某異形洞體鋼結(jié)構(gòu)支撐結(jié)構(gòu)靜力承載性能研究

侯鴻杰， 褚云朋， 何祥榮， 宋星宇

(西南科技大學, 四川綿陽 621010)

異形清水混凝土洞體結(jié)構(gòu)在實際工程中已經(jīng)越來越多，但不同洞體使用環(huán)境的不同，會帶來不同的新問題，清水混凝土對施工條件的要求較高，且由于在不同實際情況下洞體成型工藝要求也有所不同，論文涉及洞體對使用環(huán)境要求高，使得洞體在施工成型過程中的變形要求較高，對洞體內(nèi)部支撐模板體系變形等要求高，且需考慮到施工安拆等的因素，使得大型異形洞體在施工難度較大[1-3]。

論文展開針對某異形洞體鋼結(jié)構(gòu)支撐體系靜力承載性能研究，計算分析在優(yōu)化前后方案對于變形及用鋼量的控制。

1 工程概況

洞體橫截面多為八角形截面，且洞體截面尺寸較大，混凝土自重極大，洞體內(nèi)壁清水混凝土施工精度要求極高。頂板及側(cè)面混凝土澆筑成型養(yǎng)護完成達到齡期后，雖采取分段施工，但若支撐體系自重很大，采用機械將支撐體系吊出的可行性極低，不具有可拆性?？紤]到諸多因素，研制內(nèi)核輕型鋼結(jié)構(gòu)支撐體系，便于拆裝，且構(gòu)件加工費用低，拆除后構(gòu)件可重復再利用。確保洞體施工對支撐體系的剛度要求，進而滿足混凝土結(jié)構(gòu)對模板的精度控制指標要求。

混凝土洞體水平方向凈寬20.7m，豎直方向凈高17.2m，屬于異形混凝土結(jié)構(gòu)。板厚300mm，縱向梁截面400mm×900mm，橫向主梁截面為500mm×1 900mm，方案僅涉及第二擴散段的洞體情況，底板入口處標高為2.4m，出口處標高4.8m，頂板出、入口標高均不同，洞體截面高度不同，為變截面異形混凝土結(jié)構(gòu)。第二擴散段出入口兩截面高度變化率6 %，寬度變化率4.4 %。相關(guān)部分截面如圖1所示。

大型異形洞體項目在施工實施時有很多重難點，難點之一是洞體混凝土結(jié)構(gòu)精度要求比較高。首先軸線偏差精度要求極高，工程要求部段自身軸線與理論軸線在水平、鉛錘兩個方向偏差均不大于10mm。軸線偏差精度高也代表洞體在垂直度、水平精度，以及平行度與位置精度要求均很高。洞體垂直內(nèi)表面的平均平面在全高范圍內(nèi)與理論鉛錘面偏差不大于3mm，同理，洞體水平內(nèi)表面在水平面的偏差也不

(a)出口段洞體截面

(b)洞體底板結(jié)構(gòu)布置

大于3mm。洞體由于其使用環(huán)境的要求，定義了三個基準面，分別是垂直氣流方向，通過洞體橫截面中心的鉛錘面，順氣流的兩個方向，即通過洞體縱向橫截面中心鉛垂面，以及通過洞體中心截面的水平面。同時洞體表面平整度精度要求也極高。

對于大型洞體項目有如此高的精度要求，且又洞體結(jié)構(gòu)形狀復雜，常規(guī)模架體系無法滿足洞體對于精度的要求，通過對比，認為鋼結(jié)構(gòu)模架體系能較好的滿足洞體對于變形以及平整度的要求。論文只針對涉及方案的變形進行論述，不涉及施工時的平整度具體闡述。

2 方案設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

清水混凝土施工質(zhì)量要求高，因此變形起控制作用，應(yīng)嚴格限制支撐的豎向及水平方向變形。洞體模板整體內(nèi)支撐體系采用型鋼空間桿件結(jié)構(gòu)，構(gòu)件能較好地滿足在降低結(jié)構(gòu)部件自重的同時提供最大抗力性能，降低結(jié)構(gòu)及部件變形，滿足混凝土施工精度控制指標要求。結(jié)構(gòu)整體八角形側(cè)面支撐端梁采用槽鋼，內(nèi)核受力構(gòu)件采用角鋼，自重輕，能夠較好地滿足支撐體系剛度的要求，結(jié)構(gòu)整體性強，可靠性高。

內(nèi)核受力構(gòu)件所用角鋼，僅在連接部位采用噴砂方式提高摩擦系數(shù)，可重復利用次數(shù)多，構(gòu)件間連接采用扭剪摩擦型高強螺栓。由于本工程對鋼結(jié)構(gòu)加工精度要求較高，加工費用對整體支撐體系造價影響起控制作用，構(gòu)件不進行二次加工，降低構(gòu)件在加工階段的誤差。

單根構(gòu)件滿足重量小于70kg，輕型構(gòu)件能更加便于安裝，以滿足高精度的要求，且單根構(gòu)件盡可能長，減少拼裝次數(shù)，降低安裝誤差。模板內(nèi)核支撐部件只有角鋼和槽鋼2類，截面尺寸類別為3類。對于梁、柱及斜向支撐等同類構(gòu)件，部品及單體規(guī)格外形尺寸一致性強，再降低構(gòu)件加工及安裝階段誤差，使得加工方便，易于人工搬運、安裝及拆卸，提高了施工效率。施工時可根據(jù)現(xiàn)場裝配情況，先進行構(gòu)件地面的組裝，再進行模塊吊裝裝配。

2.2 方案設(shè)計

內(nèi)核支撐體系采用單榀桁架設(shè)計完成，第二擴散段模板內(nèi)支撐部分結(jié)構(gòu)三維示意圖如圖2所示。由于模型可簡化為平面桁架，每榀桁架采用角鋼連接成整體即可，故只需確定單榀桁架構(gòu)件布置圖。

圖2 內(nèi)支撐部分結(jié)構(gòu)三維示意

八角形側(cè)面支撐采用槽鋼，內(nèi)支撐柱、梁及斜支撐采用角鋼。因截面為漸進減小面，側(cè)面支撐與角鋼連接采用長伸縮桿與頂托方式進行調(diào)控。頂托與槽鋼間采用高強摩擦型螺栓固定，減小側(cè)面板的變形。但需要洞口外側(cè)的木模板配合使用，形成中空夾層，便于泵送商品混凝土。伸縮桿與支撐結(jié)構(gòu)間的細部仍需計算，并進行構(gòu)造設(shè)計，論文涉及方案不對此部分進行設(shè)計。

最外圍側(cè)面支撐構(gòu)件，采用28C槽鋼充當模板梁，4個轉(zhuǎn)角處槽鋼形狀需定制。內(nèi)核支撐柱、斜向支撐均采用L125×10，便于與其它縱橫向梁相連接，橫梁為L180×16。橫向柱間距為1.4m，縱向柱距為2m，上下梁間距有三種分別是0.757m、1.65m、1.5m。部分單榀桁架信息如圖3所示。

圖3 桁架截面信息

3 結(jié)構(gòu)變形及改進

3.1 結(jié)構(gòu)變形及分析

采用有限元軟件SAP2000對型鋼支撐體系進行混凝土澆筑后的靜力承載性能計算，鋼材為Q235B，柱底固接于混凝土梁上。支撐體系強度能夠得到滿足，結(jié)構(gòu)為澆筑混凝土時起內(nèi)核支撐作用，加之精度要求高，因此對支撐體系力學性能起控制的指標為變形。

涉及的靜力計算包括恒載和活載，又由于清水混凝土過程一次澆筑成型混凝土量大，水泥水化產(chǎn)生大量熱量，散熱不均勻，其溫度應(yīng)力可能使混凝土開裂，清水混凝土施工溫度要求更嚴格，故計算時應(yīng)考慮溫度對澆筑混凝土過程中的影響[4]。包含兩種情況，情況一為T(20～30 ℃)+V(11.3m/h)，T為砼溫度，V為澆筑速度；情況二為T(24～30 ℃)+V(1～1.5m/h)。情況二中若取T(24 ℃)+V(1.5m/h)，此為計算最不利情況下的變形。頂板處考慮混凝土梁、板自重、模板自重、新澆混凝土及施工人員自重等，施加集中力設(shè)計值21kN，分布線荷載設(shè)計值38kN/m，此時節(jié)點10產(chǎn)生的最大變形為1.49mm(↓)。側(cè)支撐考慮新澆混凝土對模板產(chǎn)生的最大側(cè)壓力，水平荷載，及模板高度等，施加分布線荷載設(shè)計值221kN/m。此時節(jié)點96產(chǎn)生最大變形為1.96mm(←)。

計算分析時需結(jié)合施工過程，先澆筑側(cè)板混凝土然后一次性澆筑頂板混凝土，二者不同時進行，故而變形校核分開進行。澆筑頂部混凝土時最大變形值為1.49mm(↓)，澆筑側(cè)面混凝土時最大變形值為1.96mm(←)。滿足澆筑過程中變形限值要求，其變形圖如圖4所示。圖4(a)中左邊實線框表示頂部荷載作用下的模型左邊變形圖，左右變形對稱；右邊虛線框表示側(cè)面荷載作用下的模型右邊變形圖，左右變形對稱，圖4(b)為部分模型節(jié)點編號。

(a)荷載作用下變形情況

(b)節(jié)點編號

方案的單榀桁架在豎向荷載作用下變形最大的節(jié)點出現(xiàn)在頂部中間處，而在水平荷載作用下，由于沿高度方向中間位置間距變小，中間位置被加強，因此變形最大的節(jié)點出現(xiàn)在沿高度方向中間偏上的位置。極少的構(gòu)件應(yīng)力接近215MPa，應(yīng)增大其截面，保證安全，其余大部分構(gòu)件應(yīng)力較小，滿足強度設(shè)計要求。

3.2 方案優(yōu)化

鑒于原方案桿件較多，雖然變形滿足工程指標要求，但構(gòu)件多，安裝精度不容易得到控制，因此仍需進一步減小構(gòu)件數(shù)，且便于工程實施過程中對變形的監(jiān)控，使檢測設(shè)備間與反射片具有很好的通透性。應(yīng)力極少部分沒有較大安全儲備，原方案布置不利于實際現(xiàn)場人員施工，施工中搬運安裝存在困難?？紤]到施工時工人搬運的便捷，提高裝配速度，降低累積誤差的傳遞量值，考慮設(shè)計方案優(yōu)化，優(yōu)化后的方案的設(shè)計思路大體同原方案。同樣考慮在滿足單根構(gòu)件重量小于70kg，提高精度的條件下，構(gòu)件盡可能長，且不同尺寸、型號的構(gòu)件盡量少。減少構(gòu)件加工與安裝階段的誤差。由原方案存在不利于工人施工的因素，優(yōu)化方案對水平、豎直桿件間的間距進一步調(diào)大，并且選擇新截面形式，調(diào)整橫梁間的距離，加大柱長度，便于工人通行與施工操作，使新的截面形式有較大的應(yīng)力安全儲備空間。

主要針對單榀桁架中供人施工的空間過小進行優(yōu)化，因此優(yōu)化前后方案的設(shè)計思路一致，保證優(yōu)化方案增大構(gòu)件間間距不會過量增加結(jié)構(gòu)的變形值，并滿足材料強度要求。優(yōu)化方案需要增大梁柱間間距，增加工人施工空間，同時沿洞體長度方向，每榀桁架間間距也從2m增加到3m[5-6]。

八角形外圍支撐、梁、柱采用H250×175×7×11型鋼，四轉(zhuǎn)角斜向支撐桿件同樣采用H250×175×7×11型鋼，除四轉(zhuǎn)角外的斜向支撐采用角鋼L160×10。將柱距增大，橫向柱間距增大到2.7m，縱向柱距為3m，每榀中上下梁間距為2m。優(yōu)化后方案單榀桁架桿部分件信息如圖5所示。優(yōu)化方案要求混凝土在施工過程中單次澆筑高度不超過2m，待混凝土初凝后再澆筑上一層。優(yōu)化方案頂部分布荷載調(diào)整為56kN/m，側(cè)面荷載調(diào)整為204kN/m。

圖5 優(yōu)化方案后桁架桿件截面信息

優(yōu)化方案最大變形為節(jié)點3在豎向荷載下產(chǎn)生1.81mm(↓)，節(jié)點61在水平荷載作用下產(chǎn)生2.04mm(←)的變形。變形圖如圖6所示。圖6(a)中左邊實線框為在頂部荷載作用下桁架左邊的變形，右邊虛線框為側(cè)面荷載作用下桁架右邊變形，桁架左右部分變形對稱，圖6(b)為優(yōu)化后節(jié)點編號。此時構(gòu)件應(yīng)力均較小，滿足鋼材強度設(shè)計要求。

(a)荷載作用下變形情況

(b)節(jié)點編號

優(yōu)化方案與原方案變形趨勢一致，優(yōu)化方案變形較原方案略有增大，最大變形量各增加0.31mm(↓)+0.08mm(←)。優(yōu)化方案與原方案相比，最大變形出現(xiàn)的位置基本相同，優(yōu)化方案的單榀桁架在豎直荷載作用下最大變形出現(xiàn)在頂部中間節(jié)點處，單榀桁架在水平荷載作用下最大變形同樣出現(xiàn)在沿高度方向中間偏上的位置。優(yōu)化后方案中桿件最大應(yīng)力大幅降低，大部分桿件應(yīng)力較小，滿足強度設(shè)計要求。優(yōu)化方案的單榀桁架布置較原方案施工空間增大許多，布局更加簡單，工人在其空間中更容易操作。優(yōu)化方案減少了不同長度的桿件數(shù)量，利于工地工人查找與施工。

3.3 方案用鋼量對比

原方案用鋼量計算如表1所示，分為八角形外圍、梁、柱、斜撐、模板、配件等用鋼量分別計算，便于與優(yōu)化后的方案對比。優(yōu)化后方案用鋼量如表2所示。

表1 原方案支撐體系用鋼量

表2 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)用鋼量

從表中直觀反映出原設(shè)計方案的單榀桁架用鋼量較優(yōu)化方案用鋼量少，但是前后兩設(shè)計方案在縱向長度方向取10m，此時原設(shè)計方案需要5榀桁架，優(yōu)化方案只需3榀桁架。且沿長度縱向需要角鋼連接每榀桁架，此時角鋼起連接作用，故取連接用角鋼L125×10，兩者用鋼量對比表如表3所示。

從表3中看出，優(yōu)化方案用鋼量較原設(shè)計方案減少12.103t，根據(jù)市場價，暫取鋼材價格為4 800 元/t，本文忽略不同鋼材的價格變動。原設(shè)計方案成本為462 240元，優(yōu)化方案成本為404 145.6元，優(yōu)化后方案較原方案成本減少58 094.4元，即降低12.57 %。

表3 優(yōu)化前后方案用鋼量對比

4 結(jié)論

異形清水混凝土洞體在工程中的應(yīng)用日漸增加，而在施工過程中要求較高，又因洞體對環(huán)境要求高，使得在洞體施工過程中變形起控制作用。通過計算輕鋼結(jié)構(gòu)的靜力承載性能，以及優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)的用鋼量，可得如下結(jié)論：

(1)優(yōu)化后的方案施工空間較原設(shè)計方案增大，利于現(xiàn)場工人的施工。

(2)單榀桁架用鋼量優(yōu)化后多于原方案，但計算優(yōu)化前后10m長度內(nèi)桁架用鋼量，優(yōu)化方案用量較原設(shè)計方案減少12.1t，成本降低58 094.4元，即降低12.57 %。

(3)優(yōu)化前后方案變形趨勢一致，優(yōu)化后方案節(jié)點最大變形值略微增大，豎向荷載作用下，節(jié)點變形較原方案增加0.31mm；水平荷載作用下，節(jié)點變形較原方案增加0.08mm。原設(shè)計方案少部分桿件應(yīng)力較大，但優(yōu)化后方案桿件的應(yīng)力均較小，滿足強度設(shè)計要求。