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 歸洛圣1，程  斌1，丁  勇2，俞水良3

（1．上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海200240；2．寶鋼工程建設(shè)有限公司，上海201999；3．上海河道建設(shè)有限公司，上海201713）

[摘要]懸挑鋼結(jié)構(gòu)施工過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)是體系轉(zhuǎn)換施工，這很大程度上決定了施工安全性和構(gòu)件安裝精度。采用有限元軟件MIDAS對(duì)杭州西湖蘋果旗艦店的施工全過程進(jìn)行數(shù)值模擬，基于分析結(jié)果確定結(jié)構(gòu)在各施工階段下的應(yīng)力與變形最大截面位置，并在施工過程中進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明：有限元模型能夠較好地模擬該結(jié)構(gòu)在各施工階段下的受力狀態(tài)，并且有助于評(píng)判現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。通過計(jì)算分析與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，確保了結(jié)構(gòu)在整個(gè)施工過程中的應(yīng)力和變形始終處于容許范圍之內(nèi)。

[關(guān)鍵詞]鋼結(jié)構(gòu)；懸挑；施工；體系轉(zhuǎn)換；數(shù)值模擬；監(jiān)測(cè)

[中圖分類號(hào)]TU391[文章編號(hào)]1002-8498(2016)08-0092-05

0  引言

 近年來，建筑鋼結(jié)構(gòu)的形式日趨新穎復(fù)雜，相應(yīng)的施工技術(shù)要求也不斷提升。一些較為大型和復(fù)雜的懸挑鋼結(jié)構(gòu)，如重慶大劇院、上海新國際博覽中心、國家大劇院等，施工過程中普遍采用設(shè)置臨時(shí)支撐的方法，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換。如何在施工過程中保證主體結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐的應(yīng)力和變形符合規(guī)范，并且使得構(gòu)件的安裝精度滿足后續(xù)工序（包括非結(jié)構(gòu)件安裝）的要求，成為懸臂結(jié)構(gòu)施工中最為關(guān)鍵的問題。

 本文以杭州西湖蘋果旗艦店為例，給出了通過施工過程分析與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)雙重確保懸臂施工安全性和精確性的具體方法。

1  工程概況

 本工程為3層長懸挑鋼框架結(jié)構(gòu)，如圖1所示。1—3層的層高分別為5. 019，4.805，4.806m。主體結(jié)構(gòu)分為后場(chǎng)與前場(chǎng)部分，其中后場(chǎng)主框架結(jié)構(gòu)的柱網(wǎng)尺寸為13. 85m×3.05m，鋼柱采用焊接1700×750×25×40截面。前場(chǎng)部分為2層懸挑結(jié)構(gòu)，2層樓面共11根懸挑梁，懸挑長度10. 525m，采用焊接1750×(1 135～154)×25×40變截面；屋面共7根懸挑梁，懸挑長度11. 744m，采用焊接1550×(1 010~170) x20×35變截面。2，3層樓面采用總厚度為130mm的壓型鋼板一現(xiàn)澆混凝土組合樓板，2層懸挑區(qū)域外側(cè)局部鋪設(shè)混凝土預(yù)制板，屋面采用壓型鋼板。

 懸挑結(jié)構(gòu)施工采用臨時(shí)支撐法，即首先完成后場(chǎng)結(jié)構(gòu)安裝，并在懸挑梁自由端位置搭設(shè)臨時(shí)支撐；然后將鋼梁一端支承在臨時(shí)支撐上，另一端采用螺栓與后場(chǎng)結(jié)構(gòu)臨時(shí)固定；待鋼梁標(biāo)高調(diào)整到位后，進(jìn)行鋼梁根部截面與后場(chǎng)結(jié)構(gòu)之間的等強(qiáng)度焊縫連接；最后再拆除臨時(shí)支撐，完成卸載成型。圖2為臨時(shí)支撐的立面布置，支撐兩側(cè)設(shè)置纜風(fēng)繩保證平面外穩(wěn)定性。

 結(jié)構(gòu)外圍采用玻璃幕墻，后期裝修工程對(duì)主體鋼結(jié)構(gòu)的標(biāo)高誤差提出了很高的要求，因此同時(shí)采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法對(duì)施工全過程進(jìn)行分析和監(jiān)控，以確保施工安全性和構(gòu)件安裝精度。

2有限元分析

 采用有限元軟件MIDAS/Civil對(duì)施工全過程進(jìn)行數(shù)值模擬，各施工階段通過單元和荷載的增減來實(shí)現(xiàn)。有限元模型的構(gòu)件布置及截面尺寸嚴(yán)格按照結(jié)構(gòu)施工圖紙，整體模型如圖1所示。

 施工階段主要考慮結(jié)構(gòu)自重和施工荷載作用，其中鋼構(gòu)件自重通過軟件自動(dòng)考慮，其余各層荷載包括：①2層樓面：現(xiàn)澆混凝土樓板自重、預(yù)制混凝土樓板自重、施工臨時(shí)荷載；②3層樓面：現(xiàn)澆混凝土樓板自重、施工臨時(shí)荷載、堆載（用于模擬后期的空調(diào)、各種管道、減振阻尼器等裝修荷載）；③屋面：堆載（用于模擬后期的空調(diào)、各種管道、減振阻尼器等裝修荷載）。

 綜合考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)造、吊裝設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)條件等因素，整個(gè)施工過程分為16個(gè)階段，其中安裝后場(chǎng)結(jié)構(gòu)、安裝下層支撐及2層樓面懸挑梁、安裝上層支撐及屋面懸挑梁、安裝其他鋼構(gòu)件、拆除臨時(shí)支撐、澆筑混凝土樓板、屋面堆載等7個(gè)階段為關(guān)鍵階段，如圖3所示。需要指出的是，由于主體結(jié)構(gòu)竣工時(shí)樓屋面的各種設(shè)備（空調(diào)機(jī)組、管道、阻尼器等）尚未安裝，因此專門設(shè)立了一個(gè)樓屋面堆載施工階段，通過砂袋堆載對(duì)后期的裝修荷載進(jìn)行模擬和實(shí)測(cè)，從而確認(rèn)懸挑結(jié)構(gòu)的最終標(biāo)高也在設(shè)計(jì)容許范圍之內(nèi)。

3施工監(jiān)測(cè)

3.1監(jiān)測(cè)內(nèi)容

 1)鋼板應(yīng)變  在2層樓面11根縱向懸挑梁和2根橫向懸挑梁、屋面7根縱向懸挑梁以及2根鋼柱的根部位置截面（即計(jì)算應(yīng)力最大位置）設(shè)置總共92個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。

 2)豎向位移在2層樓面11根縱向懸挑梁和屋面7根縱向懸挑梁的自由端設(shè)置總共18個(gè)位移測(cè)點(diǎn)。典型的測(cè)點(diǎn)位置如圖4所示。

3.2監(jiān)測(cè)步驟

 1)對(duì)于拆除臨時(shí)支撐階段，施工開始前采集數(shù)據(jù)1次；然后對(duì)懸挑梁下的臨時(shí)支撐千斤頂進(jìn)行逐根卸載，每卸載一個(gè)梁端千斤頂采集數(shù)據(jù)1次；全部卸載結(jié)束后，再采集數(shù)據(jù)1次。

 2)對(duì)于澆筑樓面混凝土階段，施工開始前采集數(shù)據(jù)1次；混凝土澆筑過程中每1h采集數(shù)據(jù)1次；施工結(jié)束后再采集數(shù)據(jù)1次。

 3)對(duì)于樓屋面堆載階段，堆載過程中每1h采集數(shù)據(jù)1次；堆載結(jié)束后再采集數(shù)據(jù)1次。

4結(jié)果分析

4.1  臨時(shí)支撐驗(yàn)算

 首先對(duì)臨時(shí)支撐在懸挑結(jié)構(gòu)自重和各種施工荷載作用下的力學(xué)性能進(jìn)行了分析，結(jié)果表明臨時(shí)支撐梁的最大拉、壓應(yīng)力分別為23.4，- 25.5 M Pa，臨時(shí)支撐柱的最大壓應(yīng)力僅為- 24MPa，臨時(shí)支撐梁的豎向位移均小于2mm。因此，整個(gè)臨時(shí)支撐的剛度和強(qiáng)度均滿足要求。

4.2截面應(yīng)力

4.2.1  鋼柱

 本工程結(jié)構(gòu)共有前、后兩排柱，計(jì)算結(jié)果表明前排柱的應(yīng)力水平明顯高于后排柱，且前排柱中最外側(cè)的兩根邊柱截面應(yīng)力值最大，這是雙向彎曲應(yīng)力疊加造成的，因此重點(diǎn)對(duì)這2根鋼柱的截面應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

 圖5為拆除臨時(shí)支撐、澆筑混凝土樓板、樓屋面堆載3個(gè)施工階段累計(jì)下來的鋼柱應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比，可以看到實(shí)測(cè)值略高于計(jì)算值（最大誤差29%），鋼柱在這3個(gè)關(guān)鍵施工階段的應(yīng)力總增幅在31MPa以內(nèi)，整體應(yīng)力水平較低，滿足規(guī)范安全要求。

4.2.2懸挑梁

 1)拆除臨時(shí)支撐階段

 拆除臨時(shí)支撐之后，鋼梁將由兩端支承狀態(tài)轉(zhuǎn)換為一端懸臂狀態(tài)，鋼梁根部截面應(yīng)力和自由端豎向位移均將明顯增大。

 圖6a為2層樓面懸挑梁在拆除臨時(shí)支撐階段的截面應(yīng)力實(shí)測(cè)值及其與計(jì)算值的對(duì)比，可以看到，兩者誤差平均值和最大誤差分別為-1.15%和51%，整體應(yīng)力水平較低且符合預(yù)期。

 圖6b為屋面懸挑梁在拆除臨時(shí)支撐階段的截面應(yīng)力數(shù)據(jù)，應(yīng)力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值之間的誤差水平與2層樓面梁相當(dāng)，誤差平均值和最大值分別為14%和64%。截面各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)應(yīng)力值介于18.9~32. 6MPa，略高于計(jì)算結(jié)果17.8~29，2MPa，但同樣符合預(yù)期。

 2)澆筑混凝土樓板階段

 對(duì)于2層樓面，現(xiàn)澆混凝土樓板也是導(dǎo)致懸挑梁應(yīng)力和撓度增長較多的一個(gè)重要施工階段。圖7為2層樓面懸挑梁在該施工階段下的截面應(yīng)力實(shí)測(cè)值與其計(jì)算值對(duì)比，實(shí)測(cè)應(yīng)力誤差的平均值和最大值分別為24%和79%，處于可接受范圍之內(nèi)。從應(yīng)力水平來看，截面各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)應(yīng)力值介于2.5~20. 5MPa，與拆除下層臨時(shí)支撐施工階段基本相當(dāng)，應(yīng)力水平同樣較低且符合預(yù)期。

 3)樓屋面堆載階段

 圖8a為2層樓面懸挑梁在樓屋面堆載階段的截面應(yīng)力實(shí)測(cè)值及其與計(jì)算值對(duì)比，兩者誤差平均值和最大值分別為16%和85%。各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力水平較低(6.6~  21. 4MPa)，與計(jì)算結(jié)果(5.3~20. 9MPa)也比較吻合。圖8b為屋面懸挑梁截面的應(yīng)力對(duì)比情況，各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)應(yīng)力值介于12.1~33. 4MPa，略高于計(jì)算值范圍(10.3~26. 7MPa)。

 4)施工階段累計(jì)

 圖9a反映了從拆除臨時(shí)支撐到樓屋面堆載結(jié)束整個(gè)懸臂施工過程的懸挑梁截面應(yīng)力疊加值對(duì)比。實(shí)測(cè)應(yīng)力累計(jì)在13.9~45. 3MPa，顯著低于鋼材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。實(shí)測(cè)值與計(jì)算值相比的誤差最大值為36%。圖9b為屋面懸挑梁的相應(yīng)數(shù)據(jù)累加結(jié)果，實(shí)測(cè)誤差與2層樓面梁相比更大，實(shí)測(cè)應(yīng)力值( 31.0~61. 7MPa)也更高，但仍然顯著小于鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

 可以認(rèn)為，施工過程有限元分析和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)均正確反映了本工程結(jié)構(gòu)在懸臂施工階段的真實(shí)受力狀態(tài)，并為整個(gè)施工過程提供了實(shí)時(shí)的安全保障。

4.3豎向位移

 本項(xiàng)目的外圍玻璃幕墻安裝工程對(duì)鋼結(jié)構(gòu)安裝精度的要求較高，設(shè)計(jì)對(duì)2層樓面和屋面懸挑梁的外端標(biāo)高提出了±25mm（相對(duì)于設(shè)計(jì)標(biāo)高）的要求，因此懸挑梁豎向位移監(jiān)控也是施工過程中的一個(gè)重要內(nèi)容。此外，為確保最終竣工結(jié)構(gòu)的平順性（最終標(biāo)高一致），設(shè)計(jì)還對(duì)不同懸挑梁設(shè)置了不同的預(yù)拱度值，這也給鋼結(jié)構(gòu)安裝的精度控制增加了難度。

 表1和表2分別給出了2層樓面和屋面懸挑梁在各主要施工階段的豎向位移值以及實(shí)測(cè)標(biāo)高值。可以看到，在拆除臨時(shí)支撐、現(xiàn)澆混凝土樓板、樓屋面堆載這3個(gè)主要施工階段下，盡管豎向位移實(shí)測(cè)值與計(jì)算值之間存在誤差，但最終累計(jì)下來的2層樓面和屋面懸挑梁外端位移偏差分別在16mm和8mm以內(nèi)，梁端最終實(shí)測(cè)標(biāo)高與設(shè)計(jì)標(biāo)高的誤差值均在可接受范圍內(nèi)。

 由此可見，基于數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行預(yù)判，并通過控制每一個(gè)施工階段的懸挑梁外端豎向位移值在合理接受范圍，即可確保懸挑結(jié)構(gòu)的最終標(biāo)高滿足設(shè)計(jì)要求。

5結(jié)語

 本文通過對(duì)某長懸挑鋼結(jié)構(gòu)的施工全過程進(jìn)行數(shù)值模擬和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保結(jié)構(gòu)在各施工階段下的截面應(yīng)力與梁端變形始終處于設(shè)計(jì)容許范圍之內(nèi)。結(jié)果表明理論分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)均取得了良好的工程效果，對(duì)今后類似結(jié)構(gòu)的懸臂施工具有參考與借鑒意義。