異形鋼結(jié)構(gòu)施工是一個(gè)技術(shù)性強(qiáng)、精度要求高的工作，相比于現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)施工往往采用構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)分段拼裝，施工過程輔以臨時(shí)支撐措施完成焊接或螺栓施擰工序后即撤出，無固定支撐體系[1]。

一般對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析是在整個(gè)模型建立完成之后，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行分析。但實(shí)際上，在鋼結(jié)構(gòu)吊裝過程中，上層吊裝會(huì)對(duì)下層吊裝完成的結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生影響。這就要求我們需對(duì)整個(gè)施工過程分步進(jìn)行分析，在各個(gè)構(gòu)件吊裝、安裝過程中需進(jìn)行分析計(jì)算，時(shí)刻監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的受力變化[2-5]。為解決多層大跨空間異形復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)安裝施工的難題，下面采用有限元軟件通過建立不同工況下仿真模型對(duì)江西某多層大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊工程的施工全過程進(jìn)行模擬分析，并根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果，施工現(xiàn)場(chǎng)采取四大關(guān)鍵技術(shù)，確保了該鋼結(jié)構(gòu)在施工過程中的質(zhì)量、安全。

2 工程概況及重難點(diǎn)分析

2.1 工程概況

江西某工程包含兩部分多層鋼結(jié)構(gòu)連廊，東連廊和西連廊。東西連廊均為框架結(jié)構(gòu)，由圓管柱、箱形柱、箱形梁、H型鋼梁及斜撐組成?？備摿考s為5 300 t。東連廊總高度為27 m，西連廊總高度為22.85 m，共6層。東西連廊鋼結(jié)構(gòu)采用80 t汽車吊進(jìn)行吊裝，遵循先主后次，由中間向外圍的原則依次安裝。首層大跨度分段主梁及懸挑位置分段圓弧梁安裝時(shí)在基礎(chǔ)頂板上用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)搭設(shè)支撐，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)頂部設(shè)置轉(zhuǎn)換平臺(tái)支架。臨時(shí)支撐采用格構(gòu)式支撐形式，格構(gòu)式支撐截面尺寸為1.2 m×1.2 m，主桿件為140×12 mm，腹桿為80×8 mm，材質(zhì)均為Q235B。

2.2 重難點(diǎn)分析

(1)本工程鋼結(jié)構(gòu)施工區(qū)域狹小，且在地下室頂板上進(jìn)行吊裝，需對(duì)地下室頂板受力進(jìn)行復(fù)核并進(jìn)行加固處理。

(2)鋼結(jié)構(gòu)單根構(gòu)件較大，最重達(dá)19.993 t，安裝高度較高，高度達(dá)29 m，需要較大吊車進(jìn)行吊裝，對(duì)地下室頂板結(jié)構(gòu)安全性提出要求。

(3)鋼結(jié)構(gòu)吊裝、安裝過程中需要分析出最不利位置，輔助以臨時(shí)支撐架，確保鋼結(jié)構(gòu)吊裝、安裝的穩(wěn)定性。

(4)鋼結(jié)構(gòu)連廊屬于異形結(jié)構(gòu)，重心難以確定，受力計(jì)算比較復(fù)雜，采用有限元分析軟件進(jìn)行模擬分析，確保鋼結(jié)構(gòu)施工過程中的安全性。

3 數(shù)值模擬分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建模及工況采用有限元分析軟件建立有限元分析模型，并對(duì)全過程不同工況條件進(jìn)行分析，確定不同工況下鋼結(jié)構(gòu)桁架體系自身受力情況，分析最不利位置，并施加臨時(shí)支撐架、增加臨時(shí)支座，保證鋼梁拼裝的同時(shí)防止上部構(gòu)件安裝時(shí)對(duì)下層鋼梁集中荷載過大[6-9]。如圖1、圖2所示。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)桁架模型正視圖

圖2 鋼結(jié)構(gòu)桁架工況有限元分析圖(應(yīng)力)

根據(jù)有限元分析模型對(duì)不同工況下鋼結(jié)構(gòu)桁架體系進(jìn)行計(jì)算復(fù)核，針對(duì)應(yīng)力或變形超出限定值部位通過施加臨時(shí)支撐架保證鋼結(jié)構(gòu)桁架體系的穩(wěn)定性。再進(jìn)一步對(duì)鋼結(jié)構(gòu)吊裝工況復(fù)核，確保施加臨時(shí)支撐架后鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，同時(shí)復(fù)核吊裝過程中對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響，避免荷載過大。另外，采用有限元分析軟件，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)臨時(shí)支撐的卸載順序、卸載過程控制進(jìn)行模擬分析，驗(yàn)證“分區(qū)分步”卸載原則，確保卸載過程安全可靠[10-11]。

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果，施工現(xiàn)場(chǎng)采取四大關(guān)鍵技術(shù):混凝土結(jié)構(gòu)樓板加固支撐吊車施工技術(shù)、臨時(shí)支撐架搭設(shè)施工技術(shù)、路基箱安裝施工技術(shù)、鋼結(jié)構(gòu)吊裝及卸載施工技術(shù)。

4.1 混凝土結(jié)構(gòu)樓板加固支撐吊車施工技術(shù)

因東連廊鋼結(jié)構(gòu)吊裝需在地下室頂板上進(jìn)行，為了防止吊車在混凝土樓板上行進(jìn)及吊裝對(duì)原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，需對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)樓板進(jìn)行加固處理。通過有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，計(jì)算地下室頂板受力情況。本工程通過保留地下室模板支撐架體系的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下室頂板結(jié)構(gòu)的加固[12-13]。

4.2 臨時(shí)支撐架搭設(shè)施工技術(shù)

本工程通過有限元分析軟件，計(jì)算出在整個(gè)施工過程中，受力最不利位置，輔以臨時(shí)支撐架，確保在吊裝過程的安全性。通過數(shù)值模擬分析東連廊需搭設(shè)20組臨時(shí)支撐架，西連廊需搭設(shè)17組支撐架。下面以東連廊為例，對(duì)臨時(shí)支撐架設(shè)計(jì)進(jìn)行描述。

東連廊首層鋼梁底標(biāo)高+5.05 m，基礎(chǔ)頂板標(biāo)高-1.5 m，間隙6.55 m，東連廊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)支架選用兩節(jié)3 m高或2節(jié)2.5 m高標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組裝，轉(zhuǎn)換平臺(tái)選用H350×350×12×9型鋼制作，轉(zhuǎn)換平臺(tái)高度1.55 m，上方H型鋼梁上焊接調(diào)節(jié)鋼板根據(jù)鋼梁不同起拱值調(diào)節(jié)鋼梁標(biāo)高。東連廊總計(jì)搭設(shè)20組支撐架，6組支撐架位于二層樓板上方，14組位于基礎(chǔ)頂板上，見圖3、圖4。

圖3 地下室頂板支撐架

圖4 后澆帶位置支撐架

4.3 路基箱安裝施工技術(shù)

位于基礎(chǔ)頂板上支撐架底部需鋪設(shè)路基箱，如圖3所示。2組支撐架位于后澆帶位置，采用2根H350×350×12×19-Q235B鋼梁，垂直施工縫設(shè)置，與混凝土梁采用有效錨固措施，鋼梁上方鋪設(shè)路基箱，支撐架搭設(shè)于路基箱上方，如圖4所示。

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)四根立柱下方設(shè)置16×300×300墊板，同一水平高度，墊板與路基箱焊接固定，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)下方鋪設(shè)2張150×1 000×4 000路基箱，路基箱用膨脹螺栓與混凝土限位固定。

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)立在墊板上，采用門型鋼板將標(biāo)準(zhǔn)節(jié)與路基箱固定，增加標(biāo)準(zhǔn)節(jié)與路基箱的穩(wěn)固程度，避免標(biāo)準(zhǔn)節(jié)根部活動(dòng)，在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)頂部(約H/4)處張拉4根纜風(fēng)繩固定標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，纜風(fēng)繩與地平面張拉角度35°～45°，每根纜風(fēng)繩用3 t手拉葫蘆拉緊，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)搭設(shè)是保證標(biāo)準(zhǔn)節(jié)垂直搭設(shè)于路基箱上，用經(jīng)緯儀測(cè)量復(fù)核。

每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)之間的固定螺栓必須滿穿，且每個(gè)螺栓緊固到位。轉(zhuǎn)換平臺(tái)與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)螺栓連接固定。

調(diào)節(jié)工字鋼兩側(cè)設(shè)置加勁板加強(qiáng)，鋼梁就位位置兩側(cè)安裝限位板，限位板與轉(zhuǎn)換平臺(tái)焊接；路基箱與樓板采用化學(xué)錨栓植入埋板焊接固定。

4.4 鋼結(jié)構(gòu)吊裝及卸載施工技術(shù)

在鋼結(jié)構(gòu)吊裝及卸載過程中，運(yùn)用有限元分析軟件逐次激活計(jì)算程序中的“死”單元，模擬分析對(duì)整個(gè)施工過程的應(yīng)力變化。施工工況及卸載計(jì)算按照施工流程模擬。如圖5、圖6所示。

圖5 鋼結(jié)構(gòu)桁架卸載前有限元分析圖(應(yīng)力)

圖6 鋼結(jié)構(gòu)桁架卸載完成有限元分析圖(應(yīng)力)

臨時(shí)支撐拆除的過程中，結(jié)構(gòu)受力異常復(fù)雜。本工程采用千斤頂對(duì)臨時(shí)支撐進(jìn)行卸載，在需要拆除臨時(shí)支撐的每個(gè)轉(zhuǎn)換平臺(tái)位置設(shè)置2個(gè)50 t螺旋千斤頂，千斤頂?shù)鬃谥Ъ苌戏接娩摪逑尬还潭?，限位板與轉(zhuǎn)換平臺(tái)焊接牢固，確保千斤頂垂直受力。

采用有限元分析軟件對(duì)臨時(shí)支撐卸載順序、卸載過程控制進(jìn)行模擬分析，驗(yàn)證了支撐卸載的分區(qū)分步卸載的原則[14]。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合工程實(shí)際，基于有限元分析軟件建立鋼結(jié)構(gòu)吊裝不同工況條件下仿真模型并進(jìn)行復(fù)雜受力分析，有效地預(yù)判并提前解決處理鋼結(jié)構(gòu)吊裝過程所遇到的各類問題；施工現(xiàn)場(chǎng)采取的四大關(guān)鍵技術(shù)，確保工程質(zhì)量、安全；為此我們可以得出如下結(jié)論:

(1)通過數(shù)值模擬分析得出地下室頂板受力情況，采用保留地下室頂板模板支撐架體系方案是安全、實(shí)用的。

(2)通過數(shù)值模擬分析得出鋼結(jié)構(gòu)吊裝過程中最不利位置，設(shè)置臨時(shí)支撐，針對(duì)不同部位闡述了臨時(shí)支撐架的安裝方法，可以有效保證在鋼結(jié)構(gòu)吊裝過程中安全性。

(3)路基箱安裝技術(shù)可以有效地對(duì)地下室頂板受力進(jìn)行分載，以降低地下室頂板承載力的要求，可以防止鋼結(jié)構(gòu)吊裝對(duì)原混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。

(4)鋼結(jié)構(gòu)吊裝及卸載過程中采用有限元分析軟件對(duì)整個(gè)吊裝及卸載過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，能有效規(guī)避施工中出現(xiàn)的問題，極大地提升了施工的安全性和可靠性。