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        貝雷方柱支撐體系在大跨度鋼結構中的應用

        2021-12-22 06:38:12張位清戴超虎鄧正磊
        建筑施工 2021年9期
        關鍵詞:方柱貝雷胎架

        蔣 衛(wèi) 張位清 戴超虎 廖 飛 鄧正磊

        中建五局第三建設有限公司 湖南 長沙 410004

        大跨度鋼結構主要施工方法有散裝、提升、頂升、滑移等。相對于提升、頂升、滑移等施工方法,散裝法具有風險小、成本低、難度小等優(yōu)點,因此散裝法在大跨度鋼結構中被廣泛采用。然而,在散裝法中,支撐體系的選擇和設計是關鍵。市場上支撐胎架常用形式為現(xiàn)場自制、裝配格構式、塔吊標準節(jié)等。這些胎架分別面臨著成本高、租賃資源少、高度單一等缺點[1-5]。經(jīng)調查,貝雷片也可組裝成豎向支撐胎架,并且租賃資源多,成本可控,具備非標準節(jié)調節(jié)高度的條件。

        1 工程背景

        長沙某展示中心建筑東西長217.2 m,南北寬48.2 m,地下2層,地上6層。結構類型為鋼筋混凝土框架結構和鋼結構相結合。

        其中,A區(qū)采用型鋼混凝土結構,B區(qū)采用鋼框架+鋼桁架結構,C區(qū)采用鋼筋混凝土結構,具體如圖1所示。大跨度鋼桁架主要分布在B區(qū)中庭部位,最大跨度44 m,如圖2所示。

        圖1 結構示意

        圖2 大跨度鋼桁架分布立面示意

        2 支撐體系比選

        本工程大跨度鋼桁架主要分布在B區(qū)中庭部位。根據(jù)現(xiàn)場塔吊布置情況和大跨度鋼桁架分段情況,共需設置14個支撐胎架,如圖3中黑點所示。由于B區(qū)中庭下部地下室頂板上部存在2個大型下沉廣場,使得有7個支撐胎架位于地下室頂板上,7個支撐胎架位于下沉廣場中(即地下室底板上)。

        圖3 大跨度鋼桁架平面布置示意

        根據(jù)市場調查,鋼結構臨時支撐體系主要分為現(xiàn)場自制、裝配格構式、塔吊標準節(jié)以及貝雷片等方式,它們之間的優(yōu)缺點各有不同。根據(jù)本工程實際情況,位于地下室頂板上部的7個支撐胎架位置高差為9.77 m,位于地下室底板上部的7個支撐胎架位置高差為19.47 m。綜合考慮上述支撐胎架形式的優(yōu)缺點,本工程擬采用貝雷片作為大跨度鋼桁架的臨時支撐體系。參照《裝配式公路鋼橋多用途使用手冊》可知,貝雷片支撐體系可分為貝雷排柱和貝雷方柱,形式如圖4所示??紤]到現(xiàn)場諸多不確定性因素,而且貝雷方柱承載能力更大,故本工程選擇采用貝雷方柱作為大跨度鋼桁架的支撐體系。

        圖4 貝雷排柱和貝雷方柱

        3 支撐體系設計

        查閱相關資料可知貝雷片材質為16Mn,標準平面尺寸為長3.0 m、寬1.5 m,非標準片尺寸為長、寬均為1.5 m或長1.0 m、寬1.5 m,每片貝雷片插頭間采用M50銷釘連接。

        本工程支撐胎架采用貝雷片組成的方柱形式,如圖5所示。貝雷方柱成形橫截面尺寸為1 900 mm×1 900 mm,1個貝雷方柱由4片貝雷片組成,每片標準貝雷片采用2個角撐和M30弦桿螺栓連接,每一層方柱共8個角撐。方柱下部設置礎板,以便方柱將荷載順利傳遞至基礎。每個方柱需設置8塊礎板。方柱上部設置4根大頂梁,截面H300 mm×200 mm×12 mm×12 mm,材質Q345B,大頂梁下翼緣焊接2個凸耳,以便和方柱采用銷子連接。為了保證方柱頂部整體穩(wěn)固,4根大頂梁分別采用20a#工字鋼(Q345B)焊接連接。局部細微標高調整可在方柱頂部采用千斤頂配合焊接碼板(PL25 mm×100 mm×250 mm)進行。

        圖5 貝雷方柱及其連接件示意

        對于位于地下室底板上部的7個支撐胎架(高差19.47 m),每個方柱選用6層標準節(jié)和1層高1 m的非標準節(jié)(6×3 m+1×1 m=19 m),為了保證礎板受力的均勻性,再在礎板下部設置PL20 mm×2 500 mm×2 500 mm的鋼板,礎板焊接固定在鋼板上部。其余高差現(xiàn)場采用工字鋼或者碼板調整。

        對于位于地下室頂板上部的7個支撐胎架(高差為9.77 m),每個方柱選用3層標準節(jié)(3×3 m=9 m),為了保證礎板受力的均勻性,再在礎板下部設置路基箱(尺寸200 mm×1 200 mm×5 500 mm),礎板焊接固定在路基箱上部。其余高差現(xiàn)場采用工字鋼或者碼板調整。由于此部分方柱位于地下室頂板上部,現(xiàn)場安裝時可小距離微調路基箱位置,盡量使荷載傳遞到鋼筋混凝土梁上,地下室頂板混凝土梁可根據(jù)設計荷載情況確定是否需要加固。

        4 仿真模擬

        本工程中庭大跨度鋼桁架需搭設支撐胎架,最不利情況為支撐胎架采用3個貝雷片組成的方柱形式,計算高度19.3 m。貝雷片方柱上部采用H300 mm×200 mm×12 mm×12 mm的大頂梁作為荷載傳遞梁。荷載傳遞梁之間采用20a#工字鋼連接。貝雷片材質為16Mn,其余材質均為Q345B。每個支撐胎架按照50 t承載驗算。

        根據(jù)實際情況,鋼桁架吊裝完成后正常使用時,支撐胎架按照兩端25 t對稱加載的方式驗算;鋼桁架在吊裝期間,考慮到鋼桁架分段不同時吊裝可能會導致偏心受壓及其他偶然因素,支撐胎架按照25 t偏心受壓的方式驗算。支撐胎架四周均考慮2 kN/m的施工荷載。荷載組合按1.2倍恒荷載+1.4倍活荷載考慮。采用有限元計算軟件分析如下:

        1)正常使用計算分析。經(jīng)計算可知,正常使用狀態(tài),對稱加載的情況下,貝雷片方柱最大應力為149 MPa,Q345B鋼強度設計值為310 MPa,最大應力比0.48,滿足要求;貝雷片方柱最大變形為7.21 mm,滿足要求;1節(jié)屈曲臨界系數(shù)為7.338,滿足要求。

        2)偏心受壓計算分析。經(jīng)計算可知,極限偏心受壓狀態(tài)下,貝雷片方柱最大應力為140 MPa,Q345B鋼強度設計值為310 MPa,最大應力比0.42,滿足要求;貝雷片方柱最大變形為20.6 mm,滿足要求;1節(jié)屈曲臨界系數(shù)為7.041,滿足要求。

        因此,采用貝雷片方柱作為支撐胎架滿足要求。

        5 安裝和拆卸

        5.1 貝雷方柱安裝

        每片貝雷片質量為270 kg,分片運輸至現(xiàn)場后,采用塔吊或汽車吊卸運至指定堆場或下沉廣場,之后采用汽車吊位于地下室頂板上部拼裝。每拼裝1—3層方柱后,視情況采用塔吊或汽車吊吊運至支撐位置。方柱拼裝完成后,需綜合考慮支撐胎架的彈性和非彈性變形,以及鋼桁架卸載完成后的變形,以此確定大跨度鋼桁架下弦桿起拱值。

        5.2 貝雷方柱拆卸

        5.2.1 貝雷方柱卸載

        中庭鋼桁架及其橫向連系桿件安裝并焊接完成后,再進行卸載。正式卸載前架設好全站儀,卸載前再復核整個鋼桁架的標高監(jiān)測點,確保滿足圖紙要求,并做好記錄。在地面上用水準儀監(jiān)測方柱的沉降狀況,觀測是否在均勻變化,記錄測量數(shù)據(jù)。

        在方柱頂部將方柱大頂梁上的所有千斤頂同時頂緊,用氣焊切割開大頂梁上的碼板,切割點與鋼桁架下弦桿距離至少要大于20 mm,以免割傷弦桿。每次切割約使支撐下降3 cm,分次切割,直至梁段不再下降為止。

        5.2.2 貝雷方柱卸載順序

        鋼桁架卸載時要統(tǒng)一指揮,操作者步調一致、均勻卸力。按縱橫2個方向分級同步卸載,橫向卸載由中間2榀鋼桁架向外部2榀鋼桁架進行,遵循結構本身內力傳遞的特點,卸載點要對稱;縱向卸載由兩端向跨中卸載。卸載過程要緩慢,不可一次到位,應使各方柱都處于受荷狀態(tài)。卸載過程中要對方柱進行嚴格的沉降觀測,及時匯報各檢測點的數(shù)據(jù),并需觀測鋼桁架下弦桿的標高,確保符合設計要求。中庭支撐胎架分級同步卸載按順序①→②→③→④進行,如圖6所示。

        圖6 支撐胎架卸載順序示意

        5.2.3 貝雷方柱拆除

        待支撐胎架頂梁上部碼板割除后,支撐體系整體卸載完成,貝雷方柱和鋼桁架已成脫離狀態(tài)。貝雷方柱拆除位置搭設2塊鋼跳板作為工人的臨時操作平臺,鋼跳板和貝雷方柱采用鋼絲綁扎牢固。

        貝雷方柱上部1~2節(jié)采用塔吊從事先預留的位置下鉤,松掉貝雷片之間的插銷和角撐,一片一片拆除。貝雷方柱下部可根據(jù)現(xiàn)場實際情況按節(jié)拆除,拆除后的貝雷片吊運至下沉廣場。隨后采用汽車吊從地下室頂板上部吊運1臺隨車吊至下沉廣場,隨車吊在下沉廣場內部進行場內貝雷方柱分解成片及轉運。最后采用汽車吊在地下室頂板上將貝雷片吊離出下沉廣場。

        位于地下室頂板上部的貝雷支撐胎架,采用塔吊拆卸成片后,在地下室頂板上采用人工搬運的方式轉運至建筑外側,之后采用汽車吊吊離。

        貝雷方柱安裝及拆卸時,汽車吊應按照消防車道的布置路線行駛,在消防車道位置上進行貝雷方柱的安裝和拆卸。為安全起見,現(xiàn)場施工時規(guī)定汽車吊支腿架在地下室頂板混凝土梁上,可避免樓板承受荷載,而直接由梁承受支腿壓力。

        對于不能搭設在混凝土梁上的支腿,下墊路基箱,將支腿荷載轉移至地下室頂板混凝土梁上,地下室頂板混凝土梁可根據(jù)設計荷載情況確定是否需要加固。

        6 結語

        本工程大跨度鋼桁架選擇貝雷方柱作為支撐體系,按照上述方法進行安裝和拆卸。經(jīng)實踐證明,該支撐體系滿足強度、剛度及穩(wěn)定性的要求,并且拆除后,大跨度鋼桁架的撓度符合設計及規(guī)范要求。

        貝雷方柱在本工程的成功應用,為后續(xù)在類似工程項目中的應用提供了實踐依據(jù)。貝雷方柱相對于其他支撐體系而言,租賃資源多、操作方便、承載能力大、拆除簡單,后續(xù)在大跨度鋼結構中將會被廣泛應用。

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