高承載力高周轉(zhuǎn)鋼構(gòu)施工臨時(shí)支撐體系在施工項(xiàng)目中的應(yīng)用

劉祥 周云平 顏佳星

1.背景介紹

臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)是鋼結(jié)構(gòu)安裝施工過程中，在上部結(jié)構(gòu)未形成整體結(jié)構(gòu)時(shí)，給予上部結(jié)構(gòu)支撐的臨時(shí)結(jié)構(gòu)[1]。目前在大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)安裝施工過程中，應(yīng)用最為廣泛的是高承載力鋼結(jié)構(gòu)臨時(shí)支撐體系，高承載力鋼結(jié)構(gòu)臨時(shí)支撐體系可以廣泛應(yīng)用于各種大型公共建筑領(lǐng)域，適用項(xiàng)目類型豐富，對(duì)于復(fù)雜建筑形態(tài)及復(fù)雜場(chǎng)地情況的應(yīng)用具有優(yōu)勢(shì)。

高承載力臨時(shí)支撐體系表現(xiàn)出了優(yōu)越的性能，但是高承載力臨時(shí)支撐普遍難以高周轉(zhuǎn)使用。為此我們?cè)O(shè)計(jì)了一種高承載力、可周轉(zhuǎn)使用的鋼結(jié)構(gòu)施工臨時(shí)支撐。在實(shí)際工程應(yīng)用過程中，針對(duì)質(zhì)量較重構(gòu)件，它不但承載力高，而且所有構(gòu)件均可拆卸循環(huán)使用，使用方便，滿足高承載力高周轉(zhuǎn)要求（圖1、圖2）。

圖1 支撐平面效果圖

圖2 支撐立面效果圖

下面以高承載力高周轉(zhuǎn)鋼構(gòu)施工臨時(shí)支撐體系在桂林兩江國(guó)際機(jī)場(chǎng)T2 航站樓施工項(xiàng)目中的應(yīng)用為例來進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

2.工程概況

桂林兩江國(guó)際機(jī)場(chǎng)T2 航站樓及站坪配套設(shè)施擴(kuò)建工程航站樓主體工程地上3層，局部地下1 層，建筑高度39.80m。航站樓采用“兩層式”旅客流程，出發(fā)、到達(dá)旅客上下分層，出發(fā)層在上，到達(dá)層在下。T2 航站樓呈“U”字構(gòu)型，主樓中間港灣南北向?qū)挾葹?94m，東西向深度為198m，建筑總面積約100000m2（圖3）。

圖3 項(xiàng)目效果圖

本工程主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。屋頂均采用鋼結(jié)構(gòu)，主樓中心區(qū)屋頂為雙向雙曲拱殼結(jié)構(gòu)體系，鋼結(jié)構(gòu)是由中心區(qū)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)、指廊區(qū)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)、支撐拱鋼結(jié)構(gòu)、登機(jī)橋鋼結(jié)構(gòu)、鋼連橋鋼結(jié)構(gòu)和鋼浮島鋼結(jié)構(gòu)六部分組成（圖4）?？傆娩摿考s11000t[2]。

圖4 鋼結(jié)構(gòu)分布圖

3.結(jié)構(gòu)概況

中心區(qū)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)采用由橫梁與環(huán)梁圍成的矩形網(wǎng)格，環(huán)梁為矩形鋼管，截面高度自中部的900mm 向兩端的500mm 依次變化。橫梁為圓形鋼管，鋼管最大直徑351mm。單層殼體通過自拱身斜向伸出的與殼體環(huán)梁曲線近似相切的撐桿與支撐拱連接。中心區(qū)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)總重約4600t。屋蓋殼體桿件之間的節(jié)點(diǎn)均為剛接。

本工程中，中心區(qū)支撐拱為空間曲線實(shí)腹鋼結(jié)構(gòu)拱，整個(gè)中心區(qū)由7 對(duì)相對(duì)朝向的弧形拱及端部?jī)蓚€(gè)平面拱組成，跨度分別為118m、75m、45m、39m。支撐拱橫截面為梯形截面，截面高度自支座向跨中逐漸變小（圖5）。

圖5 中心區(qū)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)

4.鋼結(jié)構(gòu)重難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施

4.1 鋼結(jié)構(gòu)重難點(diǎn)

本工程空間支撐拱截面尺寸大，且是主要受力構(gòu)件，支撐拱的安裝方法、安裝工藝及分段是本工程施工的重點(diǎn)。單層殼體屋蓋投影面積大，受溫度影響變形大，對(duì)接點(diǎn)多，對(duì)結(jié)構(gòu)分段及安裝精度要求高。

4.2 鋼結(jié)構(gòu)重難點(diǎn)應(yīng)對(duì)措施

（1）綜合考慮本工程的結(jié)構(gòu)曲面不規(guī)則、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜等各方面因素，經(jīng)過多種施工方案模擬對(duì)比，決定采用高承載力高周轉(zhuǎn)鋼構(gòu)施工臨時(shí)支撐體系，大型履帶吊分塊吊裝的方法進(jìn)行安裝。

（2）確定恰當(dāng)?shù)姆謮K方式，根據(jù)吊柱能力及下部結(jié)構(gòu)布置對(duì)各個(gè)分塊位置進(jìn)行確定，確保安裝的精度。選擇合理的安裝順序，確保分塊間嵌補(bǔ)安裝應(yīng)力小于限定值，減少累積誤差。

（3）根據(jù)分塊方式，在各個(gè)分塊位置設(shè)置施工臨時(shí)支撐，對(duì)各個(gè)分塊及支撐進(jìn)行核算，確保安裝的安全可靠。

（4）根據(jù)各個(gè)施工臨時(shí)支撐的位置，確定施工臨時(shí)支撐柱底是否落于主體混凝土框架柱或框架梁上，將結(jié)構(gòu)計(jì)算的施工臨時(shí)支撐柱底反力施加于主體結(jié)構(gòu)模型上進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)于受力結(jié)構(gòu)不滿足結(jié)構(gòu)配筋要求處設(shè)置施工臨時(shí)支撐底部轉(zhuǎn)換胎架，通過底部轉(zhuǎn)換胎架將施工臨時(shí)支撐的豎向力穿至附近能夠滿足計(jì)算要求的主體混凝土框架柱或框架梁處。

最終確定本項(xiàng)目中心區(qū)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)施工臨時(shí)支撐布置如圖6 所示。

圖6 中心區(qū)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)施工臨時(shí)支撐布置示意

5.鋼結(jié)構(gòu)總體安裝思路

5.1 中心區(qū)空間支撐拱結(jié)構(gòu)安裝

本工程中心區(qū)空間支撐拱結(jié)構(gòu)依據(jù)中軸線鏡像分布，每側(cè)拱結(jié)構(gòu)從中間向兩邊依次編號(hào)為G1-G8。安裝順序如下：（1）利用2 臺(tái)150t 汽車吊和2 臺(tái)100t汽車吊分塊安裝拱腳；（2）進(jìn)行拱臨時(shí)胎架位置的放線定位，完成臨時(shí)胎架的搭設(shè)并復(fù)測(cè)各臨時(shí)胎架上定位板的位置和標(biāo)高；（3）進(jìn)行空側(cè)端和陸側(cè)端用履帶吊同時(shí)安裝G1-G4 第一段拱；（4）安裝G1-G4 剩余拱；（5）安裝G5-G8 第一段拱；（6）安裝G5-G8 剩余拱，拱安裝完成如圖7 所示。

圖7 中心區(qū)空間支撐拱結(jié)構(gòu)安裝示意圖

5.2 中心區(qū)屋蓋單層殼體的安裝

中心區(qū)屋蓋為單層殼體，采用由橫梁和環(huán)梁圍成的矩形網(wǎng)格，大廳通過天窗桁架進(jìn)行采光，環(huán)梁為矩形鋼管，橫梁為圓形鋼管，環(huán)梁高度自中部的900mm 高向兩端的500mm 高依次變化，橫梁鋼管直徑分別為351mm、325mm、273mm 和245mm。屋蓋中心區(qū)空側(cè)和陸側(cè)端最大距離為154.98m，南北兩側(cè)寬為375.05m。單層殼體通過拱斜撐與殼體環(huán)梁曲線近似相切的撐桿與支撐拱連接。屋蓋殼體桿件均為剛接節(jié)點(diǎn)，與支撐拱連接的桿件均為剛接，拱拉桿兩端為鉸接。

根據(jù)屋蓋網(wǎng)殼形式，在屋蓋對(duì)稱軸處設(shè)置合攏段，根據(jù)合攏段對(duì)屋面進(jìn)行分區(qū)（圖8）。屋蓋的安裝順序采用從空陸兩側(cè)同時(shí)推進(jìn)，在跨中進(jìn)行小區(qū)域的合攏。為了保證履帶吊安裝時(shí)不與結(jié)構(gòu)碰撞以及根據(jù)設(shè)計(jì)意圖和滿足結(jié)構(gòu)受力變形要求，先安裝兩拱之間的屋蓋，即A、C 區(qū)域，再安裝B 區(qū)域屋蓋，使其形成一個(gè)整體，增大屋蓋整體剛度，緊接著安裝E 區(qū)域，再安裝D 區(qū)域，按照該順序依次安裝完成整個(gè)中心區(qū)屋蓋。在施工過程中不相連的屋蓋可以同步施工，如施工A、C 區(qū)域的同時(shí)可以施工E 區(qū)域[3-4]。

圖8 屋蓋分區(qū)示意

6.施工仿真模擬分析

6.1 中心區(qū)空間支撐拱結(jié)構(gòu)安裝施工模擬分析

該計(jì)算采用Midas 軟件建模分析。荷載：施工安裝時(shí)結(jié)構(gòu)自身及安裝操作人員重量。荷載組合：dead（變形、反力），1.35dead（應(yīng)力）。約束：鋼拱的柱腳均為剛接柱腳，臨時(shí)支撐柱腳采用鉸接柱腳，在Midas 中建立模型如圖9 所示。結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為7.81MPa（圖10），結(jié)構(gòu)變形（圖11）如下，結(jié)構(gòu)最大變形為1.09mm。中心區(qū)空間支撐拱結(jié)構(gòu)整體施工滿足強(qiáng)度和剛度要求[5-6]。

圖9 中心區(qū)空間支撐拱結(jié)構(gòu)安裝約束示意圖

圖10 中心區(qū)空間支撐拱結(jié)構(gòu)安裝應(yīng)力圖

圖11 中心區(qū)空間支撐拱結(jié)構(gòu)安裝變形圖

6.2 中心區(qū)屋蓋單層殼體安裝施工模擬分析

該計(jì)算采用Midas 軟件建模分析。荷載：施工安裝時(shí)結(jié)構(gòu)自身及安裝操作人員重量。荷載組合：dead（變形、反力），1.35dead（應(yīng)力）。在Midas 中建立模型如圖12 所示，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為81.91MPa（圖13），結(jié)構(gòu)變形（圖14）如下，結(jié)構(gòu)最大變形為61.21mm。中心區(qū)屋蓋單層殼體整體施工滿足強(qiáng)度和剛度要求，實(shí)際施工圖片如圖15。

圖12 中心區(qū)屋蓋單層殼體安裝約束示意圖

圖13 中心區(qū)屋蓋單層殼體安裝應(yīng)力圖

圖14 中心區(qū)屋蓋單層殼體安裝變形圖

圖15 實(shí)際施工圖

6.3 中間支撐承擔(dān)風(fēng)荷載整體施工驗(yàn)算模擬分析

計(jì)算同樣采用Midas 軟件建模分析。風(fēng)荷載按0.2kN/m2考慮。荷載組合：dead（變形、反力），1.4wind（應(yīng)力）。約束：鋼拱的柱腳均為剛接柱腳，臨時(shí)支撐柱腳采用鉸接柱腳，在Midas中建立模型如圖16 所示。結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為267.43MPa（圖17），結(jié)構(gòu)變形（圖18）如下，結(jié)構(gòu)最大變形為11.56mm。中間支撐承擔(dān)風(fēng)荷載整體施工驗(yàn)算滿足強(qiáng)度和剛度要求[7]。

圖16 中間支撐承擔(dān)風(fēng)荷載整體施工驗(yàn)算示意圖

圖17 中間支撐承擔(dān)風(fēng)荷載整體施工驗(yàn)算應(yīng)力圖

圖18 中間支撐承擔(dān)風(fēng)荷載整體施工驗(yàn)算變形圖

7.結(jié)束語

（1）本文結(jié)合桂林兩江國(guó)際機(jī)場(chǎng)T2航站樓工程，詳細(xì)闡述了高承載力高周轉(zhuǎn)鋼構(gòu)施工臨時(shí)支撐體系的施工工藝和施工技術(shù)；通過應(yīng)用多方面施工分析方法，對(duì)該工程進(jìn)行施工模擬計(jì)算，得出了施工可行的理論依據(jù)，取得了較好的實(shí)施效果。桂林兩江國(guó)際機(jī)場(chǎng)T2 航站樓的順利施工，標(biāo)志著在攻克不規(guī)則、大跨度、高難度結(jié)構(gòu)的道路上又踏出了堅(jiān)實(shí)的一步，為類似工程提供參考。

（2）本工程的實(shí)踐表明，高承載力高周轉(zhuǎn)鋼構(gòu)施工臨時(shí)支撐體系技術(shù)的推廣解決了臨時(shí)支撐的使用難題，臨時(shí)支撐可回收循環(huán)使用，極大提高了施工效率，節(jié)省了資源，提高了施工安全保障，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。