天投國際商務(wù)中心組合臨時支撐結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性研究*

茆 春，尹 飛，張 晗，王化杰，錢宏亮

(1.中交二航局第四工程有限公司，安徽 蕪湖 241000； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)土木工程系，山東 威海 264209)

0 引言

超厚底板為超高層建筑基礎(chǔ)的重要組成部分，超厚底板臨時支撐結(jié)構(gòu)作為混凝土澆筑平臺，可有效保證底板施工質(zhì)量與安全。成都天投國際商務(wù)中心建筑高度284.4m，采用樁筏基礎(chǔ)，超厚底板厚度達3m，純鋼筋支撐難以滿足承載要求，因此，采用槽鋼與鋼筋組合臨時支撐結(jié)構(gòu)體系。然而，國內(nèi)外對該類支撐的研究較少，缺乏有關(guān)試驗數(shù)據(jù)及合適、完善的設(shè)計理論或規(guī)范規(guī)定，JGJ 300—2013《建筑施工臨時支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》、JGJ 130—2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》對圓管臨時支撐結(jié)構(gòu)體系進行了規(guī)定，但未對槽鋼與鋼筋組合臨時支撐結(jié)構(gòu)體系進行規(guī)定。近年來，臨時支撐安全事故不斷發(fā)生，需對槽鋼與鋼筋組合臨時支撐結(jié)構(gòu)體系安全性進行研究。根據(jù)本工程臨時支撐形式與尺寸，現(xiàn)場設(shè)計并制作3榀支撐，通過靜載試驗及有限元分析，得到支撐體系安全系數(shù)，保證底板施工安全。

1 靜載試驗

1.1 支撐設(shè)計與制作

現(xiàn)場靜載試驗用臨時支撐由9根立柱及支座、3根橫梁、12根柱間系桿、2根掃地桿和6道剪刀撐組成，如圖1所示。支座、立柱、掃地桿、橫梁均采用[5，剪刀撐采用φ14鋼筋，各桿件接觸點均采用焊接連接。槽鋼框架長3m、寬2.8m、高2.5m，柱間距均為1.4m。

圖1 試驗用臨時支撐

1.2 試驗設(shè)備

采用HIT智能結(jié)構(gòu)靜態(tài)測試系統(tǒng)及MCU-32型分布式模塊化自動測量單元，分別采集電阻應(yīng)變片數(shù)據(jù)和振弦式表面應(yīng)變計數(shù)據(jù)，可實時處理、儲存和顯示數(shù)據(jù)。根據(jù)平截面假定計算截面形心應(yīng)變，在第1排右柱、第2，3排柱1/2高度處分別粘貼3個應(yīng)變片；在3根橫梁底面共粘貼6個應(yīng)變片；在第1排左柱、中柱及第2排中柱1/2高度處分別安裝3個應(yīng)變計，預(yù)測中柱受力最大，故在中柱1/4高度處增設(shè)3個應(yīng)變計。

1.3 加載方案

由于臨時支撐框架結(jié)構(gòu)較高，考慮采用人工砂石加載不方便，可能造成試驗數(shù)據(jù)波動較大，綜合考慮后采用現(xiàn)場向水桶內(nèi)注水的方式加載。水桶為半透明塑料桶，直徑1.6m，高2m，厚5mm，重約0.5t，注水速度約25L/min，最大容重約4t，試驗前在水桶周圍用記號筆做好標(biāo)記，定時觀測水深。

框架結(jié)構(gòu)上層鋼筋網(wǎng)片由2層雙向φ28@150鋼筋人工綁扎制成，長度、寬度均為3m。為防止吊裝變形，部分綁扎部位采用點焊，鋼筋網(wǎng)片總重約1.2t。

鋼筋網(wǎng)片和水桶均由塔式起重機吊裝，人工輔助對中。受現(xiàn)場人員和設(shè)備干擾，注水前試驗數(shù)據(jù)波動較大，不具研究價值。出于現(xiàn)場人員安全和保護測量儀器考慮，未注水至結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，最大水重約2.6t。

1.4 試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果表明，粘貼應(yīng)變片的各立柱應(yīng)變曲線波動較大，出現(xiàn)尖銳毛刺。而安裝應(yīng)變計的各立柱應(yīng)變曲線較光滑，應(yīng)變連續(xù)穩(wěn)定變化，這是因為應(yīng)變計抗干擾能力較強，得到的試驗數(shù)據(jù)連續(xù)性較好。因此，應(yīng)采用應(yīng)變計監(jiān)測變形結(jié)果。第2排中柱同時使用應(yīng)變片和應(yīng)變計進行監(jiān)測，應(yīng)變曲線變化趨勢一致，吻合較好，表明測量結(jié)果較準(zhǔn)確。

2 有限元分析

由于試驗僅得到結(jié)構(gòu)在指定荷載作用下的響應(yīng)，未加載至整體失效，為得到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載力，建立有限元模型進行數(shù)值模擬分析，根據(jù)模擬結(jié)果提出有益建議。

2.1 槽鋼初始彎曲

初始缺陷是影響組合臨時支撐結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定承載力的重要因素，應(yīng)考慮初始缺陷的影響。因此，對初始缺陷進行測量，為精細(xì)化建模提供缺陷數(shù)據(jù)。槽鋼初始彎曲統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 槽鋼初始彎曲

2.2 模型建立

立柱、掃地桿、橫梁和鋼筋網(wǎng)片均采用Beaml88單元模擬，水桶采用Shell281單元模擬，有限元模型如圖2所示。將每根立柱打斷成50段并改變節(jié)點坐標(biāo)，添加正弦曲線形式的初始彎曲?？紤]梁單元碰撞，根據(jù)構(gòu)件真實空間位置建模，水桶底面通過劃分硬點與鋼筋網(wǎng)片相應(yīng)節(jié)點耦合連接，橫梁與鋼筋網(wǎng)片采用耦合方式連接，槽鋼開口方向、空間形狀等均與現(xiàn)場試驗保持一致，鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線采用折線簡化模型，桿件節(jié)點采用剛接，支座釋放弱軸方向轉(zhuǎn)動約束，并模擬注水加載。

圖2 有限元模型

2.3 結(jié)果分析

由于現(xiàn)場試驗應(yīng)變片數(shù)據(jù)波動較大，主要利用應(yīng)變計數(shù)據(jù)對有限元模型進行校核。第1排左柱、中柱及第2排中柱應(yīng)變曲線如圖3所示。由圖3可知，應(yīng)變計數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)吻合較好，驗證了模擬方法的準(zhǔn)確性。

圖3 立柱應(yīng)變曲線

2.4 穩(wěn)定性評估

為得到組合臨時支撐結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定承載力，在鋼筋網(wǎng)片上方施加均布荷載，并進行非線性屈曲分析。以結(jié)構(gòu)切線剛度矩陣奇異為控制指標(biāo)，得到模型在均布荷載作用下的穩(wěn)定承載力為163.3kN，極限狀態(tài)下的支撐體系應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 支撐體系應(yīng)力云圖

根據(jù)《建筑施工臨時支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，臨時支撐結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性計算荷載設(shè)計值為：

F=1.35×(G1+G2+G3)+1.4Q1=57.1kN

(1)

式中：G1，G2，G3，Q1分別為被支撐結(jié)構(gòu)自重、支撐結(jié)構(gòu)自重、其他材料自重、施工荷載。

根據(jù)天投國際商務(wù)中心超厚底板施工荷載調(diào)研結(jié)果，99%保證率下臨時支撐結(jié)構(gòu)體系施工荷載為1.37kN/m2，因此，按調(diào)研結(jié)果得到的穩(wěn)定性計算荷載設(shè)計值F=54.8kN。

對應(yīng)《建筑施工臨時支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定和荷載調(diào)研結(jié)果，天投國際商務(wù)中心超厚底板組合臨時支撐結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定承載力安全系數(shù)分別為2.9，3.0，說明該體系具有較高的安全儲備，可滿足施工安全要求。

3 結(jié)語

依托天投國際商務(wù)中心工程，設(shè)計并完成超厚底板組合臨時支撐結(jié)構(gòu)體系現(xiàn)場加載試驗，得到該體系在指定豎向荷載作用下的響應(yīng)。由于試驗僅得到結(jié)構(gòu)在指定荷載作用下的響應(yīng)，未加載至整體失效，為得到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載力，建立考慮初始彎曲的組合臨時支撐結(jié)構(gòu)體系精細(xì)化有限元模型，并對加載試驗進行模擬。模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好，驗證了模擬方法的準(zhǔn)確性。經(jīng)計算，組合臨時支撐結(jié)構(gòu)體系在豎向均布荷載作用下的穩(wěn)定承載力為163.3kN，具有較高的安全儲備，可滿足施工安全要求。