大空間地下室頂板局部承載安全性分析與施工監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

建筑物地下室頂板在施工過程中的不合理加載容易導(dǎo)致其整體或局部坍塌，造成重大安全事故及財(cái)產(chǎn)損失。對(duì)某商業(yè)建筑裙房大跨度鋼梁吊裝施工過程及過車荷載作用下大空間地下室頂板的局部承載安全性進(jìn)行分析；采用SAP2000軟件針對(duì)最不利狀況進(jìn)行施工模擬，考慮28種施工工況，模擬結(jié)果表明，僅依靠地下室頂板自身結(jié)構(gòu)能夠承擔(dān)過車、吊裝及運(yùn)輸?shù)群奢d作用，不需要額外對(duì)地下室頂板進(jìn)行支撐；介紹了施工過程中地下室頂板結(jié)構(gòu)變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)容，結(jié)合數(shù)值計(jì)算對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。詳細(xì)介紹了所采用施工模擬方法、結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)技術(shù)等，為類似工程提供參考。

地下室結(jié)構(gòu)頂板； 移動(dòng)荷載； 局部承載； 施工模擬

TU312+.1A

［定稿日期］2024-02-26

［作者簡(jiǎn)介］徐廷魁（1992—），男，本科，助理工程師，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、檢測(cè)、鑒定與加固改造。

1 工程背景

目前，國內(nèi)的商業(yè)建筑通常采用塔樓+裙房+大底盤地下室+筏形基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)布置體系。施工過程中，相鄰塔樓間的大底盤地下室頂板經(jīng)常用作建筑材料堆載場(chǎng)地、建筑運(yùn)輸車輛道路等用途。當(dāng)?shù)叵率翼敯迳铣袚?dān)的不均勻荷載超過其設(shè)計(jì)承載力時(shí)，就會(huì)造成局部或整體坍塌等重大安全事故。圖1是某商業(yè)建筑裙房地下室頂板整體坍塌事故。該起事故的發(fā)生與運(yùn)輸施工材料的車輛停放不當(dāng)有關(guān)。目前，國內(nèi)針對(duì)施工模擬分析方法、鋼結(jié)構(gòu)整體吊裝施工方法的研究較多［1-8］，針對(duì)地下室頂板局部承載性能分析及施工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的研究較少。

某商業(yè)綜合體裙房需要進(jìn)行大跨度超重鋼梁的安裝施工（待安裝鋼梁如圖5所示），鋼梁最大重量達(dá)120 t。裙房地下室頂板需要滿足運(yùn)輸車輛過車、局部承載及汽車起重機(jī)吊裝等施工作業(yè)要求。同時(shí)裙房地下室部分區(qū)域?yàn)榇罂臻g，結(jié)構(gòu)跨度達(dá)24 m。本文針對(duì)該工程地下室頂板局部承載安全性能進(jìn)行分析。施工區(qū)域如圖2所示。

2 大空間地下室頂板施工方案

2.1 概述

施工區(qū)域位于兩棟塔樓間的地下室頂板位置，對(duì)應(yīng)的地上建筑共一層，為塔樓裙房。施工區(qū)域平面布置如圖3所示。為了避免過車對(duì)大空間地下室頂板的局部荷載作用的影響。構(gòu)件運(yùn)輸車輛只在左側(cè)通道（該區(qū)域地下室頂板結(jié)構(gòu)為普通跨度及層高）上行駛，不進(jìn)入裙房區(qū)域，但在對(duì)鋼構(gòu)件吊裝時(shí)汽車起重機(jī)需要行駛到裙房大空間地下室頂板上。

2.2 施工方案

根據(jù)施工過程中對(duì)汽車過車、吊裝以及構(gòu)件拼裝、轉(zhuǎn)運(yùn)的要求，考慮以下施工方案。

2.2.1 運(yùn)輸汽車及汽車起重機(jī)過車方案

行駛區(qū)域見圖3，該區(qū)域需驗(yàn)算行駛總重為49 t的運(yùn)輸車輛及自重為46 t汽車起重機(jī)通過時(shí)頂板的承載性能。

2.2.2 汽車起重機(jī)布置方案

對(duì)鋼梁分塊拼接時(shí)，需在地下室頂板范圍進(jìn)行汽車起重機(jī)吊裝作業(yè)。根據(jù)構(gòu)件吊裝情況、現(xiàn)場(chǎng)條件、汽車起重機(jī)的性能，共規(guī)劃5個(gè)汽車起重機(jī)吊裝時(shí)停靠位置。吊車?？课恢迷趫D4中用編號(hào)1～5標(biāo)出。位置的確定以盡量避開大空間地下室所在區(qū)域?yàn)樵瓌t，同時(shí)吊車支腿盡量支撐在框架梁或結(jié)構(gòu)柱上。為保證地下室安全性，只允許一輛吊車施工作業(yè)。每臺(tái)次汽車起重機(jī)自重、配重及鋼構(gòu)件吊重合計(jì)92 t。

2.2.3 二次轉(zhuǎn)運(yùn)及拼裝方案

本工程中，大跨度鋼梁采用整體液壓提升的方式進(jìn)行安裝作業(yè)。由于道路情況的限制，以及汽車起重機(jī)選型等因素，圖5中編號(hào)為3的鋼梁不能通過汽車起重機(jī)一次吊裝到指定區(qū)域，需二次轉(zhuǎn)運(yùn)，即通過水平平移的方式移動(dòng)到位。對(duì)于3號(hào)鋼梁，現(xiàn)場(chǎng)拼裝完成后，整個(gè)鋼梁通過軌道滑移到指定位置。軌道兩端焊接在巨型鋼管混凝土柱上，如圖6所示。3號(hào)鋼梁初始拼裝時(shí)，根據(jù)柱位和梁位擺放拼裝用的胎架采用工字鋼作為拼裝用的支撐胎架，并在軌道上鋪設(shè)滾軸，然后通過機(jī)械牽引平移施工，見圖7。

3 基于SAP2000的施工模擬分析

3.1 簡(jiǎn)化模型的建立

采用SAP2000軟件建模分析?？紤]到施工區(qū)域受臨時(shí)荷載作用，選取過車、吊裝作業(yè)以及轉(zhuǎn)運(yùn)區(qū)域內(nèi)的部分地下室頂板結(jié)構(gòu)建立簡(jiǎn)化有限元模型計(jì)算。如圖8所示，該模型局部三層，大空間頂板對(duì)應(yīng)位置為一層。其中，圖8（a）為施工區(qū)域結(jié)構(gòu)平面布置，圖8（b）為簡(jiǎn)化模型選取的區(qū)域范圍，圖8（c）為簡(jiǎn)化有限元模型示意。

3.2 計(jì)算工況

地下室主要承擔(dān)恒載、活載及施工荷載。計(jì)算時(shí)，恒、活載依據(jù)設(shè)計(jì)文件確定。地下室頂板設(shè)計(jì)考慮覆土荷載10.8 kN/m2，施工時(shí)該荷載為零。針對(duì)各專項(xiàng)施工方案，分為以下計(jì)算工況。

3.2.1 運(yùn)輸汽車及汽車起重機(jī)過車方案

根據(jù)運(yùn)輸及吊裝車輛過車區(qū)域分布，考慮兩種最不利工況，每種工況均考慮同時(shí)作用三臺(tái)車的自重荷載。單臺(tái)車重49 t（活荷載LL），考慮1.4活載分項(xiàng)系數(shù)與1.1倍動(dòng)力系數(shù)。過車工況見圖9，黑實(shí)心圓點(diǎn)為車輪位置。計(jì)算時(shí)，輪壓荷載以集中荷載的形式施加在圖中圓點(diǎn)標(biāo)記點(diǎn)處。

3.2.2 汽車起重機(jī)布置方案

該分析考慮結(jié)構(gòu)自重與1～5位置吊車支腿處的集中荷載，單臺(tái)吊車自重及吊重荷載合計(jì)92 t（活荷載LL），考慮1.4活載分項(xiàng)系數(shù)與1.1倍動(dòng)力系數(shù)。施工時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)只允許一臺(tái)汽車起重機(jī)作業(yè)，5處起重機(jī)?？课恢梅謩e對(duì)應(yīng)5種工況。如圖10所示。圖中圓圈為吊車支腿位置。吊車豎向荷載以集中荷載的形式施加在圖中圓圈標(biāo)記點(diǎn)處。

采用XCT75型汽車起重機(jī)，由于汽車起重機(jī)在起吊過程中4個(gè)支腿的反力是變化的，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施吊距離并經(jīng)過反復(fù)計(jì)算，每個(gè)起重機(jī)位置共考慮4種偏載作用下支腿作用力分布和1種均布荷載作用下支腿作用力，即對(duì)5種子工況進(jìn)行計(jì)算。支腿作用力以點(diǎn)荷載的形式加載至圖11所示位置?？紤]偏載、均載作用后共計(jì)25個(gè)工況，見表1。圖11為起重機(jī)支腿編號(hào)及吊裝現(xiàn)場(chǎng)照片。

3.2.3 二次轉(zhuǎn)運(yùn)及拼裝方案

針對(duì)二次轉(zhuǎn)運(yùn)，軌道梁簡(jiǎn)化受力模型為梁中設(shè)有兩個(gè)鉸接支點(diǎn)的兩端嵌固梁進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)軌道梁截面為□300×400×20×20。為考察軌道梁承載對(duì)地下室頂板的影響，在地下室頂板簡(jiǎn)化有限元模型上建入軌道梁進(jìn)行計(jì)算，為工況3-1。該工況主要考慮3號(hào)鋼梁自重荷載（標(biāo)準(zhǔn)值為96 t，考慮1.4活載分項(xiàng)系數(shù)與1.1倍動(dòng)力系數(shù)）。

3.3 針對(duì)各工況的分析結(jié)果

本節(jié)按照分項(xiàng)施工方案，給出施工工況的分析結(jié)果。

3.3.1 車輛過車方案

在車輛過車工況下，地下室主要承受恒載、活載及過車荷載。為了方便分析車輛過車荷載引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化以及所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)附加變形，圖12、圖13分別給出了僅考慮三臺(tái)車過車荷載作用下（1.4×1.1×LL，LL=49 t）結(jié)構(gòu)的軸力彎矩分布及變形云圖。由圖15可知，在過車荷載作用下，工況1-1最大豎向變形為3 mm，工況1-2最大變形為4.4 mm。圖14給出了地下室頂板在結(jié)構(gòu)自重荷載下豎向變形?？梢钥吹接傻踯囘^車引起的附加變形遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)本身自重引起的豎向變形，表明過車荷載對(duì)結(jié)構(gòu)安全性影響較小。經(jīng)過軟件驗(yàn)算配筋后得出，結(jié)構(gòu)配筋滿足要求。

3.3.2 汽車起重機(jī)布置方案

方案中所涉及工況較多，為簡(jiǎn)化篇幅，給出最不利偏載支腿作用力下和均載支腿作用力下的結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果。各吊車位置最不利工況分別為工況2-1-5、2-2-5、2-3-2、2-4-5、2-5-4。經(jīng)驗(yàn)算，各工況下結(jié)構(gòu)沖切、抗剪承載力滿足要求。為了方便分析吊裝荷載引起結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化以及所產(chǎn)生的附加變形，圖15、圖16分別給出了僅考慮吊車荷載作用下（1.4×1.1×LL，LL=92 t）結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖及變形云圖。

在考慮20種汽車起重機(jī)荷載分布后，由吊裝荷載引起的變形最大值為-7.15 mm。各位置汽車起重機(jī)荷載作用下結(jié)構(gòu)最大變形與起重機(jī)位置編號(hào)的關(guān)系見圖17。

3.3.3 二次轉(zhuǎn)運(yùn)方案

軌道梁簡(jiǎn)化為跨中設(shè)有2個(gè)鉸接支點(diǎn)的兩端嵌固梁進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)得出梁截面為□300×400×20×20。然后將梁建入地下室頂板簡(jiǎn)化有限元模型中，考慮平移施工對(duì)地下室頂板的影響，見圖18?？紤]鋼梁自重荷載（1.4×1.1×LL，LL=96 t）作用在軌道梁跨中時(shí)，板變形與應(yīng)力分布見圖19。

3.4 小結(jié)

通過對(duì)各施工工況的模擬分析，由施工荷載引起的結(jié)構(gòu)變形最大值為7.15 mm，地下室頂板結(jié)構(gòu)配筋經(jīng)驗(yàn)算滿足要求。通過施工模擬表明僅依靠地下室頂板自身結(jié)構(gòu)能夠承擔(dān)過車、吊裝及運(yùn)輸?shù)群奢d作用，不需要額外對(duì)地下室頂板進(jìn)行支撐。實(shí)際上在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了10.8 kN/m2的附加恒載，而在頂板及一層裙房施工時(shí)該荷載尚未施加，有一定承載力余量，在施工荷載作用下結(jié)構(gòu)能夠滿足安全性要求。

4 基于全自動(dòng)測(cè)量全站儀的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)

4.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹及測(cè)點(diǎn)布置

施工過程監(jiān)測(cè)具有監(jiān)測(cè)周期短、監(jiān)測(cè)環(huán)境差等特點(diǎn)。由于施工場(chǎng)地及現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，監(jiān)測(cè)設(shè)備最好能夠集成自供電、無線傳輸、自動(dòng)存儲(chǔ)、自動(dòng)采集等功能。在對(duì)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，通常有靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)、GPS定位監(jiān)測(cè)、全自動(dòng)測(cè)量全站儀監(jiān)測(cè)等手段。其中，靜力水準(zhǔn)儀及GPS定位主要適用于既有建筑正常使用過程的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，需要對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行安裝并考慮保護(hù)措施。全自動(dòng)測(cè)量全站儀具有便攜性、高效性等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)操作簡(jiǎn)單，當(dāng)監(jiān)測(cè)人員在場(chǎng)時(shí)不需要額外針對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，適合短時(shí)間施工過程監(jiān)測(cè)。本工程在過車及吊裝施工過程中采用SOK KIA NET05全自動(dòng)測(cè)量全站儀系統(tǒng)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。該設(shè)備自動(dòng)照準(zhǔn)距離為1 000 m；可分辨棱鏡最小夾角為 3′。該設(shè)備放置在地下室一層，監(jiān)測(cè)地下室頂板結(jié)構(gòu)變形，測(cè)點(diǎn)布置如圖20所示。

4.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

對(duì)過車及吊裝施工過程中結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。圖21為8月某天過車施工時(shí)測(cè)點(diǎn)1～6的實(shí)測(cè)變形值與監(jiān)測(cè)時(shí)刻關(guān)系曲線。其中橫坐標(biāo)軸為監(jiān)測(cè)當(dāng)天時(shí)刻，縱坐標(biāo)軸為監(jiān)測(cè)豎向變形，負(fù)值代表變形豎直向下。根據(jù)計(jì)算得出，過車工況下最大變形為4.4 mm，不考慮汽車活載分項(xiàng)系數(shù)與動(dòng)力系數(shù)時(shí)，變形為2.85 mm?？梢钥吹浇Y(jié)構(gòu)變形現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與變形計(jì)算最大值（不考慮分項(xiàng)系數(shù)及動(dòng)力系數(shù)）基本吻合。

吊裝過程中監(jiān)測(cè)最大變形值與計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖22所示。可以看到預(yù)估結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合。

5 結(jié)論

對(duì)某商業(yè)建筑裙房大跨度鋼梁吊裝施工過程及過車荷載作用下大空間地下室頂板的局部承載安全性進(jìn)行分析；采用SAP2000軟件針對(duì)最不利狀況進(jìn)行施工模擬。在考慮20種汽車起重機(jī)荷載分布后，得到由起重機(jī)吊裝荷載引起的變形最大值為-7.15 mm。通過模擬分析得出，依靠地下一層自身結(jié)構(gòu)能夠承擔(dān)過車、吊裝及運(yùn)輸?shù)群奢d作用，不需要額外對(duì)地下室頂板進(jìn)行支撐；介紹了施工過程中地下室頂板結(jié)構(gòu)變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)容，結(jié)合數(shù)值計(jì)算對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)峰值點(diǎn)與數(shù)值計(jì)算變形最大值基本吻合，驗(yàn)證了所采用的理論模型的正確性。本文施工模擬方法與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用結(jié)合的技術(shù)手段可為類似工程提供參考。

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