外海高層鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)與施工研究

王程 張超

摘 要：鋼結(jié)構(gòu)高層結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的混凝土建筑相比，適合于活荷載占總荷載比例較小的結(jié)構(gòu)，以及軟土地基上建造。本文運(yùn)用有限元軟件SAP2000對(duì)外海超高層鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，并對(duì)施工中存在的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)進(jìn)行總結(jié)，為類(lèi)似工程提供很好借鑒。

關(guān)鍵詞：外海 鋼結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)

1.工程規(guī)模及結(jié)構(gòu)形式

本工程位于某港區(qū)作業(yè)區(qū)口門(mén)處防波堤上。主結(jié)構(gòu)為九層框架鋼結(jié)構(gòu)，立柱為φ426鋼管，鋼梁為H鋼，柱撐水撐為φ127，部分樓層底板為復(fù)合樓板結(jié)構(gòu)：樓承板上加設(shè)混凝土面層，框架頂設(shè)維修平臺(tái)，架設(shè)附屬結(jié)構(gòu)設(shè)施，屋頂架設(shè)15m鋼結(jié)構(gòu)輕型塔。本工程離岸最近距離約為1公里，需要水上運(yùn)輸，自行發(fā)電，本工程計(jì)劃工期150天。

2.設(shè)計(jì)分析研究

本文采用有限元軟件SAP2000對(duì)外海高層鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體建模分析，分析此結(jié)構(gòu)體系的振型和周期等結(jié)構(gòu)固有特性。高層結(jié)構(gòu)的振型尤其是高階振型對(duì)體系的模態(tài)及地震響應(yīng)影響較大，本文采用反應(yīng)譜法分析結(jié)構(gòu)地震作用下的內(nèi)力和變形，通過(guò)分析結(jié)構(gòu)體系的頂層位移、層間位移、層間位移角的變化情況，對(duì)外海高層鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

反應(yīng)譜法是地面加速度一定的情況下，結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)在不同周期下的最大相應(yīng)曲線（加速度Sa，速度Sv，位移Sd）。復(fù)雜的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為單自由度結(jié)構(gòu)體系，通過(guò)振型疊加法，將原有結(jié)構(gòu)由多自由度體系轉(zhuǎn)化為多個(gè)單自由度體系。

反應(yīng)譜理論有以下特征：一是位移反應(yīng)譜與速度位移譜類(lèi)似；二是加速度反應(yīng)譜的數(shù)值在周期短時(shí)接近地面最大加速度，周期長(zhǎng)時(shí)接近零；三是速度反應(yīng)譜數(shù)值周期很短時(shí)接近零，隨著周期增大而增大，且周期增加幅度存在極值。

地震反應(yīng)譜分析常用的方法為精確法，基本思路是將離散形式的地震動(dòng)加速度記錄數(shù)據(jù)用分段線性插值的方法復(fù)原，再逐段求解。加速度反應(yīng)譜方法是利用振型的正交等特性，將多自由度簡(jiǎn)化為單自由度分析，然后利用某種相應(yīng)的振型耦合法（SRSS和CQC）得到多自由度結(jié)構(gòu)的抗震分析的結(jié)果。

表1中，x、y的意思是結(jié)構(gòu)向x方向、y方向運(yùn)動(dòng)，θ為扭轉(zhuǎn)，表中運(yùn)動(dòng)或扭轉(zhuǎn)幅度過(guò)小的沒(méi)有表示。由有限元分析計(jì)算可知，結(jié)構(gòu)的第一振型為y方向，第二振型為x方向，從第三振型開(kāi)始，有扭轉(zhuǎn)，且伴有扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)。

圖2左圖為結(jié)構(gòu)體系的樓層位移圖，右圖為結(jié)構(gòu)體系的層間位移角圖，樓層的位移隨著層數(shù)的增加逐層增加，于塔樓頂層達(dá)到最大值。層間位移和層間位移角呈現(xiàn)較強(qiáng)的變化，綜合函數(shù)圖線作用下的地震響應(yīng)，層間位移角隨層數(shù)在開(kāi)始階段逐漸增加，于第二層第三層的交界附近達(dá)到最大值，其后隨著層數(shù)的增加有所降低，在第五層達(dá)到極小值，隨后隨著樓層增加而降低，頂層存在鞭梢效應(yīng)。

結(jié)構(gòu)在首層、第五層和第八層設(shè)置了交叉支撐，其他樓層未設(shè)置交叉支撐，支撐的存在提高了所在樓層的剛度，但同時(shí)使得相鄰未設(shè)置交叉支撐的層間位移角相對(duì)大幅度增加，因此樓層在第五層的層面位移角達(dá)到極小值。

高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中支撐有以下作用：一是增加鋼結(jié)構(gòu)建筑的縱向穩(wěn)定的空間剛度；二是在排架平面外，提供可靠的支承點(diǎn)從而減小柱在排架平面外的計(jì)算長(zhǎng)度；三是承受鋼結(jié)構(gòu)建筑端部山墻風(fēng)力、縱向吊車(chē)剎車(chē)荷載、溫度產(chǎn)生的應(yīng)力和地震作用，并將其傳至基礎(chǔ)。支撐的合理設(shè)置能有效減小高層鋼結(jié)構(gòu)的層間位移角，從而增加鋼結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。

3.施工過(guò)程的分析研究

（1）施工總體安排

①根據(jù)工程施工圖紙及相關(guān)要求進(jìn)行二次細(xì)化設(shè)計(jì)，分別針對(duì)梁、柱、交叉撐做出加工圖，進(jìn)行零部件的車(chē)間加工。

② 根據(jù)鋼框架分層情況將梁、柱、支撐分區(qū)存放。對(duì)于柱，上面焊接柱頭，外形寸不規(guī)則，單獨(dú)存放；對(duì)于梁、支撐分類(lèi)打捆，中間加墊木。

③ 根據(jù)構(gòu)件加工圖紙，將梁、柱、支撐在廠內(nèi)制作完成；待零部件檢驗(yàn)無(wú)誤后，表面打砂并進(jìn)行表面防腐處理。

（2）鋼結(jié)構(gòu)運(yùn)輸

本工程的主體為鋼結(jié)構(gòu)框架形式，主體工程構(gòu)件中柱、梁、鋼梯分別有48件、249件、21件，構(gòu)件最大重量為5t，高度為12.5米，運(yùn)輸距離遠(yuǎn)，位于孤立的防波堤上，運(yùn)輸不便。

為了保證鋼結(jié)構(gòu)順利運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)，采用海陸同時(shí)倒運(yùn)，由加工廠到防波堤用托盤(pán)車(chē)倒運(yùn)，平臺(tái)設(shè)置2處帶攬繩為蓋板船臨時(shí)?？?，鋼構(gòu)件到防波堤后運(yùn)用蓋板船的吊機(jī)裝船，其后運(yùn)用蓋板船運(yùn)至施工處，有效減小外海運(yùn)輸作業(yè)，減小海上運(yùn)距，省工省時(shí)。

（3）施工過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及處理

①本工程處于外海，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間海霧侵蝕后，個(gè)別構(gòu)件表面出現(xiàn)銹點(diǎn)，需對(duì)銹點(diǎn)部位進(jìn)行了補(bǔ)漆防腐處理。

②本工程位于防波堤堤頭沉箱上部，易出現(xiàn)沉降位移，且鋼結(jié)構(gòu)相對(duì)高度較高，鋼構(gòu)件自身重量較大，經(jīng)過(guò)重新加載預(yù)壓的沉箱更易發(fā)生沉降，因此施工中對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)定時(shí)進(jìn)行沉降位移觀測(cè)。

（4）經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)

①鋼結(jié)構(gòu)的運(yùn)輸需按運(yùn)輸計(jì)劃，分批、分節(jié)地進(jìn)行，對(duì)于超長(zhǎng)、超寬或者超重的構(gòu)件，行合理的分段劃分，滿足最大運(yùn)輸限制，確保運(yùn)輸安全。

②海上運(yùn)輸為避免鋼構(gòu)件碰損，采用土工布覆蓋鋼構(gòu)件，上層采用每隔2m麻繩捆綁，使鋼構(gòu)件海上運(yùn)輸穩(wěn)定，無(wú)碰損。施工過(guò)程中，組織施工船舶協(xié)調(diào)會(huì)，積極與海事局交管中心等部門(mén)溝通，規(guī)范施工秩序，確保船舶運(yùn)輸通航安全。

③鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工完成后，運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)安裝。安裝前，首先對(duì)構(gòu)件的質(zhì)量進(jìn)行檢查，確保鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的永久變形和缺陷在允許范圍內(nèi)。鋼柱安裝首先檢查柱底板下的墊鐵是否墊實(shí)、墊平，檢查其地腳螺栓是否失穩(wěn)；在鋼結(jié)構(gòu)體系未穩(wěn)定前，采取臨時(shí)支護(hù)措施保證施工安全性。鋼結(jié)構(gòu)形成固定單元，并通過(guò)驗(yàn)收后，需及時(shí)將柱底板和基礎(chǔ)頂面的空間用膨脹混凝土二次澆筑密實(shí)。

④合理選取鋼結(jié)構(gòu)吊裝方式，對(duì)鋼柱進(jìn)行吊點(diǎn)計(jì)算，確保安裝的安全和精度，次梁與交叉支撐采用成片吊裝方式，有效的節(jié)約了吊裝時(shí)間，縮短了工期。

4.研究結(jié)論

本文通過(guò)有限元建模分析和現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)對(duì)外海高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工進(jìn)行了一定的探討，首先采用SAP2000對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析，運(yùn)用反應(yīng)譜法進(jìn)行抗震分析，然后對(duì)鋼結(jié)構(gòu)施工中遇到的問(wèn)題進(jìn)行了分析和總結(jié)。通過(guò)各組數(shù)據(jù)的分析，所得結(jié)論如下：

（1）雙塔結(jié)構(gòu)體系有五種基本振型，通過(guò)理論分析，沿x方向的平動(dòng)與沿y方向的平動(dòng)及結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)獨(dú)立。與普通建筑物不同的是前6階振型中，高層鋼結(jié)構(gòu)有4個(gè)振型存在扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

（2）鋼結(jié)構(gòu)施工中運(yùn)輸和安裝極為關(guān)鍵。對(duì)于超長(zhǎng)、超寬或者超重的構(gòu)件，需進(jìn)行合理的分段劃分，滿足最大運(yùn)輸限制，并對(duì)鋼柱進(jìn)行吊點(diǎn)計(jì)算，確保安裝的安全性和精度要求。