基于支承懸挑桁架結(jié)構(gòu)的免高支模貝雷架平臺(tái)應(yīng)用

王 磊

中億豐建設(shè)集團(tuán)股份有限公司 江蘇 蘇州 215131

1 工程概況

蘇州博物館西館地上部分是由10個(gè)邊長(zhǎng)25 m的筒體構(gòu)成的建筑群，筒體內(nèi)部不設(shè)豎向結(jié)構(gòu)，筒體角部設(shè)置厚800 mm剪力墻作為豎向結(jié)構(gòu)，滿足展館所需的大空間。該工程4#筒體，地上3層，為滿足建筑效果，在結(jié)構(gòu)東北角，南北方向20.35 m、東西方向10.45 m范圍內(nèi)，2、3層結(jié)構(gòu)懸空，如圖1所示。該部位采用支承懸挑桁架結(jié)構(gòu)，鋼骨結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 4#筒體整體結(jié)構(gòu)模型

圖2 4#筒體鋼骨布置模型

4#筒體屋面結(jié)構(gòu)梁主要截面尺寸為600 mm×1 250 mm、750 mm×1 200 mm，屋面結(jié)構(gòu)施工時(shí)，需從1層樓面搭設(shè)滿堂模板支撐架至屋面結(jié)構(gòu)，搭設(shè)高度約25 m，同時(shí)對(duì)應(yīng)區(qū)域的地下1層模板支撐架保留。采用該方式搭設(shè)模板支撐架，既增加了鋼管的投入量，又影響了二次結(jié)構(gòu)的施工。結(jié)合工程情況以及類似施工經(jīng)驗(yàn)，擬在3層樓面設(shè)置免高支模貝雷架平臺(tái)，從而降低模板支撐架搭設(shè)難度，同時(shí)為二次結(jié)構(gòu)創(chuàng)造工作面。

2 免高支模貝雷架平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 轉(zhuǎn)換平臺(tái)方案比選

本項(xiàng)目貝雷架平臺(tái)跨度大，所承受荷載大，貝雷架擱置端的選擇決定了平臺(tái)的安全、成本，因而需對(duì)擱置端的選型進(jìn)行綜合比選，為此，考慮了以下3種方案：

方案1：采用圓管柱作為平臺(tái)支撐立柱，立柱傳力至底板。根據(jù)貝雷架的平面布置，采用鋼立柱＋擱置主梁作為墻板一側(cè)的支座，由于圓立柱需設(shè)置在貝雷架與弦桿節(jié)點(diǎn)位置，因此鋼立柱無(wú)法落在頂板框架梁上，直接落在樓面上，鋼立柱位置需逐層加固，傳力至底板。

方案2：采用圓管柱作為平臺(tái)支撐立柱，傳力至地下室頂板，頂板設(shè)置反梁。與方案1不同之處在于，鋼立柱無(wú)須傳力至底板，避免地下室區(qū)域的加固。該方案需在頂板設(shè)置貫通的鋼筋混凝土反梁，作為鋼管柱的基礎(chǔ)，待轉(zhuǎn)換平臺(tái)拆除后破除基礎(chǔ)反梁。

方案3：設(shè)置牛腿作為貝雷架平臺(tái)擱置端。與樓面同標(biāo)高位置，在樓面澆筑前，在剪力墻上預(yù)埋埋件，剪力墻模板拆除、達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后在埋件位置焊接鋼牛腿，貝雷架轉(zhuǎn)換平臺(tái)一端擱置在鋼牛腿上，待轉(zhuǎn)換平臺(tái)拆除后切除鋼牛腿。

上述3個(gè)方案，其中方案1涉及較多地下室鋼管加固回頂，且地下室鋼管立柱安裝困難；方案2需做現(xiàn)澆反梁，反梁體積大，澆筑、破拆成本較大；方案3最為經(jīng)濟(jì)、高效，但由于支承懸挑結(jié)構(gòu)傳力形式復(fù)雜，需進(jìn)行結(jié)構(gòu)復(fù)核。通過(guò)以上3個(gè)方案的比較，決定采用方案3，即采用臨時(shí)牛腿作為貝雷架的擱置端。

2.2 轉(zhuǎn)換平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案

2.2.1 屋面結(jié)構(gòu)概況

4#筒體屋面為坡屋面，自⑩軸向⑨軸坡度為19.38%，屋面X向梁截面尺寸為600 mm×1 250 mm，Y向梁截面尺寸主要為600 mm×1 250 mm、750 mm×1 200 mm，其中⑩軸線上北側(cè)4根、F 軸線上右側(cè)2根勁性柱為懸挑桁架柱，標(biāo)高為2層至屋面結(jié)構(gòu)，勁性柱截面尺寸為800 mm×1 200 mm，屋面結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)勁性柱位置各有1條框架梁。另外，3層樓面洞口凈尺寸為19.0 m（X向）×23.7 m（Y向）。

2.2.2 貝雷架轉(zhuǎn)換平臺(tái)的設(shè)置

轉(zhuǎn)換平臺(tái)跨度越大，貝雷架所受荷載也隨之增加，應(yīng)力、撓度也相應(yīng)增加，因而貝雷架轉(zhuǎn)換平臺(tái)沿X向架設(shè)，轉(zhuǎn)換平臺(tái)X向跨度由7片貝雷標(biāo)準(zhǔn)片組成（3.0 m×7＝21.0 m＞跨度19.0 m）。平臺(tái)左側(cè)擱置在3層結(jié)構(gòu)樓面上，平臺(tái)右側(cè)擱置點(diǎn)分為2種情況：

1）由于⑩軸線上北側(cè)20.35 m范圍內(nèi)為單梁（局部有柱），該區(qū)域的轉(zhuǎn)換平臺(tái)擱置在⑩軸框架梁上。

2）⑩軸線上南側(cè)為厚800 mm剪力墻結(jié)構(gòu)，該區(qū)域轉(zhuǎn)換平臺(tái)擱置焊接在剪力墻上的鋼牛腿上，并通過(guò)雙拼工字鋼來(lái)調(diào)整貝雷架平臺(tái)兩端的標(biāo)高。

由于框架梁的位置荷載較大，單榀貝雷架單元應(yīng)盡量布置在X向框架梁投影位置。但由于⑩軸框架梁上有3根梁上柱（除角柱外），該工況下設(shè)置2榀貝雷架，分別布置在柱的兩側(cè)，布置時(shí)貝雷架應(yīng)盡可能靠近，同時(shí)預(yù)留柱的施工作業(yè)空間。

待各榀貝雷架擱置完成后，在貝雷架上弦上沿Y向擱置通長(zhǎng)的16#工字鋼作為模板支撐架立桿的站腳，工字鋼間距同立桿間距。根據(jù)上述布置原則，貝雷架平臺(tái)的布置如圖3所示，與屋面結(jié)構(gòu)的相對(duì)關(guān)系如圖4所示[1-2]。

圖3 貝雷架轉(zhuǎn)換平臺(tái)平面布置示意

圖4 貝雷架平臺(tái)與屋面結(jié)構(gòu)相對(duì)關(guān)系

2.2.3 貝雷架平臺(tái)的設(shè)計(jì)計(jì)算

1）單榀貝雷架的驗(yàn)算。貝雷架單元所承受的荷載包括：梁板混凝土結(jié)構(gòu)自重、模板體系面板及小梁自重、模板支撐架體自重、16#工字鋼自重、施工荷載。根據(jù)貝雷架平臺(tái)的布置，自北向南第2榀貝雷架所承擔(dān)荷載最大，將上述荷載折算到該榀貝雷架上，每片貝雷梁所承受的線荷載為21.73 kN/m。根據(jù)貝雷架材料、尺寸參數(shù)，采用Midas Gen建立單榀貝雷架有限元模型，其中相鄰貝雷片連接按銷接考慮，支撐架與貝雷片按彈性連接設(shè)置，貝雷架擱置點(diǎn)位置約束Z向位移[3]。將線荷載作用在該榀貝雷架上。根據(jù)有限元軟件計(jì)算分析，21 m跨度的貝雷架在平臺(tái)自重及所受荷載作用下，跨中撓度為36.98 mm＜L/250＝19 000/400＝47.5 mm，貝雷架內(nèi)各構(gòu)件最大應(yīng)力為284.20 MPa＜310 MPa，桿件應(yīng)力云圖見圖5，同時(shí)根據(jù)軟件計(jì)算，擱置端單個(gè)擱置點(diǎn)的最大反力為236.6 kN。

圖5 單榀貝雷架應(yīng)力云圖

根據(jù)Midas Gen計(jì)算，貝雷架各桿件應(yīng)力比最大為0.88。根據(jù)模型比較分析，應(yīng)力較大的桿件集中在貝雷架擱置點(diǎn)附近的斜腹桿上，造成該部分桿件應(yīng)力比偏大的主要原因是擱置點(diǎn)約束了Z向位移，從而造成應(yīng)力偏大，其他桿件應(yīng)力比均不超過(guò)0.7。

2）鋼牛腿驗(yàn)算。根據(jù)有限元軟件分析，貝雷架單元的單個(gè)擱置點(diǎn)的反力為236.6 kN，即作用在單個(gè)鋼牛腿的集中力為23.66 t，需對(duì)鋼牛腿的強(qiáng)度、連接焊縫以及埋件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。所選用的鋼牛腿采用“π”形截面，其中上翼緣厚20 mm，加勁板高度450 mm，材料等級(jí)Q235-B，牛腿翼緣和埋件的連接采用對(duì)接焊縫（坡口焊）連接，腹板和埋件的連接采用角焊縫連接，焊縫等級(jí)均為一級(jí)，見圖6。埋件埋板尺寸25 mm×440 mm×720 mm，材料等級(jí)Q235-B，錨筋采用5排3列HRB400直徑22 mm鋼筋。根據(jù)牛腿所受荷載，牛腿腹板組合應(yīng)力、腹板焊縫在控制點(diǎn)處的強(qiáng)度、埋件錨筋面積均滿足要求。

圖6 鋼牛腿示意

根據(jù)上述貝雷架平臺(tái)布置、貝雷架單元及牛腿復(fù)核，該轉(zhuǎn)換平臺(tái)滿足要求，方案可行。

3 支承懸挑結(jié)構(gòu)的復(fù)核

根據(jù)貝雷架轉(zhuǎn)換平臺(tái)的布置，最南側(cè)2榀貝雷架單元采用鋼牛腿支座形式，擱置在厚800 mm剪力墻上，其他貝雷架單元均擱置在⑩軸3層結(jié)構(gòu)800 mm×1 500 mm框架梁上，且該梁屬于支撐懸挑桁架的一部分。

當(dāng)貝雷架擱置在3層結(jié)構(gòu)梁時(shí)，整個(gè)4#筒體屬于懸臂桁架結(jié)構(gòu)形式，需對(duì)該工況下4#筒體的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，避免因貝雷平臺(tái)荷載作用在懸臂桁架架構(gòu)上，從而造成結(jié)構(gòu)破壞。

當(dāng)結(jié)構(gòu)施工至3層樓面，無(wú)貝雷單元荷載作用時(shí)，懸臂桁架結(jié)構(gòu)因自重作用，端部下?lián)?.84 mm，結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼骨最大應(yīng)力為40.96 MPa。

將貝雷架平臺(tái)所受支座反力作用在懸臂桁架上，在該工況下對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)核。

根據(jù)計(jì)算分析，貝雷架平臺(tái)荷載作用下，結(jié)構(gòu)端部下?lián)?5.9 mm，如圖7所示，小于設(shè)計(jì)所要求的端部起拱50 mm的要求。結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼骨最大應(yīng)力為61.96 MPa，如圖8所示，鋼骨應(yīng)力滿足材料性能要求。

圖7 4#筒體在荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形

圖8 4#筒體在荷載作用下的鋼骨應(yīng)力云圖

對(duì)⑩軸3層勁性梁裂縫進(jìn)行驗(yàn)算，該勁性梁型鋼為H1 100 mm×250 mm×25 mm×45 mm，在貝雷架平臺(tái)荷載作用下，該勁性梁正截面受彎承載力、斜截面受剪承載力滿足要求，最大裂縫寬度0.053 mm，滿足要求。

通過(guò)上述對(duì)3層結(jié)構(gòu)完成，貝雷架轉(zhuǎn)換平臺(tái)荷載作用工況下的支撐懸挑桁架結(jié)構(gòu)復(fù)核，表明在屋面混凝土澆筑過(guò)程中，裂縫、變形等均未超過(guò)設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)安全可靠。

綜上，該基于支撐懸挑桁架結(jié)構(gòu)的免高支模平臺(tái)在設(shè)計(jì)、施工上可行。

4 平臺(tái)的加載過(guò)程模擬與實(shí)測(cè)分析

貝雷架平臺(tái)作為市政工程常用構(gòu)件，嫁接房建工程中較為少見，缺少相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)。市政工程貝雷架平臺(tái)所受荷載通過(guò)均布的擱置梁進(jìn)行傳遞，荷載相對(duì)均勻，與房建工程中荷載作用值相對(duì)離散有所不同。因此在實(shí)施過(guò)程中，采用Midas Gen有限元軟件模擬轉(zhuǎn)換平臺(tái)加載過(guò)程，反映平臺(tái)變形、應(yīng)力變化的理論值，與實(shí)際所測(cè)得的數(shù)值進(jìn)行比較，積累相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)[4-11]。

結(jié)合4#筒貝雷架平臺(tái)的平面布置，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施時(shí)，在最南側(cè)一榀貝雷架設(shè)置了2個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)、3個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別位于貝雷架單元跨中1/4處、跨中1/2處，位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)均布置在下弦位置。應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在牛腿擱置點(diǎn)處斜腹桿、貝雷架單元跨中上弦及下弦位置。

同時(shí)，平臺(tái)的加載分為以下工況：平臺(tái)搭設(shè)完成，工字鋼擱置完成；模板支撐排架搭設(shè)完成，現(xiàn)澆面鋪設(shè)完成；屋面梁板鋼筋綁扎完成；屋面梁板混凝土澆筑完成。根據(jù)上述加載工況，得到模擬分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果如圖9所示。

圖9 加載過(guò)程貝雷架變形值對(duì)比

根據(jù)模擬值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)在模板排架搭設(shè)完成時(shí)（工況2），與Midas模擬值相比，貝雷架單元整體下沉約30 mm，通過(guò)觀察分析，造成平臺(tái)整體下沉的原因?yàn)闃敲?、邊梁平整度存在?wèn)題，導(dǎo)致部分貝雷架下弦未完全與擱置樓面接觸，存在脫空現(xiàn)象，在模板支撐架自重作用下，架體與擱置面的縫隙被壓實(shí)，從而使架體整體下沉。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)安排作業(yè)人員，將貝雷架平臺(tái)與擱置面之間的間隙采用鋼板填塞密實(shí)。另外，施工各階段，實(shí)測(cè)的桿件應(yīng)力值普遍比模擬值小12%～15%。

通過(guò)模擬值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比，從屋面鋼筋綁扎至混凝土澆筑完成，平臺(tái)的變形均未超過(guò)模擬值，表明平臺(tái)安全可靠。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)已有施工方法的分析，提出鋼牛腿＋貝雷架轉(zhuǎn)換平臺(tái)的形式，降低搭設(shè)高度，成功完成支承懸挑桁架的屋面結(jié)構(gòu)的施工，并得出如下結(jié)論。

1）目前，貝雷架相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)主要為交通行業(yè)制定的JT/T 728—2008《裝配式公路鋼橋制造》、《裝配式公路鋼橋使用手冊(cè)》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，上述規(guī)范中選擇的貝雷架跨度、組合形式主要通過(guò)桁架所受彎矩、剪力所確定。由于該部分規(guī)范主要針對(duì)鋼橋所編制，其荷載考慮到車輛啟動(dòng)、剎車時(shí)的荷載動(dòng)力系數(shù)，因而缺少對(duì)民用建筑荷載布置的針對(duì)性。

2）本工程借助目前較為先進(jìn)的有限元分析軟件，將貝雷架所受具體荷載折算成線荷載進(jìn)行分析，計(jì)算分析更為精確，從而將市政常用的貝雷架高效、經(jīng)濟(jì)地嫁接到房建工程中來(lái)。