屋蓋吊裝荷載組合的高架層樓面配筋研究

摘要：以重慶東站大跨度空間桁架屋蓋鋼結(jié)構(gòu)為實(shí)例，使用Midas Gen軟件對混凝土梁進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了其在最大單支腿荷載作用于跨中以及最大兩支腿荷載對稱作用于梁端時的受力情況，并以理論計(jì)算方法，對后排輪壓分別布置于跨中、長邊及短邊等3種工況下混凝土板進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算。研究結(jié)果表明，針對于部分樓面的板配筋不滿足要求的，進(jìn)行加固處理，可提高高架層混凝土梁板的承載力，相關(guān)成果可為類似工程安全提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：汽車起重機(jī)；吊裝荷載；數(shù)值模擬；高架層樓面；承載力

0" "引言

重慶東站采用大跨度空間桁架屋蓋鋼結(jié)構(gòu)，運(yùn)用場外拼裝、分段吊裝、高空成型、分區(qū)提升等工藝，實(shí)現(xiàn)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)安裝。在施工過程中，需要使用汽車起重機(jī)在高架層進(jìn)行吊裝作業(yè)[1-2]。高架層具有進(jìn)站、候車、商業(yè)等功能，在運(yùn)營階段承受荷載較小，主要為裝修、行人荷載[3]。高架層樓板通常較為薄弱，在采用汽車起重機(jī)進(jìn)行吊裝時，若忽視施工力學(xué)分析會導(dǎo)致實(shí)際荷載遠(yuǎn)超運(yùn)營荷載，存在一定的安全隱患[4-5]。

關(guān)于高架層施工階段荷載的影響，國內(nèi)外眾多學(xué)者開展了相關(guān)研究。藺再強(qiáng)[6]考慮到高鐵站房高架層的重型施工荷載，給出了臨時加固設(shè)計(jì)與計(jì)算方法。于海等[7]提出要嚴(yán)格控制起重機(jī)荷載不能大于高架層所能承受的最大荷載，以防對高架層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。高玉蘭等[8]采用Midas有限元軟件，對作用在高架層上的施工荷載進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)算，從而確保滿足汽車起重機(jī)施工要求。

周鋒等[9]通過對4種吊裝機(jī)械的樓面施工案例進(jìn)行分析，研究了施工荷載對樓面的影響，闡述了樓面結(jié)構(gòu)分析方法和樓面結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施。徐世杰等[10]以重慶T3A新建航站樓為例，計(jì)算分析了汽車起重機(jī)行走狀態(tài)下及3種不同工作狀態(tài)下樓面板的承載力情況。李小杰等[11]以泰國素萬納普機(jī)場擴(kuò)建工程主航站樓為例，利用有限元分析軟件對樓板承載力和樓板開裂進(jìn)行分析。魯團(tuán)等[12]以東北亞國際博覽中心連廊為例，采用有限元分析軟件驗(yàn)算樓板的裂縫和應(yīng)力變化情況。

上述研究雖然已取得一定成果，但其僅將汽車起重機(jī)簡化為集中荷載，忽略了不同作業(yè)條件下汽車起重機(jī)荷載的復(fù)雜影響?；诖耍疚牟捎肕idas Gen軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析混凝土梁在最大單支腿荷載作用于跨中以及最大兩支腿荷載對稱作用于梁端時的受力情況，并以理論計(jì)算方法，對后排輪壓分別布置于跨中、長邊及短邊等3種工況下混凝土板進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算，旨在探究高架層混凝土梁板的承載力，為類似工程安全提供參考和借鑒。

1" "工程概況

1.1" "項(xiàng)目施工方案

針對重慶東站現(xiàn)場工況，屋蓋采取主站房整體提升、東站房吊裝的施工思路，在東西雨棚區(qū)外側(cè)軌行區(qū)及地面，設(shè)置屋蓋桁架材料堆場及次桁架地面拼裝區(qū)。雨棚區(qū)共設(shè)置3座棧橋，用于連通高架候車層與地面承軌層。施工現(xiàn)場外設(shè)置屋蓋構(gòu)件中轉(zhuǎn)堆場，采用平板車倒運(yùn)至施工現(xiàn)場。高架層樓面及高架車道為屋蓋提升拼裝區(qū)，在高架層樓面布置拼裝臺架和提升支架，提升支架通過底部轉(zhuǎn)換梁將荷載傳遞給框架結(jié)構(gòu)。

1.2" "施工方案經(jīng)濟(jì)效益對比

在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增加X向支座、X向跨中、Y向支座配筋面積，增加高架層樓板的鋼筋使用量，共計(jì)增加成本約100余萬元。若不增加樓板配筋，采用不拆除高架層架體、增加架體支撐密度的方式，持續(xù)到屋蓋桁架拼裝完成，需增加成本約180余萬元，且會造成承軌層及下部結(jié)構(gòu)施工至少滯后3個月。通過成本和工期的綜合比選可知，增加樓板配筋方案經(jīng)濟(jì)效益更好。

2" "樓面荷載組合分析

2.1" "50t汽車起重機(jī)輪壓荷載

50t汽車起重機(jī)施工時，自重為410kN，1～4軸荷載分別為75kN、75kN、130kN、130kN，左右輪距取為2.3m。汽車起重機(jī)的4個輪壓分別為N1a、N2a、N3a、N4a，計(jì)算輪壓對混凝土板的面荷載時，按輪壓擴(kuò)散角45°擴(kuò)散至板厚度中點(diǎn)。不同板厚所受的板壓見表1。

2.2" "工作狀態(tài)下的次梁支腿荷載

50t汽車起重機(jī)參數(shù)見表2。汽車起重機(jī)在樓面進(jìn)行吊裝作業(yè)時，其荷載可簡化為由4個集中荷載組成的荷載組，4個接地點(diǎn)對地壓力分別為N1、N2、N3、N4，可通過下列公式計(jì)算可得：

式中：G為起重機(jī)自重，單位為kN；G1為起重機(jī)配重，單位為kN；g為起吊質(zhì)量，單位為kN；r為吊重回轉(zhuǎn)半徑，單位為m；R為配重回轉(zhuǎn)半徑，單位為m；g為平行起重機(jī)方向垂直支腿之間的距離，單位為m；h為垂直起重機(jī)方向垂直支腿之間的距離，單位為m；α為輪壓擴(kuò)散角。

將表2數(shù)據(jù)代入式（1）中進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)α=50°時，將產(chǎn)生最大壓力，即N1=163kN，N2=207kN，N3=119kN，N4=164kN。

在設(shè)計(jì)樓面配筋時，應(yīng)確定荷載組合，考慮到混凝土梁板的自重D以及施工荷載L（即汽車起重機(jī)行駛時的輪壓荷載）。其中，準(zhǔn)永久組合用于裂縫驗(yàn)算，其表達(dá)式為1.0D+0.3L；設(shè)計(jì)組合則用于強(qiáng)度驗(yàn)算，其表達(dá)式為1.17D+1.35L。

3" "樓面配筋設(shè)計(jì)

本文使用Midas Gen，對各工況下50t汽車起重機(jī)行走吊裝區(qū)域的混凝土梁進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，驗(yàn)證各工況下混凝土板配筋是否滿足汽車起重機(jī)行走及支腿吊裝作業(yè)的要求。如不滿足配筋要求的部位，需要采用增加配筋的方法進(jìn)行加固。

3.1" "混凝土梁配筋設(shè)計(jì)

為了使吊裝時混凝土梁的配筋滿足實(shí)際工程需求，設(shè)計(jì)并驗(yàn)算了在不同工況下，不同尺寸的混凝土梁端和梁跨中的配筋是否滿足承載力要求。

為簡便計(jì)算并使計(jì)算結(jié)果滿足要求，選取汽車起重機(jī)工作區(qū)域內(nèi)截面較小、配筋較少的混凝土梁進(jìn)行受力分析?；炷亮航孛嬉?guī)格為500mm×800mm，其左端端部上筋為4 25，右端端部上筋為7 25，梁跨中底筋為4 25，箍筋為 10@200（4），混凝土強(qiáng)度等級為C40，混凝土保護(hù)層厚度為25mm。

3.1.1" "最大單支腿荷載作用于梁跨中

荷載值相同條件下，最大單支腿荷載以集中荷載形式作用于混凝土梁跨中，使用Midas Gen對吊裝區(qū)域的混凝土梁進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，其最大內(nèi)力如圖1所示。

3.1.2" "最大兩支腿荷載對稱作用于梁端

在荷載值相同條件下，最大兩支腿荷載以集中荷載形式對稱作用在混凝土梁端局部，使用Midas Gen對吊裝區(qū)域混凝土梁進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，其最大內(nèi)力圖如圖2所示。

3.1.3" "模擬結(jié)果分析

在設(shè)計(jì)梁跨中截面時，彎矩設(shè)計(jì)值取236kN·m，剪力設(shè)計(jì)值取255kN，裂縫計(jì)算時彎矩取81kN·m。在設(shè)計(jì)梁端截面時，彎矩設(shè)計(jì)值取357kN·m，剪力設(shè)計(jì)值取255kN，裂縫計(jì)算時彎矩取215kN·m。經(jīng)過對梁端與梁跨中原設(shè)計(jì)配筋與計(jì)算配筋的比較，可知混凝土梁配筋設(shè)計(jì)均滿足要求。混凝土梁配筋計(jì)算結(jié)果見表3。

3.2" "混凝土板配筋設(shè)計(jì)

為使混凝土板的配筋滿足實(shí)際工程需求，采用理正結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，設(shè)計(jì)并驗(yàn)算在后排輪壓跨中布置（工況1）、后排輪壓長邊布置（工況2）、后排輪壓短邊布置（工況3）3種不同工況下，混凝土板的配筋是否滿足工作時承載力要求。為保證50t汽車起重機(jī)在混凝土樓面上的施工安全，選取跨度較大的混凝土板進(jìn)行計(jì)算。已知荷載條件恒載分項(xiàng)系數(shù)取1.17，活載分項(xiàng)系數(shù)取1.49，活載準(zhǔn)永久值系數(shù)取0.30，活載調(diào)整系數(shù)取1.00，板容重取5.00kN/m3?；炷涟宓?種工況的配筋計(jì)算結(jié)果見表4。

根據(jù)表4的計(jì)算結(jié)果得出，工況1下僅有Y向跨中處配筋滿足承載力要求；工況2下僅Y向支座與跨中處配筋滿足承載力要求；工況3下僅有Y向支座處配筋不滿足承載力要求。對于不滿足配筋要求的部位，采取增加配筋面積的方法來進(jìn)行加固，使加固后的配筋面積大于理論計(jì)算所得配筋面積，從而滿足承載力要求。對于加固后配筋面積的選擇，采用3種工況中滿足承載力要求所需的最大配筋面積，即加固后X向支座、X向跨中、Y向支座配筋面積應(yīng)分別達(dá)到1780mm2、867mm2、1780mm2。

4" "混凝土結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測

在高架層樓板澆筑完成后，設(shè)置變形監(jiān)測點(diǎn)位，檢測樓板的撓度變化，并采用Midas Gen有限元軟件模擬汽車起重機(jī)在高架層施工時的樓板受力情況。通過鏈?zhǔn)絺鞲衅骷皵?shù)據(jù)發(fā)送模塊，將監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)街腔蹤z測云平臺，實(shí)現(xiàn)樓板變形可視化監(jiān)控，以掌握實(shí)時應(yīng)力值。經(jīng)過監(jiān)測分析，應(yīng)力變化滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、方案及規(guī)范要求，未發(fā)現(xiàn)由于鋼結(jié)構(gòu)吊裝產(chǎn)生的明顯結(jié)構(gòu)裂縫。

5" "結(jié)束語

本文以重慶東站站房為例，通過采用Midas Gen軟件進(jìn)行了數(shù)值分析。基于不同吊裝荷載組合，對3種不同工況下的混凝土板進(jìn)行分析，著重研究了高架層混凝土梁板的承載力需求，具體結(jié)論如下：

挑選受力最不利的混凝土梁進(jìn)行驗(yàn)算，計(jì)算得出東站房高架層混凝土梁配筋，滿足50t汽車起重機(jī)支腿吊裝作業(yè)的承載力要求。挑選受力最不利的樓板進(jìn)行驗(yàn)算，得出東站房高架層部分樓板的配筋不能滿足承載力要求，需增加X向支座、X向跨中、Y向支座的配筋，面積應(yīng)分別達(dá)到1780mm2、867mm2、1780mm2。增加樓板的配筋可有效防止50t汽車起重機(jī)在樓面吊裝作業(yè)時樓板發(fā)生開裂，高效快速地解決大面積鋼結(jié)構(gòu)屋蓋樓面拼裝難題，加快工期及施工效率。

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