貝雷方柱支撐體系在大跨度鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

蔣 衛(wèi) 張位清 戴超虎 廖 飛 鄧正磊

中建五局第三建設(shè)有限公司 湖南 長(zhǎng)沙 410004

大跨度鋼結(jié)構(gòu)主要施工方法有散裝、提升、頂升、滑移等。相對(duì)于提升、頂升、滑移等施工方法，散裝法具有風(fēng)險(xiǎn)小、成本低、難度小等優(yōu)點(diǎn)，因此散裝法在大跨度鋼結(jié)構(gòu)中被廣泛采用。然而，在散裝法中，支撐體系的選擇和設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。市場(chǎng)上支撐胎架常用形式為現(xiàn)場(chǎng)自制、裝配格構(gòu)式、塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)等。這些胎架分別面臨著成本高、租賃資源少、高度單一等缺點(diǎn)[1-5]。經(jīng)調(diào)查，貝雷片也可組裝成豎向支撐胎架，并且租賃資源多，成本可控，具備非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)調(diào)節(jié)高度的條件。

1 工程背景

長(zhǎng)沙某展示中心建筑東西長(zhǎng)217.2 m，南北寬48.2 m，地下2層，地上6層。結(jié)構(gòu)類(lèi)型為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)相結(jié)合。

其中，A區(qū)采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，B區(qū)采用鋼框架＋鋼桁架結(jié)構(gòu)，C區(qū)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，具體如圖1所示。大跨度鋼桁架主要分布在B區(qū)中庭部位，最大跨度44 m，如圖2所示。

圖1 結(jié)構(gòu)示意

圖2 大跨度鋼桁架分布立面示意

2 支撐體系比選

本工程大跨度鋼桁架主要分布在B區(qū)中庭部位。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)塔吊布置情況和大跨度鋼桁架分段情況，共需設(shè)置14個(gè)支撐胎架，如圖3中黑點(diǎn)所示。由于B區(qū)中庭下部地下室頂板上部存在2個(gè)大型下沉廣場(chǎng)，使得有7個(gè)支撐胎架位于地下室頂板上，7個(gè)支撐胎架位于下沉廣場(chǎng)中（即地下室底板上）。

圖3 大跨度鋼桁架平面布置示意

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查，鋼結(jié)構(gòu)臨時(shí)支撐體系主要分為現(xiàn)場(chǎng)自制、裝配格構(gòu)式、塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)以及貝雷片等方式，它們之間的優(yōu)缺點(diǎn)各有不同。根據(jù)本工程實(shí)際情況，位于地下室頂板上部的7個(gè)支撐胎架位置高差為9.77 m，位于地下室底板上部的7個(gè)支撐胎架位置高差為19.47 m。綜合考慮上述支撐胎架形式的優(yōu)缺點(diǎn)，本工程擬采用貝雷片作為大跨度鋼桁架的臨時(shí)支撐體系。參照《裝配式公路鋼橋多用途使用手冊(cè)》可知，貝雷片支撐體系可分為貝雷排柱和貝雷方柱，形式如圖4所示?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)諸多不確定性因素，而且貝雷方柱承載能力更大，故本工程選擇采用貝雷方柱作為大跨度鋼桁架的支撐體系。

圖4 貝雷排柱和貝雷方柱

3 支撐體系設(shè)計(jì)

查閱相關(guān)資料可知貝雷片材質(zhì)為16Mn，標(biāo)準(zhǔn)平面尺寸為長(zhǎng)3.0 m、寬1.5 m，非標(biāo)準(zhǔn)片尺寸為長(zhǎng)、寬均為1.5 m或長(zhǎng)1.0 m、寬1.5 m，每片貝雷片插頭間采用M50銷(xiāo)釘連接。

本工程支撐胎架采用貝雷片組成的方柱形式，如圖5所示。貝雷方柱成形橫截面尺寸為1 900 mm×1 900 mm，1個(gè)貝雷方柱由4片貝雷片組成，每片標(biāo)準(zhǔn)貝雷片采用2個(gè)角撐和M30弦桿螺栓連接，每一層方柱共8個(gè)角撐。方柱下部設(shè)置礎(chǔ)板，以便方柱將荷載順利傳遞至基礎(chǔ)。每個(gè)方柱需設(shè)置8塊礎(chǔ)板。方柱上部設(shè)置4根大頂梁，截面H300 mm×200 mm×12 mm×12 mm，材質(zhì)Q345B，大頂梁下翼緣焊接2個(gè)凸耳，以便和方柱采用銷(xiāo)子連接。為了保證方柱頂部整體穩(wěn)固，4根大頂梁分別采用20a#工字鋼（Q345B）焊接連接。局部細(xì)微標(biāo)高調(diào)整可在方柱頂部采用千斤頂配合焊接碼板（PL25 mm×100 mm×250 mm）進(jìn)行。

圖5 貝雷方柱及其連接件示意

對(duì)于位于地下室底板上部的7個(gè)支撐胎架（高差19.47 m），每個(gè)方柱選用6層標(biāo)準(zhǔn)節(jié)和1層高1 m的非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)（6×3 m＋1×1 m＝19 m），為了保證礎(chǔ)板受力的均勻性，再在礎(chǔ)板下部設(shè)置PL20 mm×2 500 mm×2 500 mm的鋼板，礎(chǔ)板焊接固定在鋼板上部。其余高差現(xiàn)場(chǎng)采用工字鋼或者碼板調(diào)整。

對(duì)于位于地下室頂板上部的7個(gè)支撐胎架（高差為9.77 m），每個(gè)方柱選用3層標(biāo)準(zhǔn)節(jié)（3×3 m＝9 m），為了保證礎(chǔ)板受力的均勻性，再在礎(chǔ)板下部設(shè)置路基箱（尺寸200 mm×1 200 mm×5 500 mm），礎(chǔ)板焊接固定在路基箱上部。其余高差現(xiàn)場(chǎng)采用工字鋼或者碼板調(diào)整。由于此部分方柱位于地下室頂板上部，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)可小距離微調(diào)路基箱位置，盡量使荷載傳遞到鋼筋混凝土梁上，地下室頂板混凝土梁可根據(jù)設(shè)計(jì)荷載情況確定是否需要加固。

4 仿真模擬

本工程中庭大跨度鋼桁架需搭設(shè)支撐胎架，最不利情況為支撐胎架采用3個(gè)貝雷片組成的方柱形式，計(jì)算高度19.3 m。貝雷片方柱上部采用H300 mm×200 mm×12 mm×12 mm的大頂梁作為荷載傳遞梁。荷載傳遞梁之間采用20a#工字鋼連接。貝雷片材質(zhì)為16Mn，其余材質(zhì)均為Q345B。每個(gè)支撐胎架按照50 t承載驗(yàn)算。

根據(jù)實(shí)際情況，鋼桁架吊裝完成后正常使用時(shí)，支撐胎架按照兩端25 t對(duì)稱(chēng)加載的方式驗(yàn)算；鋼桁架在吊裝期間，考慮到鋼桁架分段不同時(shí)吊裝可能會(huì)導(dǎo)致偏心受壓及其他偶然因素，支撐胎架按照25 t偏心受壓的方式驗(yàn)算。支撐胎架四周均考慮2 kN/m的施工荷載。荷載組合按1.2倍恒荷載＋1.4倍活荷載考慮。采用有限元計(jì)算軟件分析如下：

1）正常使用計(jì)算分析。經(jīng)計(jì)算可知，正常使用狀態(tài)，對(duì)稱(chēng)加載的情況下，貝雷片方柱最大應(yīng)力為149 MPa，Q345B鋼強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為310 MPa，最大應(yīng)力比0.48，滿(mǎn)足要求；貝雷片方柱最大變形為7.21 mm，滿(mǎn)足要求；1節(jié)屈曲臨界系數(shù)為7.338，滿(mǎn)足要求。

2）偏心受壓計(jì)算分析。經(jīng)計(jì)算可知，極限偏心受壓狀態(tài)下，貝雷片方柱最大應(yīng)力為140 MPa，Q345B鋼強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為310 MPa，最大應(yīng)力比0.42，滿(mǎn)足要求；貝雷片方柱最大變形為20.6 mm，滿(mǎn)足要求；1節(jié)屈曲臨界系數(shù)為7.041，滿(mǎn)足要求。

因此，采用貝雷片方柱作為支撐胎架滿(mǎn)足要求。

5 安裝和拆卸

5.1 貝雷方柱安裝

每片貝雷片質(zhì)量為270 kg，分片運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后，采用塔吊或汽車(chē)吊卸運(yùn)至指定堆場(chǎng)或下沉廣場(chǎng)，之后采用汽車(chē)吊位于地下室頂板上部拼裝。每拼裝1—3層方柱后，視情況采用塔吊或汽車(chē)吊吊運(yùn)至支撐位置。方柱拼裝完成后，需綜合考慮支撐胎架的彈性和非彈性變形，以及鋼桁架卸載完成后的變形，以此確定大跨度鋼桁架下弦桿起拱值。

5.2 貝雷方柱拆卸

5.2.1 貝雷方柱卸載

中庭鋼桁架及其橫向連系桿件安裝并焊接完成后，再進(jìn)行卸載。正式卸載前架設(shè)好全站儀，卸載前再?gòu)?fù)核整個(gè)鋼桁架的標(biāo)高監(jiān)測(cè)點(diǎn)，確保滿(mǎn)足圖紙要求，并做好記錄。在地面上用水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)方柱的沉降狀況，觀測(cè)是否在均勻變化，記錄測(cè)量數(shù)據(jù)。

在方柱頂部將方柱大頂梁上的所有千斤頂同時(shí)頂緊，用氣焊切割開(kāi)大頂梁上的碼板，切割點(diǎn)與鋼桁架下弦桿距離至少要大于20 mm，以免割傷弦桿。每次切割約使支撐下降3 cm，分次切割，直至梁段不再下降為止。

5.2.2 貝雷方柱卸載順序

鋼桁架卸載時(shí)要統(tǒng)一指揮，操作者步調(diào)一致、均勻卸力。按縱橫2個(gè)方向分級(jí)同步卸載，橫向卸載由中間2榀鋼桁架向外部2榀鋼桁架進(jìn)行，遵循結(jié)構(gòu)本身內(nèi)力傳遞的特點(diǎn)，卸載點(diǎn)要對(duì)稱(chēng)；縱向卸載由兩端向跨中卸載。卸載過(guò)程要緩慢，不可一次到位，應(yīng)使各方柱都處于受荷狀態(tài)。卸載過(guò)程中要對(duì)方柱進(jìn)行嚴(yán)格的沉降觀測(cè)，及時(shí)匯報(bào)各檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并需觀測(cè)鋼桁架下弦桿的標(biāo)高，確保符合設(shè)計(jì)要求。中庭支撐胎架分級(jí)同步卸載按順序①→②→③→④進(jìn)行，如圖6所示。

圖6 支撐胎架卸載順序示意

5.2.3 貝雷方柱拆除

待支撐胎架頂梁上部碼板割除后，支撐體系整體卸載完成，貝雷方柱和鋼桁架已成脫離狀態(tài)。貝雷方柱拆除位置搭設(shè)2塊鋼跳板作為工人的臨時(shí)操作平臺(tái)，鋼跳板和貝雷方柱采用鋼絲綁扎牢固。

貝雷方柱上部1～2節(jié)采用塔吊從事先預(yù)留的位置下鉤，松掉貝雷片之間的插銷(xiāo)和角撐，一片一片拆除。貝雷方柱下部可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況按節(jié)拆除，拆除后的貝雷片吊運(yùn)至下沉廣場(chǎng)。隨后采用汽車(chē)吊從地下室頂板上部吊運(yùn)1臺(tái)隨車(chē)吊至下沉廣場(chǎng)，隨車(chē)吊在下沉廣場(chǎng)內(nèi)部進(jìn)行場(chǎng)內(nèi)貝雷方柱分解成片及轉(zhuǎn)運(yùn)。最后采用汽車(chē)吊在地下室頂板上將貝雷片吊離出下沉廣場(chǎng)。

位于地下室頂板上部的貝雷支撐胎架，采用塔吊拆卸成片后，在地下室頂板上采用人工搬運(yùn)的方式轉(zhuǎn)運(yùn)至建筑外側(cè)，之后采用汽車(chē)吊吊離。

貝雷方柱安裝及拆卸時(shí)，汽車(chē)吊應(yīng)按照消防車(chē)道的布置路線行駛，在消防車(chē)道位置上進(jìn)行貝雷方柱的安裝和拆卸。為安全起見(jiàn)，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)規(guī)定汽車(chē)吊支腿架在地下室頂板混凝土梁上，可避免樓板承受荷載，而直接由梁承受支腿壓力。

對(duì)于不能搭設(shè)在混凝土梁上的支腿，下墊路基箱，將支腿荷載轉(zhuǎn)移至地下室頂板混凝土梁上，地下室頂板混凝土梁可根據(jù)設(shè)計(jì)荷載情況確定是否需要加固。

6 結(jié)語(yǔ)

本工程大跨度鋼桁架選擇貝雷方柱作為支撐體系，按照上述方法進(jìn)行安裝和拆卸。經(jīng)實(shí)踐證明，該支撐體系滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的要求，并且拆除后，大跨度鋼桁架的撓度符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

貝雷方柱在本工程的成功應(yīng)用，為后續(xù)在類(lèi)似工程項(xiàng)目中的應(yīng)用提供了實(shí)踐依據(jù)。貝雷方柱相對(duì)于其他支撐體系而言，租賃資源多、操作方便、承載能力大、拆除簡(jiǎn)單，后續(xù)在大跨度鋼結(jié)構(gòu)中將會(huì)被廣泛應(yīng)用。