陸耀波，王東英，溫喜廉，葉家成，張 鵬

（1、廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣州 511483；2、廣州珠江建設(shè)發(fā)展有限公司 廣州 510075；3、廣州市建筑科學(xué)研究院有限公司 廣州 510440）

0 引言

高層大跨度懸挑結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑中被廣泛運(yùn)用，也是建筑施工的一個(gè)難點(diǎn)所在。其中懸挑部分的模板腳手架支撐體系設(shè)計(jì)方案為所關(guān)注的重點(diǎn)，大部分高層懸挑結(jié)構(gòu)模板支撐屬于危險(xiǎn)性較大的分部分項(xiàng)工程［1］。目前，采用有限元軟件分析結(jié)構(gòu)施工過程得到不少專家學(xué)者的認(rèn)可，在懸挑結(jié)構(gòu)施工分析中得到廣泛應(yīng)用［2-12］。本文主要分析高層懸挑泳池施工過程中模板支撐體系的受力特征。

1 工程概況

廣州市某公寓項(xiàng)目總建筑面積約48 741.7 m2，由3 層地下室，上部1 棟25 層高層酒店式公寓組成。地下室主要功能為汽車庫(kù)及設(shè)備用房，采用框支剪力墻結(jié)構(gòu)?；诒卷?xiàng)目在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面在24 層主體結(jié)構(gòu)外設(shè)置懸挑泳池，泳池為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)高程為83.80 m，從主體結(jié)構(gòu)邊緣懸挑4.15 m，開間寬度13.30 m，結(jié)構(gòu)梁最大截面尺寸為500 mm×1 000 mm，由于高位風(fēng)荷載大、懸挑架承重大，整體施工難度大，如圖1 所示。采用懸挑型鋼-鋼絲繩卸載體系，懸挑式架體搭設(shè)高度為9.5 m。每道懸挑腳手架受力體系采用20 號(hào)型鋼、φ48.0×3.0 鋼管、扣件、φ18 鋼絲繩及預(yù)埋吊環(huán)φ20 鋼筋組成，在保證施工安全的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)市區(qū)內(nèi)高空低成本混凝土結(jié)構(gòu)施工。

圖1 懸挑泳池現(xiàn)場(chǎng)效果Fig.1 Renderings of the Cantilevered Swimming Pool

根據(jù)現(xiàn)有實(shí)際情況選擇懸挑泳池支模施工使用材料如下（具體見圖2）：

圖2 懸挑泳池腳手架支撐體系示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Scaffolding Support System for Cantilevered Swimming Pool （mm）

⑴樓面模板、梁側(cè)模和底模模板采用15 mm 厚木膠合模板；⑵梁板側(cè)模板的豎直枋木：50 mm×100 mm；

⑶梁底托梁采用100 mm×100 mm 枋木和3.0 厚φ48雙鋼管；

⑷樓面模板底主梁采用3.0 厚φ48 雙鋼管、小梁采用50 mm×100 mm枋木；

⑸本方案懸挑泳池設(shè)計(jì)梁、板均采用扣件式鋼管腳手架、可調(diào)式U型上托盤和可調(diào)式或固定底座；

⑹剪刀撐、縱橫水平拉桿采用3.0厚φ48鋼管。

⑺每道支撐懸挑泳池支模受力體系采用20號(hào)型鋼，每根型鋼水平間距具體尺寸根據(jù)支模體系立桿橫距按方案進(jìn)行設(shè)置，均大于1.2 m。梁底支模立桿為11根，板底支模立桿為7根。

項(xiàng)目主要監(jiān)測(cè)支撐體系的沉降和鋼絲繩的拉力，以保證支撐體系沉降處于安全范圍。主要采用全站儀和ESZ-50KN 型繩索張力儀監(jiān)測(cè)支架基礎(chǔ)的沉降和鋼絲繩的拉力。

2 懸挑結(jié)構(gòu)施工過程有限元模擬分析

2.1 施工力學(xué)分析方法

在懸挑結(jié)構(gòu)施工過程主要關(guān)注結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)型及體系變化、結(jié)構(gòu)剛度變化和邊界條件變化的模擬。針對(duì)大跨懸挑結(jié)構(gòu)，采用ADINA生死單元技術(shù)實(shí)現(xiàn)施工安裝時(shí)變問題的求解［13］。施工過程中鋼材和混凝土的性能基本穩(wěn)定，施工結(jié)束后，混凝土仍未達(dá)到終凝實(shí)踐，故施工模擬不考慮混凝土材料的剛度變化。

通過“激活”單元來實(shí)現(xiàn)混凝土樓板的澆筑，主要步驟為一次性建立結(jié)構(gòu)的整體模型；根據(jù)施工階段的劃分將單元、邊界條件和荷載劃分為不同的施工步；按施工步驟依次“激活”相應(yīng)施工步內(nèi)的構(gòu)件，最終“激活”結(jié)構(gòu)成型所需的全部構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)整個(gè)施工過程的力學(xué)分析［13］。

2.2 施工荷載

模擬分析中主要考慮構(gòu)件恒載、施工活載的最不利組合。根據(jù)《建筑施工腳手架安全技術(shù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)：GB 51210—2016》相關(guān)規(guī)定，分析荷載取值如下：

⑴施工荷載按2.5 kN/m2選??；

⑵混凝土自重標(biāo)準(zhǔn)值24.0 kN/m3；鋼筋自重標(biāo)準(zhǔn)值1.1 kN/m3；模板及其支架自重標(biāo)準(zhǔn)值：面板0.1 kN/m2，小梁0.2 kN/m2，樓板模板0.5 kN/m2；

⑶支撐腳手架計(jì)算單元上集中堆放的物料自重標(biāo)準(zhǔn)值1.0 kN，傾倒混凝土?xí)r對(duì)垂直面模板荷載標(biāo)準(zhǔn)值按2.0 kN/m2選取。

2.3 分析工況

為了提高懸挑泳池腳手架支撐體系的承載能力。采用“懸挑型鋼+多道拉吊卸荷”支模體系，并采用預(yù)應(yīng)力拉索。為了研究該體系的安全性和可靠性，本文采用ADINA 軟件進(jìn)行懸挑泳池結(jié)構(gòu)施工模擬。分析懸挑型鋼和鋼絲繩共同組成的支模體系協(xié)作模式以及預(yù)應(yīng)力鋼絲繩對(duì)支模體系受力情況的影響。本文采用初應(yīng)變法對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絲繩施加預(yù)應(yīng)力，通過對(duì)鋼絲繩單元的實(shí)常數(shù)設(shè)置初應(yīng)變來模擬預(yù)應(yīng)力效應(yīng)。預(yù)應(yīng)力計(jì)算公式如下：

式中：σ為應(yīng)力；ε為初應(yīng)變；E為鋼絲繩的模量。鋼絲繩單元初始應(yīng)變分別設(shè)置為0，5×10-5和1×10-4，對(duì)應(yīng)的預(yù)應(yīng)力分別為0 kPa，935 kPa 和1 870 kPa。具體如表1所示。

表1 分析工況Tab.1 Analysis Condition

2.4 懸挑結(jié)構(gòu)施工有限元分析模型

懸挑型鋼和鋼絲繩組成的支撐體系需要關(guān)注的重點(diǎn)。利用有限元三維模型進(jìn)行分析（見圖3），懸挑型鋼采用Beam單元，鋼絲繩采用Truss單元，模板采用Shell單元。施工過程利用ADINA的生死單元實(shí)現(xiàn)（見圖4），分60 個(gè)澆筑面，每個(gè)面澆筑時(shí)間為30 s。懸挑型鋼材料采用Plastic-Bilinear 模型，鋼絲繩材料采用Nonlinear-Elastic模型。采用體積力（Body Force）對(duì)澆筑樓板單元施加重力荷載。

圖3 懸挑泳池有限元分析模型Fig.3 Pick the Pool Finite Element Analysis Model

圖4 型鋼彎矩最大值Fig.4 The Maximum Bending Moment of the Section Steel

3 模擬結(jié)果分析

對(duì)有限元結(jié)果進(jìn)行分析，懸挑型鋼和鋼絲繩組成的支撐體系在鋼絲繩施加預(yù)應(yīng)力后，懸挑型鋼和腳手架豎向支撐受力的最大值發(fā)生變化。

3.1 懸挑型鋼受力分析

工況1、工況2和工況3的區(qū)別在于鋼絲繩預(yù)應(yīng)力分別為0 kPa、935 kPa 和1 870 kPa。對(duì)鋼絲繩施加預(yù)應(yīng)力使下部支撐構(gòu)件工字型鋼的內(nèi)力分布和大小發(fā)生變化：隨鋼絲繩的預(yù)應(yīng)力大小變化，型鋼的最大彎矩出現(xiàn)在不同的部位，工況1 和工況2 最大彎矩發(fā)生在第6條型鋼上，工況3的最大彎矩發(fā)生在第3條型鋼上；工況1、工況2 和工況3 的型鋼對(duì)應(yīng)的最大彎矩分別為3.393 kN·m、2.156 kN·m和0.972 kN·m；根據(jù)圖4，隨著鋼絲繩的預(yù)應(yīng)力從0 kPa 增加到935 kPa，型鋼的最大彎矩減少了36%；鋼絲繩的預(yù)應(yīng)力從935 kPa 增加到1 870 kPa，型鋼的最大彎矩減少了55%。

3.2 腳手架受力分析

分析不同工況下腳手架鋼管的軸力絕對(duì)值最大值的變化情況，工況2 的腳手架豎向構(gòu)件和橫向構(gòu)件軸力分布如圖5 所示，腳手架軸力最大值隨鋼絲繩的預(yù)應(yīng)力變化如圖6所示。

圖5 鋼管腳手架軸力Fig.5 Steel Tube Scaffolding Axis Force

圖6 鋼管腳手架軸力絕對(duì)值最大值Fig.6 The Maximum Absolute Value of the Shaft Force of Steel Pipe Scaffolding

由圖6 可知，隨鋼絲繩的預(yù)應(yīng)力從0 kPa 增加到935 kPa，腳手架軸力絕對(duì)值最大值增加6%；鋼絲繩的預(yù)應(yīng)力從935 kPa 增加到1 870 kPa，腳手架軸力絕對(duì)值最大值增加6.1%。

4 結(jié)論

⑴通過對(duì)鋼絲繩施加預(yù)應(yīng)力在一定范圍內(nèi)可以大幅度降低支撐型鋼的彎矩；對(duì)鋼絲繩施加預(yù)應(yīng)力在一定范圍內(nèi)增加腳手架鋼管的軸力，但增加幅度不大。

⑵隨鋼絲繩的預(yù)應(yīng)力從0 kPa 增加到935 kPa，型鋼的最大彎矩減少了36%；鋼絲繩的預(yù)應(yīng)力從935 kPa增加到1 870 kPa，型鋼的最大彎矩減少了55%，而腳手架軸力的絕對(duì)值最大值按6.0%～6.1%的幅度增加。