移動桁架作業平臺在雙螺旋結構改造施工中的應用*

鄒 紅，梅建軍，張明亮

(1.湖南省第二工程有限公司，長沙 湖南 410075；2.湖南建工集團有限公司，長沙 湖南 410075)

1 工程概況

1.1 工程背景

梅溪湖城市島雙螺旋鋼結構工程于2015年竣工，城市島被梅溪湖環抱雙螺旋鋼結構體是休憩與觀景的較佳場所(見圖1)。雙螺旋鋼結構主要構件為內、外環螺旋薄壁梁及斜柱。內外環螺旋梁均通過牛腿與斜柱連接，處于懸挑狀態；斜柱之間通過拉桿形成一個穩定體系。此雙螺旋鋼結構工程設計新穎，在國內外尚屬首創，如圖2～4所示。

圖1 城市島效果

圖2 斜柱典型橫斷面

圖3 內環細部

圖4 外環細部

然而此結構在運營后，由于外界環境的侵蝕與荷載的反復作用，結構中很多構件出現了不同程度的腐蝕與掉漆現象，嚴重影響結構外觀，因而結構品質維養與提升迫在眉睫。

1.2 維養改造施工環境條件

結構服役一段時間后，為能及時修復結構構件中存在的質量問題與外觀缺陷，根據現場實際，利用腳手架平臺，發展了維養改造施工作業方法[1-6]。然而腳手架施工平臺在雙螺旋鋼結構維養作業應用中存在如下弊端。

1)通往城市島的唯一通道為1條人行橋，參照設計規范要求[7]，人行橋設計荷載采用組合Ⅰ標準：活荷載(基本可變荷載-人群荷載3.5kN/m2)+恒荷載(永久荷載-自重)。因重型車輛(偶然荷載)使人行橋設計荷載超限等問題，對架管運輸等造成極大不便。

2)城市島地面埋設有大量地埋燈，在重載作用下易受損，車輛通行受限很大。

3)本工程工期較短，腳手架施工平臺搭設時間較長，施工周期得不到保證，并且竣工后腳手架拆卸也較為繁瑣。

4)腳手架平臺搭設成本較高。

5)目前腳手架搭設以經驗性操作居多，缺乏整體承載力及變形要求的驗算。

鑒于此，現場工程技術人員開發了2種相似的移動桁架作業平臺，供內、外螺旋薄壁梁涂刷作業使用。應用表明，此作業平臺安全、便于操作，縮短了施工周期，節約了成本，為后續螺旋鋼結構改造維養作業積累了寶貴的施工技術經驗。

2 作業平臺設計

由于內、外環螺旋體薄壁梁尺寸的差異性，共設計2種結構形式類似、尺寸稍有變化的移動桁架作業平臺：外環作業平臺(用于外環螺旋薄壁梁腹板涂刷作業)主要由上部桁架、懸挑端組成，共由260根方形薄壁鋼管構成；內環作業平臺(用于內環螺旋薄壁梁腹板與側面涂刷作業)由上部桁架、懸挑端及升降梯組成，由304根方形薄壁鋼管構成(包括升降梯)。作業平臺立面如圖5所示。

圖5 作業平臺立面

3 施工過程有限元模擬

作業平臺的基本構件為方形薄壁鋼管，為細長桿件，采用beam梁單元進行模擬[8]。不同類型構件參數如表1所示。

表1 有限元模型構件參數

3.1 荷載工況

本桁架結構安全等級為Ⅰ級、不考慮地震作用、短暫設計基本組合公式[9]；結構重要性系數取為1.1，永久作用分項系數取1.3，可變作用分項系數取1.5，設計年限荷載調整系數取0.9。按照最不利工況驗算滑動車構件的最大變形、內力、軸力等。

3.2 分析結果

1)由圖6可知，在最不利荷載工況組合下，外環、內環作業后最大豎向撓度分別為3，1mm，滿足相關設計規范要求[10]。

圖6 桁架構件變形(單位：m)

2)由圖7可知，外環、內環作業平臺方管最大軸向拉應力分別為7.5，5.8MPa，遠小于方管(Q235鋼材)抗拉強度，施工作業中不會產生構件拉斷現象。

圖7 桁架構件軸向應力(單位:Pa)

3)由圖8可知，外環、內環作業平臺節點處方管最大內應力分別為30.5，33.3MPa，滿足GB 50661—2011《鋼結構焊接規范》焊縫的抗拉強度要求[11]。同時，為進一步加強關鍵節點的焊縫強度，進行鋼板補焊。

圖8 桁架構件內力(單位：Pa)

4 作業平臺施工流程

移動桁架作業平臺施工流程如圖9所示。

圖9 作業平臺施工流程

4.1 雙螺旋結構圖紙會審

城市島雙螺旋鋼結構首次進入維養期，維養作業平臺無經驗可鑒，因此，設計桁架前，懸挑部分傾斜角度需安排專業施工技術人員，按結構設計圖紙進行縝密計算，否則在移動過程中，會使桁架與螺旋結構刮擦，不便于現場作業。同時，雙螺旋結構梁面布置了不規則的花壇體系，因此，桁架上部結構所預留的空間也需按照設計圖紙進行嚴密計算，否則對移動與施工均不利。

4.2 桁架現場調試運行

薄壁梁體梁面由于有花壇區域，并且花壇區域位置與形狀不統一，為確保滑車能順利沿著螺旋體移動，將梁面用石灰撒出2條較明顯的滑行軌跡，使整個滑車沿石灰線移動試運行。

4.3 鋼絲繩固定

為保證作業平臺在使用過程中不發生傾覆與滑移，在桁架上部設置4根鋼絲繩，鋼絲繩與梁面龍骨固定；懸挑端末端均設置1根鋼絲繩掛于梁腹板天鉤處。

在實際工程中，鋼絲繩一般為軸向受拉狀態，且在各截面處軸力相等。因此，每根鋼絲繩無論長短，在ANSYS中都定義為1個分析單元(link8)與實際工程較吻合。由計算可知，桁架不同位置處的鋼絲繩軸向力為0.93～2.63MPa，遠小于表1所示鋼絲繩抗拉強度。

4.4 懸挑端與升降梯刷漆作業

由有限元分析結果可知，懸挑部分可承受3kN施工荷載，能容納2個刷漆工人同時進行刷漆作業；升降梯可承受1.5kN施工荷載，能容納至少1個人進行施工作業。這樣在確保滑車變形滿足要求的前提下，能加快維養施工進度。

4.5 移動桁架作業平臺

根據懸挑端個人作業范圍約為2m，因此每次刷漆作業完畢，滑車往前移動距離為2m最佳；懸挑端與升降梯內作業人員此時必須全部撤出，此間按照之前所設定的石灰線，須安排4個人緩慢均勻地推動桁架。

5 效益分析

5.1 經濟效益

本工程巧妙設計2個移動桁架，較為恰當地回避了傳統維養施工作業造價高之弊端，本施工工藝與傳統施工工藝綜合費用對比如表2所示。

表2 造價分析(腳手架/移動桁架作業平臺)

由表2可知，本作業方法較傳統方法(鋼管腳手架作業平臺)造價低(節約造價近220萬元)、工期短，其中經濟效益的最大“貢獻者”為機械使用臺班費與人工費。

5.2 社會效益

有限元計算分析結果與現場施工情況表明，作業平臺構件變形小、方管內力、軸向力與焊接縫受力均能滿足安全施工生產的要求；作業平臺自重較小(約為2.3t)，現場操作方便、安全；施工現場無噪聲與粉塵污染。

6 結語

1)作業平臺設計方法合理、過程較為簡單，易于現場工人掌握。

2)基于ANSYS的數值模擬中，考慮了材料本身的非線性，用beam189單元模擬作業平臺車內力與變形較為合理。分析結果表明，在最不利荷載條件下，焊縫強度、鋼絲繩拉力、構件撓度、傾覆、方管軸向力與內力均遠小于允許值。

3)實際操作表明，平臺易于移動，操作簡單；操作平臺幾乎無晃動，作業人員的安全得到了保證。