成張佳寧, 張 軍

(1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海 200092; 2.南通大學(xué)交通與土木工程學(xué)院,江蘇 南通 226019)

0 引言

遺址保護(hù)項目的新建與改建需特別注意對原有文物的保護(hù),在施工過程中需避免各種不利因素對文物的擾動,如因振動過大造成文物本體的損壞。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工方法可有效將建筑施工對遺址的影響程度降到最低。李向陽等[1]結(jié)合某具體遺址保護(hù)工程,從基礎(chǔ)施工階段、結(jié)構(gòu)施工階段、本體保護(hù)施工技術(shù)3個方面對施工過程中遺址保護(hù)的關(guān)鍵施工技術(shù)進(jìn)行總結(jié)。江棗等[2]針對某遺址公園展廳結(jié)構(gòu),分析了施工對遺址本體的影響,從設(shè)計角度出發(fā)總結(jié)關(guān)鍵技術(shù)要點。孫琪等[3]根據(jù)玉樹災(zāi)后重建的總體規(guī)劃和工程特點,對雨棚鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行吊裝方案設(shè)計,采用計算機(jī)模擬分析和系列技術(shù)保障措施,合理保障了雨棚鋼結(jié)構(gòu)安裝滿足設(shè)計要求。

本文針對某項目遺址現(xiàn)狀,在原有基坑遺址基礎(chǔ)上,綜合考慮建筑形體、功能和施工等要素,遺址的保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)采用拱+懸挑結(jié)構(gòu)形式跨過遺址區(qū)域,以避免施工過程對現(xiàn)有遺址的干擾。針對鋼結(jié)構(gòu)安裝施工,采用MIDAS Gen進(jìn)行施工過程分析[4-5],并細(xì)化鋼結(jié)構(gòu)安裝過程的保護(hù)處理措施[6],確保施工過程安全。

1 工程概況

柳孜運河橋梁遺址整體呈方形,平面尺寸約為39.1m×34.9m。遺址基坑底部絕對高程28.950m,四角絕對高程33.790～ 34.600m。遺址基坑內(nèi)部主要包括邊坡文化層、南北橋墩、石板路等遺存。同時遺址基坑西側(cè)有1處宋代河道,上覆玻璃頂棚,如圖1所示。

圖1 遺址現(xiàn)狀Fig. 1 Current status of the site

新建鋼結(jié)構(gòu)大棚采用鋼框架結(jié)構(gòu)(見圖2),地上2層,無地下室?？偨ㄖ娣e約5 575.20m2,建筑總高度為15.012m,±0.000標(biāo)高為35.400m。

圖2 鋼結(jié)構(gòu)三維效果Fig.2 Three dimensional effect of steel structures

遺址基坑上方為懸挑45m鋼結(jié)構(gòu)罩棚,原有遺址與新建鋼結(jié)構(gòu)相對位置關(guān)系如圖3所示。整體結(jié)構(gòu)落地構(gòu)件為4根斜柱,全部荷載均通過4根斜柱傳遞給基礎(chǔ)。其中,2根大截面斜柱組成主拱(1 600mm×900mm×60mm方鋼,Q460B材質(zhì)),另外2根小截面斜柱組成支撐拱(900mm×600mm×35mm方鋼,Q355B材質(zhì))。主拱倒向懸挑側(cè)后方,并與支撐拱形成完整的受力體系,如圖4～6所示。

圖3 原有遺址與新建鋼結(jié)構(gòu)相對位置關(guān)系Fig.3 Relative positional relationship between the original site and the newly constructed steel structure

圖4 鋼結(jié)構(gòu)平面Fig.4 Plan of steel structures

圖5 鋼結(jié)構(gòu)立面Fig.5 Elevation of steel structures

圖6 鋼結(jié)構(gòu)軸測示意Fig.6 Axonometric schematic of steel structures

2 鋼框架施工

2.1 施工方案

為防止施工過程對遺址產(chǎn)生破壞,考慮對現(xiàn)狀遺址基坑進(jìn)行整體覆蓋保護(hù)。利用現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)大棚,在施工過程中盡量保持現(xiàn)有結(jié)構(gòu),拆除部分有影響的結(jié)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)相對位置關(guān)系,在施工地基承臺及基礎(chǔ)拉梁前,先拆除北側(cè)部分現(xiàn)狀大棚(見圖7a),拆除至現(xiàn)狀遺址基坑邊緣?，F(xiàn)狀大棚北側(cè)和鋼結(jié)構(gòu)存在沖突,且拆除的部分大棚位于遺址基坑外,拆除后現(xiàn)狀大棚仍可起到防雨作用。同時,鋼結(jié)構(gòu)吊裝過程中,南側(cè)一跨大棚出挑1.4m,出挑部分和現(xiàn)狀鋼結(jié)構(gòu)沖突,拆除后現(xiàn)狀大棚仍可起到防雨作用(見圖7b)。局部拆除后,鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工各階段均采用散拼吊裝,無需設(shè)置腳手架,施工過程不影響原有輕鋼結(jié)構(gòu)大棚。

圖7 現(xiàn)狀大棚拆除Fig.7 Demolition of current greenhouse

結(jié)構(gòu)存在45m跨度超長懸挑,由于無法一次性吊裝到位,施工階段需在懸挑結(jié)構(gòu)合適位置架設(shè)臨時支撐,用于安裝主體鋼結(jié)構(gòu);另一方面由于懸挑結(jié)構(gòu)跨越遺址基坑,出于文物保護(hù)的目的,遺址基坑范圍內(nèi)不允許直接架設(shè)臨時支撐。因鋼結(jié)構(gòu)整體較復(fù)雜,且需要規(guī)避對原有遺址結(jié)構(gòu)的干涉。

1)主斜柱采用地面拼裝、旋轉(zhuǎn)安裝的施工方法。主斜柱根部約2m段預(yù)先安裝,采用剛性柱腳連接。上方其他區(qū)域斜柱在傾斜至其端部距離地面約5m位置設(shè)置支撐胎架,并在此位置安裝A字形斜柱,旋轉(zhuǎn)段斜柱底經(jīng)深化設(shè)計后采用豎轉(zhuǎn)鉸作為活動鉸,滿足斜柱在自重狀態(tài)下的旋轉(zhuǎn)。

2)拼裝完成后,在后方位置設(shè)置牽拉錨點,斜柱端部設(shè)置張拉端,底部鋼柱腳設(shè)置活動轉(zhuǎn)角。利用前方 1 600t履帶式起重機(jī)吊起A柱柱端頂點提起斜柱,通過底部活動鉸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。為安全考慮,后方設(shè)置鋼絞線進(jìn)行張拉拉緊,斜柱旋轉(zhuǎn)過程中由起重機(jī)與鋼絞線共同受力,但計算時考慮較為不利狀態(tài),均按照滿載單獨進(jìn)行選型計算。

3)主斜柱旋轉(zhuǎn)至設(shè)計位置后,斜柱跨中位置設(shè)置支撐胎架臨時固定,作業(yè)過程中,斜柱牽拉鋼絞線繃緊且不拆除,僅作為防止斜柱傾倒的二次安全保障措施。進(jìn)行其余2根支撐拱吊裝施工,待斜柱形成穩(wěn)定體系后,安裝北側(cè)拱框架及拉索,然后安裝北側(cè)2層樓面、屋面和其他次結(jié)構(gòu)。

4)在主拉桿跨中設(shè)置支撐胎架,安裝主拉桿。支撐胎架采用塔式起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)進(jìn)行安裝,底部設(shè)置混凝土淺基礎(chǔ)支撐胎架位于主拉桿1/3位置,并避開現(xiàn)有輕鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)棚。

5)在南側(cè)下掛桁架下方砌筑剛性地坪后,安裝南側(cè)下掛桁架。安裝屋面桁架與吊掛拉索并于空中散拼安裝南側(cè)主屋面,然后對臨時支撐胎架進(jìn)行卸載拆除。

2.2 施工過程模擬分析

利用MIDAS Gen有限元分析軟件,對各安裝流程進(jìn)行受力分析。有限元計算結(jié)果如圖8,9所示。

圖8 各施工過程組合變形(單位：mm)Fig.8 Combined deformation of each construction process(unit：mm)

圖9 各施工過程組合應(yīng)力(單位：MPa)Fig.9 Combined stress of each construction process(unit：MPa)

根據(jù)模擬內(nèi)容,控制關(guān)鍵施工節(jié)點。在模擬分析中,各環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)最大組合變形為270.82mm,在北側(cè)拱框架及拉索安裝過程中需設(shè)置臨時支撐控制框架整體豎向變形;結(jié)構(gòu)整體安裝完成后,自身形成完整受力體系,當(dāng)進(jìn)行臨時支撐胎架卸荷后,結(jié)構(gòu)最大變形變化約為16mm,施工作業(yè)安全可控。施工作業(yè)過程中結(jié)構(gòu)卸載前的最大組合應(yīng)力為177.17MPa,卸載后局部桿件應(yīng)力較集中,在施工作業(yè)過程中需重點對應(yīng)力增幅較大桿件進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)控。

3 關(guān)鍵施工步驟控制

根據(jù)施工基本流程,主斜柱采用地面拼裝、旋轉(zhuǎn)安裝的施工方法。在初始施工位置,斜柱在傾斜至其端部距離地面約5m位置設(shè)置支撐胎架,并在此位置安裝A字形斜柱。于后方進(jìn)行牽拉錨固,通過活動鉸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

模擬吊拉過程中鋼絲繩受力(見圖10),確定起重機(jī)及相關(guān)構(gòu)配件選型。根據(jù)計算分析,吊拉鋼絲繩最不利狀態(tài)下受力約1 012kN。考慮吊臂長度及吊物質(zhì)量,當(dāng)工作半徑為65m,起升高度為70m時,1 600t 履帶式起重機(jī)起重臂長度約為100m,在(295+60)t配重狀態(tài)下可吊裝約280t重物,可滿足鋼柱吊裝作業(yè)過程且具有一定安全系數(shù)。

圖10 模擬吊拉過程中鋼絲繩受力Fig.10 Simulation of the force on steel wire rope during lifting process

待主斜柱旋轉(zhuǎn)至設(shè)計位置后,模擬在此過程中主斜柱僅通過鋼絞線收緊時的受力狀態(tài),確定鋼絞線受力最不利狀態(tài),如圖11所示。

圖11 模擬斜柱轉(zhuǎn)體過程中鋼絞線受力Fig.11 Simulation of the force on steel strands during the rotation of inclined columns

卸載懸挑部位臨時支撐胎架,要求支撐裝置與主體結(jié)構(gòu)脫開,但仍保留在原有位置,作為后續(xù)安裝過程中的防倒塌安全儲備。拆除2根主拉桿跨中節(jié)點后,屋面荷載將轉(zhuǎn)移到主拱及桁架支點位置,以上區(qū)域構(gòu)件內(nèi)力增大;屋面跨度變大,撓度增加;主拱及預(yù)應(yīng)力拉梁內(nèi)力增加。拆除兩側(cè)桁架支點后,懸挑屋面僅剩端部桁架支點。拆除端部桁架支點后,懸挑屋面荷載全部由懸挑桁架及拉桿/拉索承擔(dān)。由于杠桿作用,支撐拱柱腳由受壓變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)。臨時支撐卸載作業(yè)需平穩(wěn)、對稱進(jìn)行,進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

4 結(jié)語

針對柳孜運河橋梁遺址拱+懸挑形式鋼結(jié)構(gòu)大棚,進(jìn)行施工過程分析及施工作業(yè)工況的分階段模擬,并得到以下結(jié)論。

1)基于現(xiàn)場施工條件,結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)自身特性,確定各環(huán)節(jié)下施工過程,通過三維模擬對安裝過程進(jìn)行了過程化分析,有效指導(dǎo)施工,確保施工作業(yè)安全。

2)利用MIDAS Gen軟件對各主要施工過程進(jìn)行仿真分析,確定各施工作業(yè)過程中較為不利位置,確保各階段結(jié)構(gòu)安全及穩(wěn)定性。

3)通過過程分析確定施工中的設(shè)備與材料選型,確保施工安全,提高施工作業(yè)效率。