重載跨空結(jié)構(gòu)支撐體系安全性模擬分析

馬 沖，田 野，張營(yíng)營(yíng)，許 超

(1.山東金城建設(shè)有限公司，山東 淄博 255000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

跨空結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)安全和施工安全是近年來建筑施工領(lǐng)域研究的重難點(diǎn)，現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中并未對(duì)此作出明確說明。對(duì)于一般性的高層住宅建筑，其樓層結(jié)構(gòu)荷載及施工荷載較小，常規(guī)做法是3層承受1層荷載，如1～3層地面承受3層頂板(4層地面)的荷載，如此循環(huán)；超過一定規(guī)模，且危險(xiǎn)性較大的分部分項(xiàng)工程(施工總荷載≥15kN/m2或集中線荷載≥20kN/m[1-2]，本文稱其為重載結(jié)構(gòu))施工過程中，一旦施工樓層滿足重載施工條件，一般處理方式為保留下部支撐體系直至基礎(chǔ)，待上部重載施工完成后拆除。

當(dāng)前城市綜合體的共享空間以跨空結(jié)構(gòu)為主，施工中常出現(xiàn)跨空且重載的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。模板支撐體系落在結(jié)構(gòu)樓板上，下部支撐需幾層結(jié)構(gòu)作為支撐體系，傳遞上部結(jié)構(gòu)的自重荷載和施工荷載；若在上述危險(xiǎn)性較大工程中使用，將占用大量的施工空間和資源，增加施工成本。以實(shí)際工程為研究對(duì)象，采用有限元分析法，建立混合結(jié)構(gòu)模型，將樓蓋與桿件自重等所有荷載之和換算成整個(gè)樓面的均布荷載，通過等效應(yīng)力法研究結(jié)構(gòu)及施工荷載在多層結(jié)構(gòu)中依次傳遞和應(yīng)力遞減的規(guī)律。

1 工程概況

高青銀座國(guó)際廣場(chǎng)銀座商城位于淄博市高青縣蘆湖路以西、高苑路以南，總建筑面積52 580m2，建筑總高度21.15m，地下1層，地上4層。影廳樓地上主體結(jié)構(gòu)第1層層高5.85m，第2層層高5.1m，影廳層層高10.25m，其剖面如圖1所示。

圖1 影廳樓剖面

本工程為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，由商城、高層住宅及7個(gè)主影廳組成。臺(tái)階式影廳與周圍標(biāo)準(zhǔn)住宅層進(jìn)行融合設(shè)計(jì)，因此施工過程中出現(xiàn)多處公共建筑的跨空結(jié)構(gòu)與住宅標(biāo)準(zhǔn)層的施工協(xié)調(diào)問題。為保證施工通道暢通及下部結(jié)構(gòu)其他專業(yè)有足夠作業(yè)空間，需拆除底層結(jié)構(gòu)的模板支撐系統(tǒng)。

圖2 模板支撐范圍結(jié)構(gòu)

2 施工工藝

1)支撐體系底部處理 20.700m標(biāo)高樓蓋支撐為10.450m標(biāo)高現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)頂板，為保證現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)頂板的承載力，需保留10.450m底部結(jié)構(gòu)支撐體系，并在其上鋪設(shè)厚50mm、寬300mm、長(zhǎng)度≥2 000mm 的木墊板，在所有梁下立桿的木板上鋪設(shè)直徑為100mm、厚3mm的圓形底座，然后安裝立桿，防止局壓破壞[3-4]。

2)施工工藝流程 20.700m標(biāo)高樓蓋下型鋼混凝土柱型鋼安裝→型鋼驗(yàn)收→型鋼柱鋼筋綁扎→鋼筋驗(yàn)收→10.450m標(biāo)高下框架柱模板安裝→搭設(shè)立桿、水平桿及剪刀撐→校正框架柱模板→連接支撐體系水平桿件與框架柱模板→澆筑15.550m標(biāo)高樓蓋下框架柱混凝土→15.550m標(biāo)高下框架柱模板安裝→接長(zhǎng)立桿、水平桿及剪刀撐→校正框架柱模板→連接支撐體系水平桿件與框架柱模板→澆筑20.700m標(biāo)高樓蓋下框架柱混凝土至框架梁梁底→搭設(shè)梁板底部水平桿件→鋪設(shè)梁板底次楞和模板→綁扎梁板鋼筋→安裝梁側(cè)模板→梁板鋼筋與模板驗(yàn)收→澆筑梁板混凝土→混凝土養(yǎng)護(hù)[5]。

3 模型構(gòu)建及分析

3.1 有限元模型建立

用軟件SAP2000建模，采用桿單元定義梁、立桿、橫桿及斜撐，板單元模擬樓板?？蚣軉卧褂萌S梁-柱計(jì)算公式，包括雙軸彎曲、扭轉(zhuǎn)、軸向變形、雙軸剪切變形等效應(yīng)[6-7]。

設(shè)置初始條件，水平面內(nèi)東向?yàn)閤，北向?yàn)閥，垂直于水平面高度方向?yàn)閦。

鑒于該模型中桿件較多，先在Auto CAD中建立初步模型，再將其導(dǎo)入SAP2000進(jìn)行模型細(xì)化[8]，包括桿件截面定義，軸網(wǎng)的生成，橫桿、斜撐及樓板的建立與劃分，最終結(jié)構(gòu)的三維模型如圖3，4所示。模型中，樓板劃分與立桿布置點(diǎn)一致，即整個(gè)樓板劃分成以立桿支撐點(diǎn)為頂點(diǎn)的四邊形，立桿與樓面鉸接。

圖3 整體模型

圖4 平面布置

3.2 施加荷載

模擬頂層井字樓蓋的施工過程，豎向荷載包括頂層井字樓蓋自重及施工荷載[9]。將20.700m標(biāo)高跨空結(jié)構(gòu)樓蓋自重(包括梁自重)換算成整個(gè)樓面的均布荷載，為便于分析，在支撐系統(tǒng)頂部設(shè)定一個(gè)虛擬承載平面(即虛面)。經(jīng)計(jì)算樓蓋荷載為9.85kN/m2。

依據(jù)JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》[10]，施工活荷載為2.5kN/m2。考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)，經(jīng)計(jì)算最終在模型頂部虛面的均布荷載為15.32kN/m2。其余樓層荷載只考慮桿件自重。

鑒于該樓蓋施工前四周已形成一個(gè)封閉空間，故對(duì)該施工過程的模擬不考慮風(fēng)荷載影響。

3.3 等效分析

通過軟件計(jì)算分析，對(duì)各樓層等效應(yīng)力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，得到各標(biāo)高面的最大應(yīng)力與最大豎向位移，如表1所示。

表1 各標(biāo)高等效應(yīng)力面應(yīng)力與最大豎向位移 (跨度8.4m)

由表1可知，-0.500m標(biāo)高處樓板應(yīng)力最大，該處樓板上部最大等效應(yīng)力為5.11MPa，下部最大等效應(yīng)力為3.9MPa。最大豎向位移發(fā)生在⑥～⑦軸的樓板處，數(shù)值為3.1mm。

3.4 結(jié)果驗(yàn)證

原樓面設(shè)計(jì)活荷載影院部分為3kN/m2，不考慮結(jié)構(gòu)施工階段未施加荷載，根據(jù)L13J1《建筑工程做法》，樓213地毯樓面B(雙層)恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值0.71kN/m2，即(1.4×2.98)kN/m2<(1.4×3+1.2×0.71)kN/m2。

選取-0.500m標(biāo)高處樓板上受力變形最大區(qū)域支撐豎桿的底部軸力，并結(jié)合支撐點(diǎn)布置的數(shù)量換算成面上均布荷載反算到該樓板上，得到變形最大樓板上部的支撐豎桿最大軸力，為493N，換算成均布荷載為0.81kN/m2。刪除模型-0.500m標(biāo)高處樓板以上所有構(gòu)件，施加0.81kN/m2均布面荷載，得到-0.500m 標(biāo)高處樓板等效應(yīng)力，如圖5所示。

圖5 等效應(yīng)力云圖(單位：MPa)

對(duì)比兩次分析結(jié)果，可得施工過程中20.700m標(biāo)高樓蓋設(shè)計(jì)計(jì)算的15.32kN/m2源荷載，其中8.38kN/m2傳遞至四周框架柱上，即產(chǎn)生卸荷效應(yīng)；下面3層樓蓋僅分擔(dān)了20.700m標(biāo)高樓蓋施工過程中6.94N/m2的荷載。

運(yùn)用同樣的計(jì)算方法和等效原理，對(duì)5.350，10.450m兩處標(biāo)高樓蓋進(jìn)行整合運(yùn)算，統(tǒng)計(jì)模型中所有進(jìn)行支模的立桿、橫桿及斜撐，得到其總重力分別為1 625.4，1 946.4kN，因樓蓋滿足多層傳荷承載力要求，最終換算成樓板均布荷載約為1.85，2.32kN/m2，通過支撐豎桿傳遞到-0.500m標(biāo)高樓面的荷載可等效為0.81kN/m2均布荷載。整理各標(biāo)高面的實(shí)際換算等效均布荷載，如表2所示。

表2 各標(biāo)高面的實(shí)際換算等效均布荷載

對(duì)原結(jié)構(gòu)縱、橫向柱距按原設(shè)計(jì)的2/3，1/3分別進(jìn)行等比例縮小，得到其應(yīng)力變化情況如表3，4所示。

表3 柱距按2/3(跨度5.6m)縮小各標(biāo)高等效應(yīng)力面應(yīng)力與最大豎向位移

根據(jù)表1，3，4分析得出等效面應(yīng)力及最大位移隨被支撐區(qū)域梁板跨度的變化情況，如圖6，7所示。

由圖6，7可知，結(jié)構(gòu)層施工中，未完全達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的樓蓋體系具備一定的傳遞荷載能力，跨空支撐系統(tǒng)的荷載經(jīng)梁板傳遞至框架柱后，施工荷載效應(yīng)逐步衰減，對(duì)結(jié)構(gòu)的活荷載作用降低，其等效面應(yīng)力、最大位移與跨度呈正相關(guān)。

表4 柱距按1/3(跨度2.8m)縮小各標(biāo)高等效應(yīng)力面應(yīng)力與最大豎向位移

圖6 等效面應(yīng)力隨跨度變化曲線

圖7 等效面最大豎向位移隨跨度變化曲線

4 結(jié)語(yǔ)

1)5.350，10.450m標(biāo)高處樓板在頂層樓蓋施工過程中承受部分荷載并傳遞至四周框架柱上，頂層井字樓蓋施工過程中通過支撐豎桿傳至底層樓面的荷載可等效為2.98kN/m2的均布活荷載。

2)影院部分樓板通過L13J1《建筑工程做法》提供的參數(shù)計(jì)算得實(shí)際荷載為(1.4×2.98)kN/m2，小于該樓板在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮的荷載(1.4×3+1.2×0.71)kN/m2，符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3)提前拆除重載跨空結(jié)構(gòu)底層支撐后，建筑結(jié)構(gòu)承載力符合標(biāo)準(zhǔn)，施工安全性仍能得到保障，且釋放了更多施工空間，可提高不同區(qū)域施工的協(xié)調(diào)性及施工效率，降低施工成本，具有一定的參考價(jià)值。