某國際廣場東塔宴會廳鋼結(jié)構(gòu)施工與驗算

張龍生，韓建強，覃 浩，陸日超

（廣州市設(shè)計院 廣州510620）

1 工程概況

某國際廣場屬于以公共交通導(dǎo)向的工程，東塔樓有城際軌道穿過建筑物，東塔與裙樓通過設(shè)置滑動支座連接；裙樓與城際軌道區(qū)域（4 層及以下區(qū)域）從地下3 層及以上設(shè)防震縫分開；東塔樓與城際軌道區(qū)域（4層及以下區(qū)域）從地下3 層及以上設(shè)防震縫分開［1］。

結(jié)構(gòu)計算模型三維視圖、建筑效果圖具體如圖1、圖2 所示。

2 設(shè)計參數(shù)

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50 年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級；50 年重現(xiàn)值的基本風(fēng)壓［2］為 0.50 kN/m2，場區(qū)地面粗糙度為 C 類；風(fēng)壓體型系數(shù)取 1.4［3］，采用風(fēng)洞試驗風(fēng)荷載結(jié)果。

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別：東塔樓1～8 層：重點設(shè)防類；東塔樓9 層及以上：標準設(shè)防類；根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》［4］及《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》查得廣州市增城區(qū)抗震設(shè)防烈度為6 度，設(shè)計基本地震加速度峰值=0.05g，設(shè)計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類，阻尼比=0.05。小震、中震和大震計算采用規(guī)范的地震動參數(shù)。豎向地震影響系數(shù)最大值對應(yīng)的水平地震影響系數(shù)最大值0.65 倍進行豎向地震計算。

圖1 建筑效果圖Fig.1 Architectural Rendering

3 宴會廳結(jié)構(gòu)概況

圖2 結(jié)構(gòu)計算模型Fig.2 Calculation Model of Structure

東塔樓存在“宴會廳”，宴會廳采用鋼結(jié)構(gòu)桁架跨越城際軌道，跨度約為45 m，主要分布在5～9 層，其中5～7 層有 7 榀桁架，8 層、9 層主要為 H 型鋼梁和矩形鋼柱，如圖3 所示。桁架截面尺寸大，桁架上下弦中心高度為12.1 m，桁架跨高比約為4，剛度滿足要求。主要弦桿為箱型構(gòu)件，箱型截面最大規(guī)格為□2 000×1 250×70×70，主體結(jié)構(gòu)最大板厚達90 mm，節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜。同時宴會廳桁架下部為城際鐵路施工區(qū)域，鋼結(jié)構(gòu)的安裝和施工復(fù)雜，難度大。

圖3 桁架編號圖Fig.3 Truss Number Drawing

4 宴會廳鋼結(jié)構(gòu)安裝方案［5］

從結(jié)構(gòu)整體來看，宴會廳鋼結(jié)構(gòu)平面分布在塔樓之間，整體呈非對稱的八字形結(jié)構(gòu)，由于建筑功能需要，其5～7 層的桁架從1～5 軸線范圍內(nèi)的五榀為平行布置，但桁架的長度和形式各有不同，6～7 兩榀桁架為傾斜布置（見圖3）。

桁架的一側(cè)與主體塔樓混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部勁性柱連接，另一側(cè)與通過成品球鉸支座與勁性柱柱頂連接。鋼結(jié)構(gòu)總用鋼量約為6 000 t，桁架高為12.1 m，離地高度25 m，單片桁架最大重量400 t，桁架高度方向跨5～7 層兩個樓層。由于主體結(jié)構(gòu)布置呈八字形口，各個桁架的長度不同，端部傾斜位置的桁架最大跨度達53.8 m，平面投影較寬位置的最大寬度約45 m。桁架之間設(shè)置鋼梁，7 層以上為兩層鋼框架的樓層。

桁架跨度大，同時受兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)的影響（見圖2），并且下部為城際鐵路施工區(qū)域（見圖4）。周邊條件的制約，給主體鋼結(jié)構(gòu)的施工帶來了很大的難度，同時施工的交叉和復(fù)雜性，因此需遵循合理、安全、可行的原則，確定大跨度宴會廳鋼結(jié)構(gòu)安裝的施工方案。

圖4 宴會廳鋼結(jié)構(gòu)三維模型圖Fig.4 3D Model of Steel Structure of Banquet Hall

4.1 鋼結(jié)構(gòu)安裝重、難點分析

⑴ 單根構(gòu)件重量重、外形尺寸大，分段跨度大

主體桁架重量較重，且整榀桁架的外形尺寸很大，桁架的最大長度和高度分別達到53.8 m 和14.2 m，另外桁架單根構(gòu)件高達2 m，構(gòu)件拼接施工難度大。

⑵ 結(jié)構(gòu)整體略呈不對稱八字形，兩端寬度不等，安裝難度大。本工程結(jié)構(gòu)平面布局兩側(cè)不對稱，且結(jié)構(gòu)整體略呈不對稱八字形，桁架的形式不同，無標準榀，并且為非平行布置。

⑶ 鋼結(jié)構(gòu)安裝受土建結(jié)構(gòu)影響大，宴會廳下部為城市軌道交通結(jié)構(gòu)，而且均在鋼結(jié)構(gòu)安裝前施工，其鋼結(jié)構(gòu)拼裝場地和拼裝條件均不具備，大型的機械也很難進入其中進行吊裝。常規(guī)的吊裝設(shè)備及方法無法滿足安裝要求，其連接節(jié)點的統(tǒng)一和埋件的留設(shè)對后期的施工影響非常大。

⑷ 安全施工防護、監(jiān)控要求高

本工程鋼結(jié)構(gòu)安裝施工過程中，相鄰塔樓結(jié)構(gòu)及下部城際鐵路主體結(jié)構(gòu)等交叉進行，為此，為保證施工范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)安全和人身防護，必須投入相應(yīng)的安全防護和監(jiān)控措施，由于施工單位多，不確定因素多，所以防護和監(jiān)控的要求高。

⑸ 交叉施工作業(yè)和成品保護要求高

鋼結(jié)構(gòu)在整個施工過程中，需要大量與土建、機電、幕墻等施工的交叉作業(yè)，給整個項目現(xiàn)場施工協(xié)調(diào)帶來很大困難。同時主體結(jié)構(gòu)采用大型吊車安裝，其行走對下部已完的成品保護要求高。

4.2 施工方案

結(jié)合現(xiàn)場實際情況，現(xiàn)場采用頂推滑移和退步軌道吊機吊裝結(jié)合的安裝方法施工。

宴會鋼結(jié)構(gòu)的施工方案，主要分以下兩部分：①5層的滑移施工方案，某一階段施工過程如圖5 所示。②6～9 層結(jié)構(gòu)吊裝方案。5 層主體結(jié)構(gòu)頂推滑移安裝結(jié)束后，利用1 350 t 主履帶吊，在結(jié)構(gòu)層頂設(shè)置吊車軌道，用2 臺80 t 架梁履帶吊在樓面進行吊裝。利用軌道梁將上部荷載均勻傳遞到GHJ 上。吊裝采用進步裝軌道、退步安裝結(jié)構(gòu)的方式進行，安裝完成后在原吊裝位置拆除架梁吊機，并用1 350 t 履帶吊完成最終構(gòu)件的吊裝。

圖5 施工圖過程某一階段示意圖Fig.5 Schematic Diagram of a Certain Stage in the Construction Drawing Process

4.3 施工主要步驟

4.3.1 5 層滑移施工的主要步驟如表1 所示

4.3.2 6～9 層結(jié)構(gòu)施工的主要步驟如表2 所示

表1 5 層滑移施工的主要步驟Tab.1 Main Steps of Five Layer Sliding Construction

表2 6～9 層結(jié)構(gòu)施工的主要步驟Tab.2 Main Construction Steps of Six to Nine Story Structure

5 施工各階段計算

5.1 計算思路［6-8］

對應(yīng)5 層滑移施工步驟，分布建立對應(yīng)的計算工況；對6～9 層桁架施工的主要步驟，也分別建立計算工況，存在2 種情況：

⑴ 在滑移結(jié)束后，采用履帶吊在6 層結(jié)構(gòu)平面上自行吊裝軌道前進，計算80 t 履帶架梁吊機在結(jié)構(gòu)層上面行走時對主體結(jié)構(gòu)的影響。采用Midas Gen 分析軟件建立了5 層的有限元模型，包括東塔和西塔的結(jié)構(gòu)柱，構(gòu)件均采用梁單元建立，根據(jù)鋼桁架對應(yīng)表1 所述的不同施工步驟，在支座節(jié)點處僅對重力荷載方向進行約束?？缍?5 m 的單根軌道梁自重15 t，履帶吊自重71 t，考慮最大吊載40 t，故總重按照150 t 考慮，由于吊車運行時具有一定的沖擊，故安全系數(shù)取為1.1。故鋼桁架承受的最大集中力為1.1×1 500/2=825 kN。根據(jù)軌道梁的位置將集中力施加在HJ1-6 榀鋼桁架。

⑵ 6～9 層結(jié)構(gòu)施工對應(yīng)的主要施工步驟，對鋼桁架HJ1-6 的影響上部采用分析軟件Midas Gen 建立各個工況的有限元模型，主要荷載為架梁吊機產(chǎn)生的集中力（包括履帶吊自重、軌道梁自重和吊重）和6～9 層自重，所有構(gòu)件均采用梁單元，支座邊界條件為鉸接。

對不同施工階段的構(gòu)件進行應(yīng)力和變形的最大數(shù)據(jù)進行整理。通過對計算結(jié)果進行分析，從而指導(dǎo)設(shè)計與施工。

5.2 主要的計算模型

5 層滑移施工步驟對應(yīng)的分析模型如圖6a 所示，分析工況如表1 所示；架梁吊機位于HJ1-6 榀鋼桁架的分析工況如表2 所示，分析模型如圖6b 所示；6～9層結(jié)構(gòu)施工對應(yīng)的主要施工步驟，主要荷載為架梁吊機產(chǎn)生的集中力（包括履帶吊自重、軌道梁自重和吊重）和6～9 層自重，分析工況如表2 所示，分析模型如圖6c 所示。

圖6 某一個階段對應(yīng)的分析模型圖Fig.6 Analysis Model Diagram Corresponding to a Certain Stage

5.3 主要的計算結(jié)果

⑴ 5 層滑移對主要桁架的計算結(jié)果如表3 所示，工況1～工況10 分別對應(yīng)表1 施工階段1～10。

表3 桁架滑移桿件應(yīng)力及變形計算結(jié)果Tab.3 Calculation Results of Stress and Deformation of Truss Sliding Members

從表3 可以看出，滑移單元在滑移施工過程中變形、應(yīng)力均滿足要求。桁架下弦桿的應(yīng)力在50MPa 以內(nèi)，桿件應(yīng)力大的區(qū)域，位于不能形成空間受力單元的位置。

⑵ 履帶架梁吊機在結(jié)構(gòu)層上面行走時對主體結(jié)構(gòu)的影響，工況對應(yīng)表2。

從表4 可以看出，履帶架梁吊機在結(jié)構(gòu)層上面行走時對5 層桁架的變形、應(yīng)力均滿足要求。桿件應(yīng)力大的區(qū)域，位于不能形成合理的空間受力單元的位置。

表4 架梁吊機滑動對桁架桿件應(yīng)力及變形-計算結(jié)果Tab.4 Stress and Deformation Calculation Results of Truss Crane's Sliding Pair on Truss Members

⑶ 6～9 層結(jié)構(gòu)施工對應(yīng)的主要施工步驟，主要荷載為架梁吊機產(chǎn)生的集中力（包括履帶吊自重、軌道梁自重和吊重）和6～9 層自重，對鋼桁架HJ1-6 的影響如表5 所示，工況對應(yīng)表2。

表5 6～9 層結(jié)構(gòu)施工對桁架桿件應(yīng)力及變形計算結(jié)果Tab.5 Calculation Results of Stress and Deformation of Truss Members during Construction of Six to Nine Story Structures

從表5 可以看出，架梁吊機施工6～9 層鋼結(jié)構(gòu)，對5 層桁架的變形、應(yīng)力均滿足要求。

⑷ 結(jié)合使用階段復(fù)核結(jié)構(gòu)承載力

6～9 層結(jié)構(gòu)施工對鋼桁架HJ1-6 的影響對應(yīng)的最大應(yīng)力，作為鋼結(jié)構(gòu)自重安裝完畢后的桁架主要受力構(gòu)件的應(yīng)力。在此基礎(chǔ)上，進行復(fù)核，選擇高標號鋼材，結(jié)構(gòu)安全可靠。

⑸ 指導(dǎo)現(xiàn)場施工

根據(jù)不同階段的變形，在桁架滑移之前，至少可以根據(jù)施工階段對應(yīng)的分析工況產(chǎn)生的變形包絡(luò)值，對桁架進行施工預(yù)變形，并對構(gòu)件下料進行指導(dǎo)，從而減少其對桁架的影響。

5.4 結(jié)論

桁架桿件在施工工況下，構(gòu)件應(yīng)力和變形均在規(guī)范允許范圍以內(nèi)。經(jīng)復(fù)核，使用階段構(gòu)件應(yīng)力均在規(guī)范允許范圍以內(nèi)。

6 施工方案對已經(jīng)施工的裙樓與塔樓影響

根據(jù)已經(jīng)施工的建筑物之間形成的空間做的施工方案，需要對東西兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)進行臨時處理。由于施工過程中需要在東側(cè)鋼骨柱上部焊接牛腿，在宴會廳頂推過程中牛腿對鋼骨柱會產(chǎn)生偏心的豎向力作用。需要考慮結(jié)構(gòu)在施工過程中產(chǎn)生的荷載對主體結(jié)構(gòu)的影響。

7 結(jié)語

⑴ 桁架桿件在各個施工工況下，構(gòu)件應(yīng)力和變形均在規(guī)范允許范圍以內(nèi)。經(jīng)復(fù)核，使用階段構(gòu)件應(yīng)力均在規(guī)范允許范圍以內(nèi)。

⑵ 本工程屬于城軌上蓋的綜合體，跨越城軌的單體的施工方案及驗算，可為類似工程參考。