大跨度鋼架連廊提升支架的設(shè)計(jì)分析

彭 平，沙峰峰，焦國(guó)民,，朱偉明，魯昌伍

（1.江蘇省建筑工程集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215000；2.江蘇省建筑工程集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210000；3.蘇州環(huán)秀湖旅游發(fā)展有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

近些年來，隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，建筑形狀和構(gòu)造多樣化發(fā)展，大量空中連廊在各類型建筑中相繼出現(xiàn)，為了保證高空大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程結(jié)構(gòu)更加可靠安全，采用合理的提升支架對(duì)大跨度鋼架連廊提升安裝技術(shù)至關(guān)重要。傳統(tǒng)空中連廊結(jié)構(gòu)形式采用鋼結(jié)構(gòu)，自重大且提升高度高，傳統(tǒng)施工方法采用分件高空散裝焊接成型，增加施工難度，增大風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)［1，2］。如何降低高空安裝的施工難度，降低施工風(fēng)險(xiǎn)是亟需解決的課題。與傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)相比，現(xiàn)有提升支架設(shè)計(jì)更加合理，能夠有效大大提高大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工作業(yè)的安全性［3-5］。因此，本文在結(jié)合以往工程施工案例后合理設(shè)計(jì)了大跨度鋼架連廊的提升支架，并運(yùn)用于實(shí)際工程。

1 工程概況

蘇州陽澄湖景區(qū)配套酒店項(xiàng)目位于蘇州市相城區(qū)相融路西側(cè)，背靠環(huán)秀湖，地理位置優(yōu)越。其中，大跨度鋼架連廊：寬度為 22 m，跨度 81 m；其底部標(biāo)高+79.7 m，頂部標(biāo)高+94.75 m；桁架結(jié)構(gòu)由 4 榀主桁架及次連系結(jié)構(gòu)組成，自身高度 16.05 m。提升重量 2 600 t，如圖1所示。由于鋼架連廊跨度較大、荷載重、距地面高等特點(diǎn)，施工存在一定難度。提升大跨度鋼架連廊需設(shè)計(jì)一種提升支架，該提升支架需依附或借助于已有結(jié)構(gòu)［6-8］。同時(shí)，提升支架的架設(shè)與使用不能對(duì)大跨度鋼架連廊兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)造成損害。

圖1 大跨度鋼架連廊三維圖

2 提升支架設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1）大跨度鋼架連廊的主體安裝區(qū)域的中心到結(jié)構(gòu)的邊緣距離遠(yuǎn)，高度較高，限制了安裝的吊裝工藝，故需設(shè)計(jì)提升支架對(duì)其進(jìn)行提升安裝。

2）減少風(fēng)荷載對(duì)節(jié)約材料、結(jié)構(gòu)體系的受力有重要意義，應(yīng)盡量簡(jiǎn)化構(gòu)造，減少迎風(fēng)面積。風(fēng)荷載與結(jié)構(gòu)高度、橫截面尺寸、構(gòu)件形式等有關(guān)，因此合理確定結(jié)構(gòu)的立面形式及幾何尺寸，正確選用構(gòu)件的截面是提升支架設(shè)計(jì)的重要步驟。

3）選取結(jié)構(gòu)形式時(shí)，宜對(duì)各種結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全、方便現(xiàn)場(chǎng)施工等方面的比較，以求進(jìn)一步節(jié)約材料、降低造價(jià)、提高安全度、加快施工進(jìn)度。為了降低結(jié)構(gòu)的施工費(fèi)用，應(yīng)采取構(gòu)造簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，并使結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一化。

3 大跨度鋼架連廊提升支架的設(shè)計(jì)分析

3.1 提升支架的設(shè)計(jì)

提升上吊點(diǎn)為液壓提升器操作平臺(tái)，必須能夠承受一定的載荷。根據(jù)對(duì)桁架結(jié)構(gòu)特性、各吊點(diǎn)提升反力值進(jìn)行分析，提升上吊點(diǎn)設(shè)置在提升梁上，提升梁位于提升支架上方，提升支架安裝于混凝土柱柱頂。提升上吊點(diǎn)在保證安全承載的前提下應(yīng)盡可能地避免與原結(jié)構(gòu)桿件干涉。大跨度鋼架連廊提升支架的三維圖如圖 2 所示。

圖2 提升支架三維圖

3.2 提升支架的計(jì)算分析

1）提升支架驗(yàn)算。

強(qiáng)度及穩(wěn)定驗(yàn)算荷載組合如式（1）～（3）所示、支座反力及變形驗(yàn)算荷載組合如式（4）、式（5）所示。

式中：DEAD 為自重；LIVE 為提升反力；ω為水平風(fēng)荷載；LM 為摩擦力。

2）風(fēng)荷載計(jì)算。

按 GB 51162-2016《重型結(jié)構(gòu)和設(shè)備整體提升技術(shù)規(guī)范》［9］4.3.1 條，作用于支承結(jié)構(gòu)或提升結(jié)構(gòu)表面單位面積上的水平風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按式（6）計(jì)算。

本工程水平風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為ωk=βμsμzω0=1.3×2.4×0.883×0.268=0.738，連廊結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載約為 858 kN。連廊結(jié)構(gòu)滑移時(shí)由靜摩擦（摩擦系數(shù) 0.2）轉(zhuǎn)換為動(dòng)摩擦（摩擦系數(shù) 0.15）時(shí)，沿滑移方向會(huì)產(chǎn)生沖擊荷載，荷載大小為動(dòng)、靜摩擦力差值，即結(jié)構(gòu)自重的 5 %（1 390 kN）。

3.3 提升支架的有限元分析

大跨度鋼架連廊提升支架采用結(jié)構(gòu)分析軟件 SAP2000 進(jìn)行計(jì)算。其中，采用 BEAM44 單元模擬連廊結(jié)構(gòu)各桿件，材料彈性模量取 2.06×105MPa，密度取 7 850 kg/m3，泊松比取 0.3。

結(jié)合相關(guān)提升支架和實(shí)際施工情況，大跨度鋼架連廊提升支架的靜力強(qiáng)度分析計(jì)算應(yīng)考慮恒荷載、活荷載及風(fēng)荷載，控制工況主要考慮結(jié)構(gòu)位移及材料應(yīng)力的控制。結(jié)構(gòu)位移限值為立柱取值f＜L/400 mm；主梁取值f＜L/400 mm；材料應(yīng)力控制為鋼材的最不利應(yīng)力比不大于 1。

大跨度鋼架連廊的整個(gè)施工過程主要分為以下幾種工況，并對(duì)不同工況下的提升支架進(jìn)行相應(yīng)的有限元分析，結(jié)果如表 1 所示。

表1 最大位移與最不利應(yīng)力比

由表 1 計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)可知：在整個(gè)施工過程的不同工況下，提升支架整體結(jié)構(gòu)的最大位移遠(yuǎn)低于位移設(shè)計(jì)限值，最大應(yīng)力比也均低于設(shè)計(jì)規(guī)范所要求。其中，提升支架整體結(jié)構(gòu)最大變形為 17.4 mm，小于L/400=9 000/400=22.25 mm；最不利應(yīng)力比最大值為 0.806，提升支架整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足要求；通過計(jì)算分析結(jié)果表明提升支架的設(shè)計(jì)可以保證大跨度鋼架連廊在提升階段的施工安全。

4 結(jié)論

1）本文結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行了大跨度鋼架連廊提升支架的設(shè)計(jì)分析，并且通過有限元軟件 SAP 2000 建立了合適的提升支架三維模型，研究分析了提升支架在不同工況下其整體受力性能，計(jì)算得到的最大應(yīng)力比均滿足 GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［11］要求；同時(shí)，提升結(jié)構(gòu)的最大位移也均滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。結(jié)果表明提升支架的設(shè)計(jì)是合理的，可以保證大跨度鋼架連廊在提升階段安全施工。

2）大跨度鋼架連廊在地面整體拼裝作業(yè)，施工效率較高，質(zhì)量易于保證。通過提升支架的設(shè)計(jì)，可以滿足大跨度鋼架連廊在提升階段安全施工，同時(shí)能夠有效保證大跨度鋼架連廊安裝工程的工期，為今后同類型工程的鋼結(jié)構(gòu)整體提升支架的設(shè)計(jì)提供了參考。Q