基于鋼結構大跨度連廊起拱問題的解決方案

陳倩云 王 濤 李 煬

中建三局第三建設工程有限責任公司 湖北 武漢 430074

在大跨度結構中，結構自重以及上部荷載所產生的結構變形，對結構施工及使用過程中的安全性、舒適度的影響是不可忽略的。對于大跨度鋼結構，控制跨中下撓度變形是研究的重點。目前，控制跨中撓度的方法主要有3種：一是增加永久性的跨中立柱，但影響建筑美觀，當下部無可靠支撐點時，在設計、施工上存在一定難度；二是在鋼結構箱梁中設置預應力拉索，但存在預應力筋張拉、錨固流程煩瑣，施工界面要求高等難點；三是采用結構預起拱方式，該方法造價低，工藝簡單，可在工廠加工時預先弧線起拱，也可在施工現場拼裝過程中起拱，應用廣泛[1-7]。

1 工程概況

湖北省國網電力調度通信樓工程14—15層之間為大跨度鋼桁架矩形連廊，截面形式由箱形和工字形組成，板厚區間40～60 mm，連廊底標高58.75 m，頂標高67.15 m，平面尺寸約為77.6 m×11.9 m，鋼連廊總噸位約1 050 t。

2 起拱方式的選擇

本工程采用地面拼裝提升器整體提升的方式進行施工，結構預變形（起拱）在連廊整體提升前完成。目前，預起拱方式主要有3種：

1）弧線起拱：該起拱方式主要適用于小型鋼結構構件的起拱，其起拱過程是計算起拱弧度后由工廠進行定制加工起拱，制作完成后的構件呈現輕微的弧形，理論上與結構的變形函數曲線吻合。其起拱效果相對來說也是比較好的，但是起拱制作過程比較復雜，鋼構件在工廠加工制作的周期也會相應延長。

2）折線起拱：該起拱方式是對鋼構件進行分段設計、分段加工后，在現場拼裝過程中，通過調節鋼構件下部支撐的頂面標高來完成各段構件的起拱，從而實現整體鋼結構的起拱。此種起拱方式相對于弧線起拱，施工工藝較為簡單且便于操作，但可能存在因折線角度過大引起焊縫尺寸變化的問題，這一點在結構分段設計時必須充分考慮。

3）直線起拱：與折線起拱類似，作為折線起拱的簡化方式，僅在跨中起拱，也僅適用于小型結構的起拱，實際起拱曲線與結構變形函數存在較大誤差。

該工程鋼結構跨度79 m，作為大跨度結構單點直線起拱誤差偏大，且結構構件截面尺寸較大，弧線起拱存在一定的制作難度。通過對工程造價、工期、施工工藝等方面的綜合比較分析，最終采用折線起拱方式施工。

3 起拱參數的確定

目前我國規范對于鋼結構起拱的要求尚不明確，施工中常按鋼結構規范中所規定的結構下撓變形極限值（即總跨度的1/500）進行起拱，但是這種方法僅適用于直線起拱，對于折線起拱，不但無法確定起拱折線的各節點的起拱高度，而且由于材料本身的偏保守設計，施工完成后的大跨結構下撓變形值會遠小于1/500。因此，為保證結構起拱的科學性，將采用Midas Gen對結構施工過程進行模擬，獲取起拱折線各節點下撓數值以應用于結構反變形施工。

對于鋼結構提升過程中的模擬，由于為動態提升過程，故取1.4倍的動力放大系數，邊界條件為上弦4個腳點的Z向一般支撐，其計算結果如圖1所示。提升過程中的最大變形出現在下弦跨中，最大位移值為－34 mm，小于鋼結構規范所要求的長度的1/400＝195 mm，可認為鋼結構提升過程中的剛度是足夠的。但此次模擬的各項數值不能作為結構起拱參數，原因在于提升時的邊界條件和受力狀態與安裝完成后的結構存在較大差異，且鋼結構上相關裝飾工程的施工也會對結構質量和剛度產生一定的影響。因此，為保證數據的準確性，需對吊裝完成后的結構，在該模型的基礎上調整支撐條件和荷載分布情況后重新計算。

圖1 提升過程中桿件變形

對于結構安裝完成后的模擬，先增加實體結構構件，同時改變邊界條件為一端固定，一端單向滑動支座。為擬合出較吻合的實際工況荷載組合系數，根據鋼結構設計規范，采用3組荷載組合進行模擬，分別為純自重荷載、1恒載＋0.5活載、1.2恒載＋1.2活載，計算數據見表1。同時現場將采用1恒載＋0.5活載的荷載組合所計算出的節點變形數值進行結構反變形施工，由于施工誤差對起拱過程的影響，在位移計算結果上給予一個變形損失系數（本文中取1.3），即控制2號節點與6號節點高差h＝1.3×（69.254－22.08）＝61.326 mm，反向施加于結構上（圖2）。

4 實際監測數據對比分析

為獲取實際的鋼連廊形變數值，在鋼連廊2、6、10（24、28、32）的6個節點上設置反射棱鏡，并采用全站儀測取監測點的初始高程以及施工完成后的最終高程，監測數據見表2。

表1 不同荷載組合下構件節點變形的模擬數據

圖2 連廊模型節點示意

表2 結構模擬數值與實測數值對比 單位：mm

由表格中的數據分析可知，采用1恒載＋0.5活載的荷載組合進行鋼連廊下撓變形得出的計算數據是比較準確的。同時還注意到一個問題：由于各節點下撓變形數值是增加系數之后反向施加于結構之上的，所以從理論上來說表格中的實際起拱值應在61.326 mm左右浮動，但實際測取左右弦的起拱數值分別為49.09 mm和50.28 mm，存在一定的誤差。通過分析施工過程，對于此次誤差，提出了以下幾點可能（圖3）：

1）此次鋼結構起拱是采取控制各節點鋼支墩頂面標高的方式實現的，鋼連廊本身自重過大導致下部鋼支墩產生了較大的彈性變形，引起了起拱高度的誤差。

2）拱結構會在支座上產生水平側向力，在實際施工中僅采取在連廊側面焊接短鋼板的方式進行側向支撐，由于短鋼板在拱結構水平力的作用下會產生一定的變形，因此沒有可靠的水平支撐，也使得實際起拱時損失了一定的高度值。

圖3 Midas Gen中的結構計算模型

5 結語

通過此次模擬和實測數據的對比分析，可以得出以下結論：

1）現行鋼結構施工規范中并未給出鋼結構起拱的具體方法以及起拱度數值，對于大跨度鋼結構起拱高度的選擇，若直接采用1/500進行起拱，通常情況下會導致結構拱度偏大，施工完成后結構仍存在較大殘余拱度，其在支座上產生的水平力反力可能會對結構本身產生一定影響，同時也會降低結構使用過程中的舒適度。因此通過有限元軟件進行模擬，采用模擬數據反方向施加于結構之上的起拱方案是具有一定科學性的，而模擬中選取1恒載＋0.5活載的荷載組合，通過實際驗證是比較合理的。

2）由于實際施工中可能存在鋼支墩的彈性變形和無可靠側向支撐的問題，會導致實際起拱高度產生損失，而損失的程度需要視現場實際施工情況而定。采取一些可靠的措施減小起拱高度的損失是很有必要的。因此，在模擬出鋼結構下撓變形數據后建議添加拱度損失放大系數，以此抵消起拱高度的損失。