鄒 紅，梅建軍，張明亮

(1.湖南省第二工程有限公司，長(zhǎng)沙 湖南 410075；2.湖南建工集團(tuán)有限公司，長(zhǎng)沙 湖南 410075)

1 工程概況

1.1 工程背景

梅溪湖城市島雙螺旋鋼結(jié)構(gòu)工程于2015年竣工，城市島被梅溪湖環(huán)抱雙螺旋鋼結(jié)構(gòu)體是休憩與觀景的較佳場(chǎng)所(見圖1)。雙螺旋鋼結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件為內(nèi)、外環(huán)螺旋薄壁梁及斜柱。內(nèi)外環(huán)螺旋梁均通過牛腿與斜柱連接，處于懸挑狀態(tài)；斜柱之間通過拉桿形成一個(gè)穩(wěn)定體系。此雙螺旋鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)新穎，在國(guó)內(nèi)外尚屬首創(chuàng)，如圖2～4所示。

圖1 城市島效果

圖2 斜柱典型橫斷面

圖3 內(nèi)環(huán)細(xì)部

圖4 外環(huán)細(xì)部

然而此結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)后，由于外界環(huán)境的侵蝕與荷載的反復(fù)作用，結(jié)構(gòu)中很多構(gòu)件出現(xiàn)了不同程度的腐蝕與掉漆現(xiàn)象，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)外觀，因而結(jié)構(gòu)品質(zhì)維養(yǎng)與提升迫在眉睫。

1.2 維養(yǎng)改造施工環(huán)境條件

結(jié)構(gòu)服役一段時(shí)間后，為能及時(shí)修復(fù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件中存在的質(zhì)量問題與外觀缺陷，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，利用腳手架平臺(tái)，發(fā)展了維養(yǎng)改造施工作業(yè)方法[1-6]。然而腳手架施工平臺(tái)在雙螺旋鋼結(jié)構(gòu)維養(yǎng)作業(yè)應(yīng)用中存在如下弊端。

1)通往城市島的唯一通道為1條人行橋，參照設(shè)計(jì)規(guī)范要求[7]，人行橋設(shè)計(jì)荷載采用組合Ⅰ標(biāo)準(zhǔn)：活荷載(基本可變荷載-人群荷載3.5kN/m2)+恒荷載(永久荷載-自重)。因重型車輛(偶然荷載)使人行橋設(shè)計(jì)荷載超限等問題，對(duì)架管運(yùn)輸?shù)仍斐蓸O大不便。

2)城市島地面埋設(shè)有大量地埋燈，在重載作用下易受損，車輛通行受限很大。

3)本工程工期較短，腳手架施工平臺(tái)搭設(shè)時(shí)間較長(zhǎng)，施工周期得不到保證，并且竣工后腳手架拆卸也較為繁瑣。

4)腳手架平臺(tái)搭設(shè)成本較高。

5)目前腳手架搭設(shè)以經(jīng)驗(yàn)性操作居多，缺乏整體承載力及變形要求的驗(yàn)算。

鑒于此，現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員開發(fā)了2種相似的移動(dòng)桁架作業(yè)平臺(tái)，供內(nèi)、外螺旋薄壁梁涂刷作業(yè)使用。應(yīng)用表明，此作業(yè)平臺(tái)安全、便于操作，縮短了施工周期，節(jié)約了成本，為后續(xù)螺旋鋼結(jié)構(gòu)改造維養(yǎng)作業(yè)積累了寶貴的施工技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

2 作業(yè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

由于內(nèi)、外環(huán)螺旋體薄壁梁尺寸的差異性，共設(shè)計(jì)2種結(jié)構(gòu)形式類似、尺寸稍有變化的移動(dòng)桁架作業(yè)平臺(tái)：外環(huán)作業(yè)平臺(tái)(用于外環(huán)螺旋薄壁梁腹板涂刷作業(yè))主要由上部桁架、懸挑端組成，共由260根方形薄壁鋼管構(gòu)成；內(nèi)環(huán)作業(yè)平臺(tái)(用于內(nèi)環(huán)螺旋薄壁梁腹板與側(cè)面涂刷作業(yè))由上部桁架、懸挑端及升降梯組成，由304根方形薄壁鋼管構(gòu)成(包括升降梯)。作業(yè)平臺(tái)立面如圖5所示。

圖5 作業(yè)平臺(tái)立面

3 施工過程有限元模擬

作業(yè)平臺(tái)的基本構(gòu)件為方形薄壁鋼管，為細(xì)長(zhǎng)桿件，采用beam梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬[8]。不同類型構(gòu)件參數(shù)如表1所示。

表1 有限元模型構(gòu)件參數(shù)

3.1 荷載工況

本桁架結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為Ⅰ級(jí)、不考慮地震作用、短暫設(shè)計(jì)基本組合公式[9]；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取為1.1，永久作用分項(xiàng)系數(shù)取1.3，可變作用分項(xiàng)系數(shù)取1.5，設(shè)計(jì)年限荷載調(diào)整系數(shù)取0.9。按照最不利工況驗(yàn)算滑動(dòng)車構(gòu)件的最大變形、內(nèi)力、軸力等。

3.2 分析結(jié)果

1)由圖6可知，在最不利荷載工況組合下，外環(huán)、內(nèi)環(huán)作業(yè)后最大豎向撓度分別為3，1mm，滿足相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求[10]。

圖6 桁架構(gòu)件變形(單位：m)

2)由圖7可知，外環(huán)、內(nèi)環(huán)作業(yè)平臺(tái)方管最大軸向拉應(yīng)力分別為7.5，5.8MPa，遠(yuǎn)小于方管(Q235鋼材)抗拉強(qiáng)度，施工作業(yè)中不會(huì)產(chǎn)生構(gòu)件拉斷現(xiàn)象。

圖7 桁架構(gòu)件軸向應(yīng)力(單位:Pa)

3)由圖8可知，外環(huán)、內(nèi)環(huán)作業(yè)平臺(tái)節(jié)點(diǎn)處方管最大內(nèi)應(yīng)力分別為30.5，33.3MPa，滿足GB 50661—2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》焊縫的抗拉強(qiáng)度要求[11]。同時(shí)，為進(jìn)一步加強(qiáng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的焊縫強(qiáng)度，進(jìn)行鋼板補(bǔ)焊。

圖8 桁架構(gòu)件內(nèi)力(單位：Pa)

4 作業(yè)平臺(tái)施工流程

移動(dòng)桁架作業(yè)平臺(tái)施工流程如圖9所示。

圖9 作業(yè)平臺(tái)施工流程

4.1 雙螺旋結(jié)構(gòu)圖紙會(huì)審

城市島雙螺旋鋼結(jié)構(gòu)首次進(jìn)入維養(yǎng)期，維養(yǎng)作業(yè)平臺(tái)無(wú)經(jīng)驗(yàn)可鑒，因此，設(shè)計(jì)桁架前，懸挑部分傾斜角度需安排專業(yè)施工技術(shù)人員，按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行縝密計(jì)算，否則在移動(dòng)過程中，會(huì)使桁架與螺旋結(jié)構(gòu)刮擦，不便于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。同時(shí)，雙螺旋結(jié)構(gòu)梁面布置了不規(guī)則的花壇體系，因此，桁架上部結(jié)構(gòu)所預(yù)留的空間也需按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行嚴(yán)密計(jì)算，否則對(duì)移動(dòng)與施工均不利。

4.2 桁架現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試運(yùn)行

薄壁梁體梁面由于有花壇區(qū)域，并且花壇區(qū)域位置與形狀不統(tǒng)一，為確保滑車能順利沿著螺旋體移動(dòng)，將梁面用石灰撒出2條較明顯的滑行軌跡，使整個(gè)滑車沿石灰線移動(dòng)試運(yùn)行。

4.3 鋼絲繩固定

為保證作業(yè)平臺(tái)在使用過程中不發(fā)生傾覆與滑移，在桁架上部設(shè)置4根鋼絲繩，鋼絲繩與梁面龍骨固定；懸挑端末端均設(shè)置1根鋼絲繩掛于梁腹板天鉤處。

在實(shí)際工程中，鋼絲繩一般為軸向受拉狀態(tài)，且在各截面處軸力相等。因此，每根鋼絲繩無(wú)論長(zhǎng)短，在ANSYS中都定義為1個(gè)分析單元(link8)與實(shí)際工程較吻合。由計(jì)算可知，桁架不同位置處的鋼絲繩軸向力為0.93～2.63MPa，遠(yuǎn)小于表1所示鋼絲繩抗拉強(qiáng)度。

4.4 懸挑端與升降梯刷漆作業(yè)

由有限元分析結(jié)果可知，懸挑部分可承受3kN施工荷載，能容納2個(gè)刷漆工人同時(shí)進(jìn)行刷漆作業(yè)；升降梯可承受1.5kN施工荷載，能容納至少1個(gè)人進(jìn)行施工作業(yè)。這樣在確?；囎冃螡M足要求的前提下，能加快維養(yǎng)施工進(jìn)度。

4.5 移動(dòng)桁架作業(yè)平臺(tái)

根據(jù)懸挑端個(gè)人作業(yè)范圍約為2m，因此每次刷漆作業(yè)完畢，滑車往前移動(dòng)距離為2m最佳；懸挑端與升降梯內(nèi)作業(yè)人員此時(shí)必須全部撤出，此間按照之前所設(shè)定的石灰線，須安排4個(gè)人緩慢均勻地推動(dòng)桁架。

5 效益分析

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

本工程巧妙設(shè)計(jì)2個(gè)移動(dòng)桁架，較為恰當(dāng)?shù)鼗乇芰藗鹘y(tǒng)維養(yǎng)施工作業(yè)造價(jià)高之弊端，本施工工藝與傳統(tǒng)施工工藝綜合費(fèi)用對(duì)比如表2所示。

表2 造價(jià)分析(腳手架/移動(dòng)桁架作業(yè)平臺(tái))

由表2可知，本作業(yè)方法較傳統(tǒng)方法(鋼管腳手架作業(yè)平臺(tái))造價(jià)低(節(jié)約造價(jià)近220萬(wàn)元)、工期短，其中經(jīng)濟(jì)效益的最大“貢獻(xiàn)者”為機(jī)械使用臺(tái)班費(fèi)與人工費(fèi)。

5.2 社會(huì)效益

有限元計(jì)算分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)施工情況表明，作業(yè)平臺(tái)構(gòu)件變形小、方管內(nèi)力、軸向力與焊接縫受力均能滿足安全施工生產(chǎn)的要求；作業(yè)平臺(tái)自重較小(約為2.3t)，現(xiàn)場(chǎng)操作方便、安全；施工現(xiàn)場(chǎng)無(wú)噪聲與粉塵污染。

6 結(jié)語(yǔ)

1)作業(yè)平臺(tái)設(shè)計(jì)方法合理、過程較為簡(jiǎn)單，易于現(xiàn)場(chǎng)工人掌握。

2)基于ANSYS的數(shù)值模擬中，考慮了材料本身的非線性，用beam189單元模擬作業(yè)平臺(tái)車內(nèi)力與變形較為合理。分析結(jié)果表明，在最不利荷載條件下，焊縫強(qiáng)度、鋼絲繩拉力、構(gòu)件撓度、傾覆、方管軸向力與內(nèi)力均遠(yuǎn)小于允許值。

3)實(shí)際操作表明，平臺(tái)易于移動(dòng)，操作簡(jiǎn)單；操作平臺(tái)幾乎無(wú)晃動(dòng)，作業(yè)人員的安全得到了保證。