某鋼網(wǎng)架施工平臺(tái)的施工過程分析

金偉峰 武詣霖

上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

隨著鋼結(jié)構(gòu)的大力推廣和鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的不斷成熟，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍日益廣泛，鋼結(jié)構(gòu)的數(shù)量也增長迅速。在眾多的結(jié)構(gòu)形式中，鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)以其眾多優(yōu)點(diǎn)廣受推崇。比如，其結(jié)構(gòu)組成形式靈活多樣但又具有高度的規(guī)律性；節(jié)點(diǎn)連接簡(jiǎn)便可靠；加工制作簡(jiǎn)單、機(jī)械化程度高；用料經(jīng)濟(jì)、能用較少的材料跨越較大的跨度；分析計(jì)算手段成熟可靠；適應(yīng)建筑工業(yè)化、商品化的要求等[1]。

我國自1964年建成了第一個(gè)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)——上海師范學(xué)院球類房屋蓋以來，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)以其眾多優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為了我國大跨度建筑中應(yīng)用最為廣泛的一類空間結(jié)構(gòu)[2]。在體育場(chǎng)館、影院劇院、候車廳、飛機(jī)庫房、工業(yè)車間廠房、各類倉庫等建筑中，均能看到網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的成熟應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近幾年我國每年建成約1 800個(gè)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，覆蓋面積達(dá)300萬 m2，耗鋼量15萬 t[3]。

長期以來，工程界往往注重新建鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與設(shè)計(jì)方法的研究，忽略了鋼結(jié)構(gòu)在施工過程中的結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)化和受力性態(tài)變化規(guī)律的研究[4]。但是現(xiàn)實(shí)中出現(xiàn)了一系列鋼結(jié)構(gòu)（如工業(yè)建筑、高壓輸電塔、大型水庫閘門、海上采油設(shè)施等）野蠻施工導(dǎo)致的安全事故表明，應(yīng)該將注意力集中到鋼結(jié)構(gòu)的施工力學(xué)上來。

目前，結(jié)構(gòu)施工力學(xué)的研究尚且滯后于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與設(shè)計(jì)方法的研究，如何準(zhǔn)確地分析鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在施工過程中邊界條件、荷載條件、傳力路徑和受力性態(tài)的變化，定量評(píng)價(jià)鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全性，已成為當(dāng)前研究鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的重要內(nèi)容。

1 工程背景

某屋蓋工程擬安裝1副支承于11棟混凝土塔樓頂部的鋼——鋁合金組合結(jié)構(gòu)單層自由曲面網(wǎng)殼。塔樓之間的最大間距為130 m，為了給混凝土塔樓直接的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)提供施工界面，擬在塔樓之間搭設(shè)若干鋼結(jié)構(gòu)雙層平面網(wǎng)架臨時(shí)施工平臺(tái)。

本文擬對(duì)其中一個(gè)關(guān)鍵位置的鋼結(jié)構(gòu)雙層平面網(wǎng)架臨時(shí)施工平臺(tái)進(jìn)行施工過程分析，定量分析該網(wǎng)架平臺(tái)在施工過程中的安全性。

該平臺(tái)為雙層平面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，全部采用Q345B鋼材加工而成。網(wǎng)架高度3 m，最大跨度130 m，支承于16個(gè)塔樓外伸的鋼支架及6個(gè)格構(gòu)式臨時(shí)支撐塔架上（圖1）。

圖1 平臺(tái)提升吊點(diǎn)

該網(wǎng)架平臺(tái)于地面胎架拼裝，隨后整體提升至80 m高空，并完成鋼絞線與永久支座的傳力路徑置換，隨后逐級(jí)加載至最大使用荷載。

提升總質(zhì)量約740 t，采用“鋼絞線承重，液壓千斤頂集群作業(yè)，計(jì)算機(jī)同步控制”的提升安裝工藝。在77.0 m標(biāo)高處設(shè)置提升支架，布置穿心式液壓千斤頂及液壓泵站作為提升設(shè)備，吊點(diǎn)共計(jì)20個(gè)。

2 提升階段鋼平臺(tái)受力分析

2.1 分析模型

建立兩側(cè)塔樓的結(jié)構(gòu)模型（圖2），按實(shí)際情況建立依附于2棟塔樓的提升鋼架，與鋼網(wǎng)架平臺(tái)在提升點(diǎn)處建立桁架單元連接。隨后建立6組格構(gòu)式臨時(shí)支撐塔架模型，并在塔架與鋼網(wǎng)架平臺(tái)間建立桁架單元連接，模擬實(shí)際工況。

圖2 整體計(jì)算模型

2.2 荷載條件

根據(jù)鋼網(wǎng)架平臺(tái)結(jié)構(gòu)的自身特點(diǎn)，以及塔樓、格構(gòu)支撐提供的邊界條件，在施工過程分析中需要考慮結(jié)構(gòu)自重荷載，以及高空的風(fēng)荷載。

1）恒載DL：考慮鋼網(wǎng)架平臺(tái)及其上格構(gòu)柱、格構(gòu)梁的自重，由軟件自動(dòng)計(jì)算，并取1.2倍放大系數(shù)以考慮節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、加勁板等部件的自重影響。

2）風(fēng)荷載W：根據(jù)10年取基本風(fēng)壓w0＝0.40 kN/m2（風(fēng)速25 m/s）。最大提升高度為77 m，格構(gòu)柱最高點(diǎn)高度為100 m，根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，按C類地面粗糙度，100 m高度處的風(fēng)壓高度系數(shù)取1.50。

格構(gòu)柱的擋風(fēng)系數(shù)均約為0.20，根據(jù)規(guī)范，其整體體型系數(shù)為0.54。格構(gòu)柱自重較輕，周期較短，且考慮到分項(xiàng)系數(shù)為1.4的情況，本文取風(fēng)振系數(shù)為1.0，則在100 m高度處的風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值為0.324 kN/m2。風(fēng)荷載按y方向施加，則格構(gòu)柱上的整體線荷載標(biāo)準(zhǔn)值為0.687 kN/m。施工過程分析考慮1.2DL±1.4W、1.0DL±1.4W的荷載基本組合，以及1.0DL的荷載標(biāo)準(zhǔn)組合。

2.3 分析結(jié)果

在恒荷載工況下，鋼網(wǎng)架平臺(tái)結(jié)構(gòu)的提升反力如圖3所示。由于鋼網(wǎng)架平臺(tái)上荷載分布并不均勻，因此，其提升反力并非完全對(duì)稱。最大單點(diǎn)提升反力為713 kN，出現(xiàn)在平臺(tái)東南角格構(gòu)式提升支架處。

圖3 自重荷載下提升點(diǎn)反力分布

在全部驗(yàn)算荷載組合下，鋼網(wǎng)架平臺(tái)結(jié)構(gòu)響應(yīng)如下：

格構(gòu)柱在基本組合作用下，產(chǎn)生的最大應(yīng)力為118 MPa，格構(gòu)柱單肢穩(wěn)定系數(shù)為0.720，可見格構(gòu)柱可滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定承載力要求。塔樓提升塔架結(jié)構(gòu)在全部荷載驗(yàn)算組合下，最大應(yīng)力為96 MPa，可滿足強(qiáng)度要求。

鋼網(wǎng)架平臺(tái)在恒載作用下產(chǎn)生的最大應(yīng)力為115 MPa，可滿足強(qiáng)度要求；但是在恒荷載與風(fēng)荷載的組合作用下，鋼網(wǎng)架平臺(tái)產(chǎn)生的最大應(yīng)力為515 MPa，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度無法滿足要求。

2.4 基于分析結(jié)果的鋼平臺(tái)加固與優(yōu)化

1）將與格構(gòu)柱底腳相連的所有H M 1 9 4 m m×150 mm×6 mm×9 mm截面梁均放大為HM294 mm×200 mm×8 mm×12 mm截面梁。

2）對(duì)右側(cè)中部提升點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)，各增加1 根HM294 mm×200 mm×8 mm×12 mm截面梁，梁兩端鉸接處理，具體增設(shè)形式和相應(yīng)分析結(jié)果如圖4、圖5所示，經(jīng)加固后的鋼網(wǎng)架平臺(tái)可保證風(fēng)載作用下的強(qiáng)度要求。此外，在x向風(fēng)載作用下，每個(gè)格構(gòu)式塔架提升點(diǎn)將承受約20 kN的x向水平力；在y向風(fēng)載作用下，每個(gè)格構(gòu)式塔架提升點(diǎn)將承受約40 kN的y向水平力。

圖4 鋼網(wǎng)架平臺(tái)角點(diǎn)加固示意

圖5 加固后鋼網(wǎng)架平臺(tái)應(yīng)力分布

3 格構(gòu)式塔架施工過程分析

3.1 荷載條件

格構(gòu)式塔架在提升階段，承受P1平臺(tái)和上部格構(gòu)柱的自重，其自身自重以及風(fēng)荷載。

1）恒載DL：格構(gòu)式塔架結(jié)構(gòu)自重，軟件自動(dòng)計(jì)算。

2）活載LL：由提升點(diǎn)傳遞而來的荷載，根據(jù)前文的分析結(jié)果，取承受荷載在最大的提升荷載進(jìn)行分析，且考慮風(fēng)載帶來的附加荷載不平衡情況，對(duì)塔架頂部2個(gè)提升點(diǎn)分別施加540、900 kN的豎向提升荷載。

3）風(fēng)載Wx和Wy。x向風(fēng)載，對(duì)格構(gòu)式塔架而言其受風(fēng)面的擋風(fēng)系數(shù)φ＝0.345，根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，對(duì)應(yīng)體型系數(shù)為μs＝2.1×0.6＝1.26，考慮到x向受兩側(cè)既有建筑的遮擋，風(fēng)載予以考慮0.5的折減系數(shù)。y向風(fēng)載，對(duì)格構(gòu)式塔架而言其受風(fēng)面的擋風(fēng)系數(shù)為0.446，根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，對(duì)應(yīng)體型系數(shù)為1.17。

此外，考慮鋼網(wǎng)架平臺(tái)傳遞而來的風(fēng)載，在每個(gè)提升點(diǎn)處施加20 kN的x向水平力和40 kN的y向水平力。

3.2 塔架分析結(jié)果

在各荷載組合下，對(duì)格構(gòu)式塔架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行分析。由分析結(jié)果得知，格構(gòu)式塔架結(jié)構(gòu)在組合作用下產(chǎn)生的最大應(yīng)力為155 MPa，底腳的最大豎向壓力為2 840 kN，最大豎向拉力為1 570 kN；活載和y向風(fēng)載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，四方架頂部產(chǎn)生的水平位移約230 mm；x向風(fēng)載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，四方架頂部產(chǎn)生的水平位移約300 mm。

活載總豎向力約1 440 kN，格構(gòu)式塔架結(jié)構(gòu)總自重約1 322 kN，出于安全考慮，頂部作用的總豎向力為1 440＋1 322/2＝2 101 kN。由于該位移產(chǎn)生的最大重力二階效應(yīng)，格構(gòu)式塔架底腳將產(chǎn)生的附加彎矩為630 kN·m，該附加彎矩將對(duì)底腳產(chǎn)生的附加軸壓力為98 kN。

可見該附加軸力不到最大軸壓力的5%，二階效應(yīng)影響很小，前述分析結(jié)果安全可靠。綜上所述，格構(gòu)式塔架結(jié)構(gòu)在施工過程中安全可靠。

4 工程實(shí)施情況

首先根據(jù)上文計(jì)算得出各提升點(diǎn)的荷載，對(duì)應(yīng)配置提升設(shè)備以及鋼絞線。完成前期平臺(tái)及相關(guān)措施的安裝工作后，進(jìn)行提升設(shè)備的安裝與調(diào)試。提升主要采用了16個(gè)100 t穿心式液壓千斤頂，4個(gè)200 t穿心式液壓千斤頂，總計(jì)20個(gè)提升點(diǎn)。液壓千斤頂安裝前先根據(jù)提升支架及擱置箱梁預(yù)留槽口的圓心投影至鋼平臺(tái)桁架上，保證投影點(diǎn)與預(yù)設(shè)提升點(diǎn)誤差在2 cm以內(nèi)，根據(jù)投影點(diǎn)進(jìn)行下吊具的安裝，達(dá)到液壓千斤頂上下同心的效果。

根據(jù)各提升點(diǎn)荷載的大小對(duì)每個(gè)千斤頂配置對(duì)應(yīng)數(shù)目的鋼絞線，左、右旋各一半，在地面上將鋼絞線穿入千斤頂并夾緊上下錨具，通過兩側(cè)塔吊進(jìn)行千斤頂?shù)牡跹b，安裝就位后設(shè)置壓板固定，然后根據(jù)編號(hào)將泵站及分控箱吊裝到位，拉通通信線以及電源。

提升設(shè)備安裝完成后對(duì)各站點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)及聯(lián)動(dòng)調(diào)試，確保設(shè)備及控制系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，整體連續(xù)提升過程如下：

1）預(yù)提懸停。準(zhǔn)備工作就緒之后，斷開平臺(tái)與拼裝胎架的連接，平臺(tái)預(yù)提騰空約10 cm，并懸停靜置12 h以上。待結(jié)構(gòu)因自重產(chǎn)生的變形穩(wěn)定后，觀察平臺(tái)結(jié)構(gòu)、千斤頂放置點(diǎn)的措施結(jié)構(gòu)、土建原結(jié)構(gòu)等變形情況，并測(cè)量復(fù)核新增提升支撐塔架的垂直度變化。

2）平臺(tái)整體連續(xù)提升。懸停12 h后，平臺(tái)進(jìn)行整體測(cè)量與初始狀態(tài)比較，平臺(tái)調(diào)整姿態(tài)后正式開始提升。平臺(tái)整體提升是采用計(jì)算機(jī)控制各站點(diǎn)泵站，通過穿心式液壓千斤頂集群實(shí)現(xiàn)鋼平臺(tái)全自動(dòng)同步提升。提升過程需要在外部使用測(cè)量儀器觀測(cè)平臺(tái)高度和高差，實(shí)時(shí)調(diào)整平臺(tái)狀態(tài)。鋼平臺(tái)在提升過程中的整體高差應(yīng)控制在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，以保證各提升點(diǎn)的同步性滿足要求。各提升點(diǎn)的提升荷載或高差出現(xiàn)異變或被提升結(jié)構(gòu)的變形超出相應(yīng)值時(shí)，應(yīng)立即停止提升。

3）落架終固。連續(xù)提升至就位位置附近時(shí)，將計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制調(diào)為人工手動(dòng)控制，連接轉(zhuǎn)換階段需超提3 cm預(yù)留施工作業(yè)面，然后關(guān)閉油缸保持結(jié)構(gòu)，進(jìn)行反力架銷軸的安裝和塔架牛腿的焊接，最后通過下降行程將鋼絞線上的荷載全部轉(zhuǎn)移至塔樓反力架和新增塔架2個(gè)承重結(jié)構(gòu)上，測(cè)量平臺(tái)平整度，檢查全數(shù)擱置點(diǎn)并墊平抄實(shí)，落架完成。

5 結(jié)語

本文針對(duì)某鋼結(jié)構(gòu)雙層平面網(wǎng)架臨時(shí)施工平臺(tái)及格構(gòu)式臨時(shí)支撐塔架進(jìn)行施工過程分析，定量分析了網(wǎng)架平臺(tái)與塔架在施工過程中的受力性態(tài)，并根據(jù)施工過程分析結(jié)果，對(duì)鋼網(wǎng)架平臺(tái)進(jìn)行了加固補(bǔ)強(qiáng)。對(duì)于整體提升施工的結(jié)構(gòu)，其提升過程中的邊界約束遠(yuǎn)沒有使用階段穩(wěn)固，在極端風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)應(yīng)力有可能與本文中情況一樣，超過結(jié)構(gòu)在使用階段的最大應(yīng)力。因此，針對(duì)整體提升施工的結(jié)構(gòu)進(jìn)行考慮風(fēng)荷載的施工過程分析是十分必要的，本文所述的施工分析方法對(duì)類似工程具有良好的適用性。