天投國際商務中心組合臨時支撐結構體系穩定性研究*

茆 春，尹 飛，張 晗，王化杰，錢宏亮

(1.中交二航局第四工程有限公司，安徽 蕪湖 241000； 2.哈爾濱工業大學(威海)土木工程系，山東 威海 264209)

0 引言

超厚底板為超高層建筑基礎的重要組成部分，超厚底板臨時支撐結構作為混凝土澆筑平臺，可有效保證底板施工質量與安全。成都天投國際商務中心建筑高度284.4m，采用樁筏基礎，超厚底板厚度達3m，純鋼筋支撐難以滿足承載要求，因此，采用槽鋼與鋼筋組合臨時支撐結構體系。然而，國內外對該類支撐的研究較少，缺乏有關試驗數據及合適、完善的設計理論或規范規定，JGJ 300—2013《建筑施工臨時支撐結構技術規范》、JGJ 130—2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》對圓管臨時支撐結構體系進行了規定，但未對槽鋼與鋼筋組合臨時支撐結構體系進行規定。近年來，臨時支撐安全事故不斷發生，需對槽鋼與鋼筋組合臨時支撐結構體系安全性進行研究。根據本工程臨時支撐形式與尺寸，現場設計并制作3榀支撐，通過靜載試驗及有限元分析，得到支撐體系安全系數，保證底板施工安全。

1 靜載試驗

1.1 支撐設計與制作

現場靜載試驗用臨時支撐由9根立柱及支座、3根橫梁、12根柱間系桿、2根掃地桿和6道剪刀撐組成，如圖1所示。支座、立柱、掃地桿、橫梁均采用[5，剪刀撐采用φ14鋼筋，各桿件接觸點均采用焊接連接。槽鋼框架長3m、寬2.8m、高2.5m，柱間距均為1.4m。

圖1 試驗用臨時支撐

1.2 試驗設備

采用HIT智能結構靜態測試系統及MCU-32型分布式模塊化自動測量單元，分別采集電阻應變片數據和振弦式表面應變計數據，可實時處理、儲存和顯示數據。根據平截面假定計算截面形心應變，在第1排右柱、第2，3排柱1/2高度處分別粘貼3個應變片；在3根橫梁底面共粘貼6個應變片；在第1排左柱、中柱及第2排中柱1/2高度處分別安裝3個應變計，預測中柱受力最大，故在中柱1/4高度處增設3個應變計。

1.3 加載方案

由于臨時支撐框架結構較高，考慮采用人工砂石加載不方便，可能造成試驗數據波動較大，綜合考慮后采用現場向水桶內注水的方式加載。水桶為半透明塑料桶，直徑1.6m，高2m，厚5mm，重約0.5t，注水速度約25L/min，最大容重約4t，試驗前在水桶周圍用記號筆做好標記，定時觀測水深。

框架結構上層鋼筋網片由2層雙向φ28@150鋼筋人工綁扎制成，長度、寬度均為3m。為防止吊裝變形，部分綁扎部位采用點焊，鋼筋網片總重約1.2t。

鋼筋網片和水桶均由塔式起重機吊裝，人工輔助對中。受現場人員和設備干擾，注水前試驗數據波動較大，不具研究價值。出于現場人員安全和保護測量儀器考慮，未注水至結構失穩，最大水重約2.6t。

1.4 試驗結果與分析

試驗結果表明，粘貼應變片的各立柱應變曲線波動較大，出現尖銳毛刺。而安裝應變計的各立柱應變曲線較光滑，應變連續穩定變化，這是因為應變計抗干擾能力較強，得到的試驗數據連續性較好。因此，應采用應變計監測變形結果。第2排中柱同時使用應變片和應變計進行監測，應變曲線變化趨勢一致，吻合較好，表明測量結果較準確。

2 有限元分析

由于試驗僅得到結構在指定荷載作用下的響應，未加載至整體失效，為得到結構穩定承載力，建立有限元模型進行數值模擬分析，根據模擬結果提出有益建議。

2.1 槽鋼初始彎曲

初始缺陷是影響組合臨時支撐結構體系穩定承載力的重要因素，應考慮初始缺陷的影響。因此，對初始缺陷進行測量，為精細化建模提供缺陷數據。槽鋼初始彎曲統計結果如表1所示。

表1 槽鋼初始彎曲

2.2 模型建立

立柱、掃地桿、橫梁和鋼筋網片均采用Beaml88單元模擬，水桶采用Shell281單元模擬，有限元模型如圖2所示。將每根立柱打斷成50段并改變節點坐標，添加正弦曲線形式的初始彎曲。考慮梁單元碰撞，根據構件真實空間位置建模，水桶底面通過劃分硬點與鋼筋網片相應節點耦合連接，橫梁與鋼筋網片采用耦合方式連接，槽鋼開口方向、空間形狀等均與現場試驗保持一致，鋼材應力-應變曲線采用折線簡化模型，桿件節點采用剛接，支座釋放弱軸方向轉動約束，并模擬注水加載。

圖2 有限元模型

2.3 結果分析

由于現場試驗應變片數據波動較大，主要利用應變計數據對有限元模型進行校核。第1排左柱、中柱及第2排中柱應變曲線如圖3所示。由圖3可知，應變計數據與模擬數據吻合較好，驗證了模擬方法的準確性。

圖3 立柱應變曲線

2.4 穩定性評估

為得到組合臨時支撐結構體系穩定承載力，在鋼筋網片上方施加均布荷載，并進行非線性屈曲分析。以結構切線剛度矩陣奇異為控制指標，得到模型在均布荷載作用下的穩定承載力為163.3kN，極限狀態下的支撐體系應力云圖如圖4所示。

圖4 支撐體系應力云圖

根據《建筑施工臨時支撐結構技術規范》的規定，臨時支撐結構體系穩定性計算荷載設計值為：

F=1.35×(G1+G2+G3)+1.4Q1=57.1kN

(1)

式中：G1，G2，G3，Q1分別為被支撐結構自重、支撐結構自重、其他材料自重、施工荷載。

根據天投國際商務中心超厚底板施工荷載調研結果，99%保證率下臨時支撐結構體系施工荷載為1.37kN/m2，因此，按調研結果得到的穩定性計算荷載設計值F=54.8kN。

對應《建筑施工臨時支撐結構技術規范》的規定和荷載調研結果，天投國際商務中心超厚底板組合臨時支撐結構體系穩定承載力安全系數分別為2.9，3.0，說明該體系具有較高的安全儲備，可滿足施工安全要求。

3 結語

依托天投國際商務中心工程，設計并完成超厚底板組合臨時支撐結構體系現場加載試驗，得到該體系在指定豎向荷載作用下的響應。由于試驗僅得到結構在指定荷載作用下的響應，未加載至整體失效，為得到結構穩定承載力，建立考慮初始彎曲的組合臨時支撐結構體系精細化有限元模型，并對加載試驗進行模擬。模擬結果與試驗結果吻合良好，驗證了模擬方法的準確性。經計算，組合臨時支撐結構體系在豎向均布荷載作用下的穩定承載力為163.3kN，具有較高的安全儲備，可滿足施工安全要求。