大跨度弧形梁吊裝施工驗(yàn)算關(guān)鍵環(huán)節(jié)

雷曉花 王景陽 張軍良 蘇建成 高蕊

大跨度弧形梁吊裝施工驗(yàn)算關(guān)鍵環(huán)節(jié)

雷曉花 王景陽 張軍良 蘇建成 高蕊

本文分析了某大型家居城的大跨度弧形鋼梁在安裝的各個(gè)階段的內(nèi)力和變形，在安裝過程中增設(shè)了纜風(fēng)繩保證結(jié)構(gòu)的側(cè)向穩(wěn)定，分析其在完成狀態(tài)前后的受力狀態(tài)，提出了將鋼梁靠近跨中兩道系桿修改為桁架式系桿，在支座位置增設(shè)抗剪鍵等措施，保證結(jié)構(gòu)的安全。

施工驗(yàn)算；鋼梁吊裝；吊耳；纜風(fēng)繩；抗剪鍵；支撐；系桿

隨著鋼鐵工業(yè)和建筑行業(yè)科技水平的發(fā)展，以及計(jì)算手段的不斷完善和制造水平的迅速提高，20世紀(jì)80年代以后，具備優(yōu)越抗震性能和環(huán)保性能的鋼結(jié)構(gòu)建筑在我國進(jìn)入了飛速發(fā)展的階段，涵蓋了從普通的民用建筑、超高層建筑、大跨空間結(jié)構(gòu)到橋梁工程、工業(yè)建筑和特種鋼結(jié)構(gòu)各類建筑，遍及建筑行業(yè)的各發(fā)展方向。鳥巢、水立方、國家大劇院、中央電視臺(tái)新臺(tái)址等眾多鋼結(jié)構(gòu)建筑的經(jīng)典之作代表著我國的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造水平進(jìn)入了全新的發(fā)展階段。

在建筑結(jié)構(gòu)工程中，鋼結(jié)構(gòu)工程具有一定的特殊性。其特殊性首先表現(xiàn)在鋼結(jié)構(gòu)工程的構(gòu)件有很大的比例是在工廠生產(chǎn)，現(xiàn)場進(jìn)行拼裝、吊裝、連接工作。在施工過程中，會(huì)出現(xiàn)很多非完成狀態(tài)。由于施工階段結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)與運(yùn)營階段的受力狀態(tài)不同，有可能導(dǎo)致某些構(gòu)件受力符號(hào)發(fā)生改變或承載能力不足，因此根據(jù)施工組織提出的施工方案，必須對(duì)各控制階段進(jìn)行施工驗(yàn)算，計(jì)算施工荷載作用下各構(gòu)件的內(nèi)力和變形情況，用以分析施工過程各環(huán)節(jié)構(gòu)件自身的安全性和就位前的彈性變形情況。如果施工工況下構(gòu)件應(yīng)力過大或者變形過大就要根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整施工方案或采取一定的措施，將構(gòu)件應(yīng)力和變形控制在規(guī)范和設(shè)計(jì)允許的合理范圍內(nèi)，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出施工過程中應(yīng)注意的事項(xiàng)。

1. 工程概述

為了滿足特殊功能和建筑造型的需要，某大型家居城的光棚屋面被設(shè)計(jì)成大跨度弧形梁結(jié)構(gòu)，弧形梁結(jié)構(gòu)跨度38．6m，拱高7．5m，鋼梁截面選用H(700～1500)X300X8X12，為焊接H型變截面，材質(zhì)Q235B。結(jié)構(gòu)安裝后支座底標(biāo)高為14．410m和28．210m，支座為鉸接。縱向水平荷載由屋面支撐和系桿傳遞，保證結(jié)構(gòu)側(cè)向的穩(wěn)定。光棚結(jié)構(gòu)三維透視圖見圖1。

2. 構(gòu)件施工狀態(tài)分析

驗(yàn)算前首先要確定需要驗(yàn)算的構(gòu)件工況，包括構(gòu)件存在狀態(tài)和該狀態(tài)下的荷載狀況。存在狀態(tài)是指對(duì)應(yīng)具體的施工方案，施工過程中構(gòu)件和結(jié)構(gòu)存在哪些施工狀態(tài)。荷載狀況是指某一特定施工狀態(tài)，研究的對(duì)象受到哪些荷載的作用。

圖1 光棚結(jié)構(gòu)

圖2 弧形梁剖面

本工程大跨度弧形鋼梁施工過程為：分三段在工廠加工，運(yùn)輸至現(xiàn)場后在操作平臺(tái)上組拼成整體，再利用汽車吊吊裝，并安裝支撐和水平系桿，最后安裝檁條和屋面板。

通過對(duì)弧形梁的施工過程的分析確定該構(gòu)件懸吊（圖3所示）、就位安裝支撐和系桿、屋面板安裝后工況。

圖3 懸吊狀態(tài)

施工驗(yàn)算中需要計(jì)算的內(nèi)容有：吊繩的強(qiáng)度、構(gòu)件強(qiáng)度、面內(nèi)外的穩(wěn)定性、構(gòu)件的撓度位移、側(cè)向支撐的強(qiáng)度等。

3. 鋼梁吊裝驗(yàn)算

3.1 構(gòu)件驗(yàn)算

該工程弧形梁完成狀態(tài)時(shí)兩端設(shè)置支座，交叉支撐和水平系桿共同構(gòu)成了鋼梁的側(cè)向支撐系統(tǒng)，而懸吊過程中為四個(gè)吊點(diǎn)作為約束，且側(cè)向支撐不同于完成狀態(tài)。鋼梁吊裝中最重要的就是吊點(diǎn)的選擇、吊繩的規(guī)格及臨時(shí)支撐或纜風(fēng)繩的設(shè)置。吊點(diǎn)的設(shè)置與吊車起重量、吊車高度等有關(guān)。該弧形鋼梁由于跨度大，采用了四點(diǎn)吊裝。當(dāng)采用雙繩四點(diǎn)起吊時(shí)，應(yīng)采用如下（圖4）計(jì)算模型。由于吊裝過程中左側(cè)兩吊點(diǎn)使用同一根吊繩，右側(cè)兩吊點(diǎn)使用同一根吊繩，且吊點(diǎn)布置對(duì)稱于構(gòu)件重心兩側(cè)，故左側(cè)和右側(cè)兩根繩的拉力分別相同。

圖4 計(jì)算簡圖

圖5 吊索索力

根據(jù)吊繩的拉力（考慮1．5倍的動(dòng)力系數(shù)）并考慮吊繩力的不均衡性和一定保險(xiǎn)系數(shù)（5～8倍）選擇吊繩的規(guī)格。構(gòu)件的重力G應(yīng)考慮構(gòu)件的勁板等荷載，且采用設(shè)計(jì)值。

可得到吊繩的水平分力為：

Fx1=Tconα ；Fx2=Tconβ

豎直分力為：

Fy1=Tsinα；Fy2=Tsinβ

可以根據(jù)力的平衡條件得到每個(gè)截面的內(nèi)力N、V、M。

也可以采用軟件分析得到截面的內(nèi)力，如圖6、圖7所示。

然后根據(jù)壓彎構(gòu)件的應(yīng)力計(jì)算公式對(duì)強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。

圖6 軸力包絡(luò)圖

圖7 彎矩包絡(luò)圖

強(qiáng)度：

各字母意義可參見《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》。其中最重要的取值是關(guān)于長細(xì)比的取值。本工程中面內(nèi)計(jì)算長度取值：

懸挑段：l1x=2l1；

簡支段：l2x=l2；l3x=l3

面外計(jì)算長度取值：

懸挑段：l1y=2l1；

簡支段：l2y=l2+l3；l3y=l3

l，l1，l2，l3——分別為整根梁、懸挑段和簡支段的弧長。

采用有限元軟件校核的如下圖8、圖9所示。

圖8 面外穩(wěn)定應(yīng)力比圖

圖9 構(gòu)件變形圖

分析結(jié)果顯示吊裝過程中，構(gòu)件最大應(yīng)力比為0．605；跨中下?lián)献畲?．3mm，兩端上翹3．4mm，水平向內(nèi)收縮5．3mm；在無水平側(cè)向擾動(dòng)的條件下，面外基本無變形。計(jì)算結(jié)果表明，構(gòu)件在吊裝過程中強(qiáng)度和穩(wěn)定性均能滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，構(gòu)件變形較小，該吊點(diǎn)及吊繩角度設(shè)置滿足安裝就位需要。同時(shí)，吊裝應(yīng)盡量在風(fēng)力較小時(shí)進(jìn)行，且在構(gòu)件兩端分別設(shè)置纜風(fēng)繩，用于調(diào)整吊裝過程中構(gòu)件的側(cè)向偏移，保證施工的安全。

3.2 吊耳驗(yàn)算

構(gòu)件吊裝中，吊耳是經(jīng)常使用的措施。

吊耳及吊耳與構(gòu)件的連接節(jié)點(diǎn)如圖10所示。

圖10 吊耳與構(gòu)件的連接節(jié)點(diǎn)

3.2.1 吊耳的構(gòu)造要求：

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》7．5．4條第3款，吊耳的自由邊長度與厚度的比值不得大于否則應(yīng)沿自由邊設(shè)加勁肋予以加強(qiáng)。

3.2.2 驗(yàn)算吊耳的拉剪撕裂破壞

吊耳可能的拉剪撕裂破壞形式圖如圖11所示。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》7．5．1條，連接節(jié)點(diǎn)處板件在拉、剪作用下的強(qiáng)度應(yīng)按下式計(jì)算：

∑(ηiAi) 較小值為最危險(xiǎn)破壞截面。

3.2.3 銷軸處的板件受壓承載力強(qiáng)度驗(yàn)算：

吊裝索具卸扣的強(qiáng)度由產(chǎn)品自身復(fù)核。僅驗(yàn)算銷軸處吊耳板件的受壓承載力。

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》7．2．1條第1款，板件的承壓承載力設(shè)計(jì)值為

圖11 吊耳拉剪撕裂破壞形式

3.2.4 焊縫驗(yàn)算

當(dāng)垂直構(gòu)件吊裝時(shí)，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》7．1．3條第1款：

當(dāng)?shù)跹b與構(gòu)件存在角度時(shí)，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》7．1．3條第2款：

吊裝過程中荷載可能會(huì)發(fā)生變化，按動(dòng)力荷載考慮，取βf=1．0。式中各字母含義參見《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》各相關(guān)條款。

當(dāng)起吊索具與吊耳所在平面有夾角時(shí)，應(yīng)分別考慮吊耳面內(nèi)、面外的受力，面內(nèi)按此方法驗(yàn)算，面外需增加考慮正應(yīng)力或加強(qiáng)吊耳。

4.鋼梁就位后驗(yàn)算

鋼梁就位后，由于鋼梁間距較大，在安裝屋面板前，各榀鋼梁將直接承受風(fēng)荷載的作用，結(jié)構(gòu)處于不利狀態(tài)，為此本工程中對(duì)安裝屋面板前的狀態(tài)和完成狀態(tài)對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)算。驗(yàn)算采用三維空間模型，兩端為鉸接，結(jié)構(gòu)設(shè)有交叉支撐和系桿，支撐采用20號(hào)圓鋼，Q235B。計(jì)算中風(fēng)荷載取值分別為完成之前采用10年一遇的的風(fēng)壓；完成后采用50年一遇風(fēng)壓。安裝屋面板前計(jì)算結(jié)果：

4.1 支座的地腳錨栓抗剪承載力應(yīng)力比接近于1.0，安全裕度較小。

4.2 8根支撐強(qiáng)度不滿足，2根剛性系桿強(qiáng)度及穩(wěn)定不。

4.3 受縱向風(fēng)荷載作用時(shí)，結(jié)構(gòu)沿y向的位移最大值較大，最大為51。

4.4 支撐采用圓20，當(dāng)超過應(yīng)力比2.0的支撐最先退出工作后，其余支撐相繼發(fā)生破壞，剛性系桿屈服，光棚梁穩(wěn)定應(yīng)力超限，結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定，發(fā)生倒塌。

5.對(duì)結(jié)構(gòu)的建議

根據(jù)安裝過程中的驗(yàn)算結(jié)果和節(jié)點(diǎn)分析，為此我們對(duì)該工程提出了如下修改：

5.1 支座節(jié)點(diǎn)修改

經(jīng)現(xiàn)場復(fù)測，光棚地腳螺栓位置混凝土上皮標(biāo)高相差較大，以圖紙標(biāo)高為基準(zhǔn)，最大偏差為+130/-80，且已安裝完成的地腳螺栓位置存在偏差，為將光棚安裝標(biāo)高統(tǒng)一并調(diào)整地腳螺栓偏差，采取加大梁底板和在底板下方設(shè)置鋼短柱兩種方式，見圖12所示。

圖12 a支座設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)

圖12 b修改后支座節(jié)點(diǎn)

由于地腳處剪力較大，且錨栓由原先施工單位進(jìn)行安裝，安裝偏差較大，為此建議設(shè)計(jì)院增加了抗剪鍵，2件角鋼的縱向抗剪承載力為492KN，4根M24的化學(xué)錨栓的抗剪承載力為311．2KN，大于柱腳在施工過程的各個(gè)階段實(shí)際的水平力，保證了地腳剪力的傳遞，構(gòu)造見圖13。

5.2 支撐系統(tǒng)修改

由于光棚鋼梁跨中截面高度1500mm，截面較高，為了保證鋼梁面外的穩(wěn)定性，將鋼梁靠近跨中兩道系桿進(jìn)行修改，將單系桿改為桁架式系桿。

6.結(jié)論

施工驗(yàn)算是鋼結(jié)構(gòu)施工中必不可少的環(huán)節(jié)，對(duì)于保證施工中各構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的安全具有重要意義。本工程中通過對(duì)弧形梁各個(gè)階段的核算和施工過程的檢驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

圖13 新增抗剪鍵

6.1 該弧形梁通過四點(diǎn)吊裝是合理的，構(gòu)件強(qiáng)度、穩(wěn)定性和變形都滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。為了保證支撐安裝前結(jié)構(gòu)的安全，在端部的弧形梁上增設(shè)了纜。

6.2 結(jié)構(gòu)的支撐系統(tǒng)比較薄弱，因此將鋼梁靠近跨中兩道系桿修改為桁架式系桿，保證了鋼梁的側(cè)向穩(wěn)定，消除了安全。

6.3 通過對(duì)地腳處增設(shè)角鋼抗剪鍵，對(duì)支座節(jié)點(diǎn)傳遞水平剪力提供了可靠性。

6.4 由于已施工的混凝土標(biāo)高偏差較大，通過對(duì)地腳部位增加小短柱，保證了安裝的可操作性。

[1] 謝國昂，王松濤. 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)深化及詳圖表達(dá). 中國建筑工業(yè)出版社，2010.5.

[2] 中華人民共和國建設(shè)部. 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50017-2003. 中國計(jì)劃出版社出版，2003.10.

[3] 崔曉強(qiáng)，郭彥林，葉可明. 大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工過程的結(jié)構(gòu)分析方法研究. 工程力學(xué)，Vol.23 No.5，2006.5.

(作者單位：中國新興建設(shè)開發(fā)總公司)

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1671-3362（2017）02-0056-04