某異形洞體鋼結構支撐結構靜力承載性能研究

侯鴻杰， 褚云朋， 何祥榮， 宋星宇

(西南科技大學, 四川綿陽 621010)

異形清水混凝土洞體結構在實際工程中已經越來越多，但不同洞體使用環境的不同，會帶來不同的新問題，清水混凝土對施工條件的要求較高，且由于在不同實際情況下洞體成型工藝要求也有所不同，論文涉及洞體對使用環境要求高，使得洞體在施工成型過程中的變形要求較高，對洞體內部支撐模板體系變形等要求高，且需考慮到施工安拆等的因素，使得大型異形洞體在施工難度較大[1-3]。

論文展開針對某異形洞體鋼結構支撐體系靜力承載性能研究，計算分析在優化前后方案對于變形及用鋼量的控制。

1 工程概況

洞體橫截面多為八角形截面，且洞體截面尺寸較大，混凝土自重極大，洞體內壁清水混凝土施工精度要求極高。頂板及側面混凝土澆筑成型養護完成達到齡期后，雖采取分段施工，但若支撐體系自重很大，采用機械將支撐體系吊出的可行性極低，不具有可拆性。考慮到諸多因素，研制內核輕型鋼結構支撐體系，便于拆裝，且構件加工費用低，拆除后構件可重復再利用。確保洞體施工對支撐體系的剛度要求，進而滿足混凝土結構對模板的精度控制指標要求。

混凝土洞體水平方向凈寬20.7m，豎直方向凈高17.2m，屬于異形混凝土結構。板厚300mm，縱向梁截面400mm×900mm，橫向主梁截面為500mm×1 900mm，方案僅涉及第二擴散段的洞體情況，底板入口處標高為2.4m，出口處標高4.8m，頂板出、入口標高均不同，洞體截面高度不同，為變截面異形混凝土結構。第二擴散段出入口兩截面高度變化率6 %，寬度變化率4.4 %。相關部分截面如圖1所示。

大型異形洞體項目在施工實施時有很多重難點，難點之一是洞體混凝土結構精度要求比較高。首先軸線偏差精度要求極高，工程要求部段自身軸線與理論軸線在水平、鉛錘兩個方向偏差均不大于10mm。軸線偏差精度高也代表洞體在垂直度、水平精度，以及平行度與位置精度要求均很高。洞體垂直內表面的平均平面在全高范圍內與理論鉛錘面偏差不大于3mm，同理，洞體水平內表面在水平面的偏差也不

(a)出口段洞體截面

(b)洞體底板結構布置

大于3mm。洞體由于其使用環境的要求，定義了三個基準面，分別是垂直氣流方向，通過洞體橫截面中心的鉛錘面，順氣流的兩個方向，即通過洞體縱向橫截面中心鉛垂面，以及通過洞體中心截面的水平面。同時洞體表面平整度精度要求也極高。

對于大型洞體項目有如此高的精度要求，且又洞體結構形狀復雜，常規模架體系無法滿足洞體對于精度的要求，通過對比，認為鋼結構模架體系能較好的滿足洞體對于變形以及平整度的要求。論文只針對涉及方案的變形進行論述，不涉及施工時的平整度具體闡述。

2 方案設計

2.1 設計思路

清水混凝土施工質量要求高，因此變形起控制作用，應嚴格限制支撐的豎向及水平方向變形。洞體模板整體內支撐體系采用型鋼空間桿件結構，構件能較好地滿足在降低結構部件自重的同時提供最大抗力性能，降低結構及部件變形，滿足混凝土施工精度控制指標要求。結構整體八角形側面支撐端梁采用槽鋼，內核受力構件采用角鋼，自重輕，能夠較好地滿足支撐體系剛度的要求，結構整體性強，可靠性高。

內核受力構件所用角鋼，僅在連接部位采用噴砂方式提高摩擦系數，可重復利用次數多，構件間連接采用扭剪摩擦型高強螺栓。由于本工程對鋼結構加工精度要求較高，加工費用對整體支撐體系造價影響起控制作用，構件不進行二次加工，降低構件在加工階段的誤差。

單根構件滿足重量小于70kg，輕型構件能更加便于安裝，以滿足高精度的要求，且單根構件盡可能長，減少拼裝次數，降低安裝誤差。模板內核支撐部件只有角鋼和槽鋼2類，截面尺寸類別為3類。對于梁、柱及斜向支撐等同類構件，部品及單體規格外形尺寸一致性強，再降低構件加工及安裝階段誤差，使得加工方便，易于人工搬運、安裝及拆卸，提高了施工效率。施工時可根據現場裝配情況，先進行構件地面的組裝，再進行模塊吊裝裝配。

2.2 方案設計

內核支撐體系采用單榀桁架設計完成，第二擴散段模板內支撐部分結構三維示意圖如圖2所示。由于模型可簡化為平面桁架，每榀桁架采用角鋼連接成整體即可，故只需確定單榀桁架構件布置圖。

圖2 內支撐部分結構三維示意

八角形側面支撐采用槽鋼，內支撐柱、梁及斜支撐采用角鋼。因截面為漸進減小面，側面支撐與角鋼連接采用長伸縮桿與頂托方式進行調控。頂托與槽鋼間采用高強摩擦型螺栓固定，減小側面板的變形。但需要洞口外側的木模板配合使用，形成中空夾層，便于泵送商品混凝土。伸縮桿與支撐結構間的細部仍需計算，并進行構造設計，論文涉及方案不對此部分進行設計。

最外圍側面支撐構件，采用28C槽鋼充當模板梁，4個轉角處槽鋼形狀需定制。內核支撐柱、斜向支撐均采用L125×10，便于與其它縱橫向梁相連接，橫梁為L180×16。橫向柱間距為1.4m，縱向柱距為2m，上下梁間距有三種分別是0.757m、1.65m、1.5m。部分單榀桁架信息如圖3所示。

圖3 桁架截面信息

3 結構變形及改進

3.1 結構變形及分析

采用有限元軟件SAP2000對型鋼支撐體系進行混凝土澆筑后的靜力承載性能計算，鋼材為Q235B，柱底固接于混凝土梁上。支撐體系強度能夠得到滿足，結構為澆筑混凝土時起內核支撐作用，加之精度要求高，因此對支撐體系力學性能起控制的指標為變形。

涉及的靜力計算包括恒載和活載，又由于清水混凝土過程一次澆筑成型混凝土量大，水泥水化產生大量熱量，散熱不均勻，其溫度應力可能使混凝土開裂，清水混凝土施工溫度要求更嚴格，故計算時應考慮溫度對澆筑混凝土過程中的影響[4]。包含兩種情況，情況一為T(20～30 ℃)+V(11.3m/h)，T為砼溫度，V為澆筑速度；情況二為T(24～30 ℃)+V(1～1.5m/h)。情況二中若取T(24 ℃)+V(1.5m/h)，此為計算最不利情況下的變形。頂板處考慮混凝土梁、板自重、模板自重、新澆混凝土及施工人員自重等，施加集中力設計值21kN，分布線荷載設計值38kN/m，此時節點10產生的最大變形為1.49mm(↓)。側支撐考慮新澆混凝土對模板產生的最大側壓力，水平荷載，及模板高度等，施加分布線荷載設計值221kN/m。此時節點96產生最大變形為1.96mm(←)。

計算分析時需結合施工過程，先澆筑側板混凝土然后一次性澆筑頂板混凝土，二者不同時進行，故而變形校核分開進行。澆筑頂部混凝土時最大變形值為1.49mm(↓)，澆筑側面混凝土時最大變形值為1.96mm(←)。滿足澆筑過程中變形限值要求，其變形圖如圖4所示。圖4(a)中左邊實線框表示頂部荷載作用下的模型左邊變形圖，左右變形對稱；右邊虛線框表示側面荷載作用下的模型右邊變形圖，左右變形對稱，圖4(b)為部分模型節點編號。

(a)荷載作用下變形情況

(b)節點編號

方案的單榀桁架在豎向荷載作用下變形最大的節點出現在頂部中間處，而在水平荷載作用下，由于沿高度方向中間位置間距變小，中間位置被加強，因此變形最大的節點出現在沿高度方向中間偏上的位置。極少的構件應力接近215MPa，應增大其截面，保證安全，其余大部分構件應力較小，滿足強度設計要求。

3.2 方案優化

鑒于原方案桿件較多，雖然變形滿足工程指標要求，但構件多，安裝精度不容易得到控制，因此仍需進一步減小構件數，且便于工程實施過程中對變形的監控，使檢測設備間與反射片具有很好的通透性。應力極少部分沒有較大安全儲備，原方案布置不利于實際現場人員施工，施工中搬運安裝存在困難。考慮到施工時工人搬運的便捷，提高裝配速度，降低累積誤差的傳遞量值，考慮設計方案優化，優化后的方案的設計思路大體同原方案。同樣考慮在滿足單根構件重量小于70kg，提高精度的條件下，構件盡可能長，且不同尺寸、型號的構件盡量少。減少構件加工與安裝階段的誤差。由原方案存在不利于工人施工的因素，優化方案對水平、豎直桿件間的間距進一步調大，并且選擇新截面形式，調整橫梁間的距離，加大柱長度，便于工人通行與施工操作，使新的截面形式有較大的應力安全儲備空間。

主要針對單榀桁架中供人施工的空間過小進行優化，因此優化前后方案的設計思路一致，保證優化方案增大構件間間距不會過量增加結構的變形值，并滿足材料強度要求。優化方案需要增大梁柱間間距，增加工人施工空間，同時沿洞體長度方向，每榀桁架間間距也從2m增加到3m[5-6]。

八角形外圍支撐、梁、柱采用H250×175×7×11型鋼，四轉角斜向支撐桿件同樣采用H250×175×7×11型鋼，除四轉角外的斜向支撐采用角鋼L160×10。將柱距增大，橫向柱間距增大到2.7m，縱向柱距為3m，每榀中上下梁間距為2m。優化后方案單榀桁架桿部分件信息如圖5所示。優化方案要求混凝土在施工過程中單次澆筑高度不超過2m，待混凝土初凝后再澆筑上一層。優化方案頂部分布荷載調整為56kN/m，側面荷載調整為204kN/m。

圖5 優化方案后桁架桿件截面信息

優化方案最大變形為節點3在豎向荷載下產生1.81mm(↓)，節點61在水平荷載作用下產生2.04mm(←)的變形。變形圖如圖6所示。圖6(a)中左邊實線框為在頂部荷載作用下桁架左邊的變形，右邊虛線框為側面荷載作用下桁架右邊變形，桁架左右部分變形對稱，圖6(b)為優化后節點編號。此時構件應力均較小，滿足鋼材強度設計要求。

(a)荷載作用下變形情況

(b)節點編號

優化方案與原方案變形趨勢一致，優化方案變形較原方案略有增大，最大變形量各增加0.31mm(↓)+0.08mm(←)。優化方案與原方案相比，最大變形出現的位置基本相同，優化方案的單榀桁架在豎直荷載作用下最大變形出現在頂部中間節點處，單榀桁架在水平荷載作用下最大變形同樣出現在沿高度方向中間偏上的位置。優化后方案中桿件最大應力大幅降低，大部分桿件應力較小，滿足強度設計要求。優化方案的單榀桁架布置較原方案施工空間增大許多，布局更加簡單，工人在其空間中更容易操作。優化方案減少了不同長度的桿件數量，利于工地工人查找與施工。

3.3 方案用鋼量對比

原方案用鋼量計算如表1所示，分為八角形外圍、梁、柱、斜撐、模板、配件等用鋼量分別計算，便于與優化后的方案對比。優化后方案用鋼量如表2所示。

表1 原方案支撐體系用鋼量

表2 優化后結構用鋼量

從表中直觀反映出原設計方案的單榀桁架用鋼量較優化方案用鋼量少，但是前后兩設計方案在縱向長度方向取10m，此時原設計方案需要5榀桁架，優化方案只需3榀桁架。且沿長度縱向需要角鋼連接每榀桁架，此時角鋼起連接作用，故取連接用角鋼L125×10，兩者用鋼量對比表如表3所示。

從表3中看出，優化方案用鋼量較原設計方案減少12.103t，根據市場價，暫取鋼材價格為4 800 元/t，本文忽略不同鋼材的價格變動。原設計方案成本為462 240元，優化方案成本為404 145.6元，優化后方案較原方案成本減少58 094.4元，即降低12.57 %。

表3 優化前后方案用鋼量對比

4 結論

異形清水混凝土洞體在工程中的應用日漸增加，而在施工過程中要求較高，又因洞體對環境要求高，使得在洞體施工過程中變形起控制作用。通過計算輕鋼結構的靜力承載性能，以及優化前后結構的用鋼量，可得如下結論：

(1)優化后的方案施工空間較原設計方案增大，利于現場工人的施工。

(2)單榀桁架用鋼量優化后多于原方案，但計算優化前后10m長度內桁架用鋼量，優化方案用量較原設計方案減少12.1t，成本降低58 094.4元，即降低12.57 %。

(3)優化前后方案變形趨勢一致，優化后方案節點最大變形值略微增大，豎向荷載作用下，節點變形較原方案增加0.31mm；水平荷載作用下，節點變形較原方案增加0.08mm。原設計方案少部分桿件應力較大，但優化后方案桿件的應力均較小，滿足強度設計要求。