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 白  潔，葛  杰，苗冬梅，馬榮全

 （中國建筑第八工程局有限公司工程研究院，上海200122）

[摘要]大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工過程是由局部到整體的過程，結(jié)構(gòu)未成型之前尚不能完全靠自身承載或保持穩(wěn)定，因此在其建造過程中需臨時支撐。然而目前臨時支撐多根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置，設(shè)置數(shù)量往往偏于保守，加之臨時支撐體系的加工制作、安裝以及后期拆除均須耗費大量的人力、物力和時間，因而有必要對臨時支撐體系進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)以往施工案例總結(jié)了大跨度鋼結(jié)構(gòu)臨時支撐體系的布置原則，并以中國博覽會會展綜合體項目為例，提出了大跨度鋼結(jié)構(gòu)臨時支撐體系的優(yōu)化方法。

[關(guān)鍵詞]鋼結(jié)構(gòu)；臨時支撐；安裝；優(yōu)化

[中圖分類號] TU746.3  [文章編號]1002-8498(2016)09-0017-04

1  臨時支撐體系的作用

 大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工過程是由局部到整體的過程，結(jié)構(gòu)未成型之前尚不能完全靠自身承載或保持穩(wěn)定，通常需要在安裝階段預(yù)先搭設(shè)臨時支撐，在結(jié)構(gòu)安裝完成后，再按照預(yù)定的方法及順序拆除這些臨時支撐。臨時支撐在施工過程中有如下作用：①為主體結(jié)構(gòu)的高空安裝提供操作平臺；②保持已安裝結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性；③減小安裝過程中主體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形；④提高主體結(jié)構(gòu)施工過程的安全性及安裝精度。

2  臨時支撐體系的布置原則

 設(shè)置臨時支撐幾乎是所有大跨度結(jié)構(gòu)安裝過程中必然遇到的問題，但是臨時支撐改變了結(jié)構(gòu)的設(shè)計受力狀態(tài)，可能會造成臨時支撐點處及附近區(qū)域的桿件內(nèi)力加大，引起安裝過程中結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞。如何選擇一個適合大跨度空間結(jié)構(gòu)臨時支撐布置，保證結(jié)構(gòu)安裝的安全可靠性而又符合現(xiàn)場下部結(jié)構(gòu)形式便于施工，成為一個值得探討的問題。

 臨時支撐的布置與結(jié)構(gòu)的施工方法有關(guān)。空間鋼結(jié)構(gòu)的常用施工方法有高空散裝法、吊裝法、滑移法、整體提升法、整體頂升法等。高空散裝法常采用滿堂腳手架布置；滑移法結(jié)構(gòu)在腳手架平臺上安裝；吊裝法、整體頂升法或整體提升法施工時由于結(jié)構(gòu)跨度較大，通常在結(jié)構(gòu)上設(shè)置多個臨時支撐點，這些支撐點通�？梢酝ㄟ^拉桿或者斜撐形成一個整體。

 當(dāng)大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工需要設(shè)置多個臨時支撐點時，其設(shè)置的基本原則如下：①根據(jù)主體結(jié)構(gòu)與施工區(qū)段的劃分，分塊進(jìn)行臨時支撐的設(shè)置；②臨時支撐的設(shè)置應(yīng)與施工吊裝方案設(shè)計相結(jié)合，保證吊裝過程中已安裝結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；③對于基本對稱的結(jié)構(gòu)，一般可按經(jīng)驗方法在屋蓋平面的中心或者桁架平面投影的中點設(shè)置一臨時支撐，其余支撐按對稱原則設(shè)置；④充分利用主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減少不必要的臨時支撐�？稍谥麒旒芟略O(shè)置部分臨時支撐，待主桁架分段吊裝完畢后，將主桁架作為次桁架安裝的支撐點。

3  臨時支撐體系的優(yōu)化方法

 大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工過程中用到的臨時支撐數(shù)量大，規(guī)格多。為滿足施工要求，需要投入大量的人力、物力和時間進(jìn)行臨時支撐的加工制作、安裝以及后期拆除。因而，對臨時支撐體系進(jìn)行優(yōu)化對縮短施工時間、節(jié)省施工費用很有必要�？梢詮呐R時支撐體系設(shè)計、布置、使用等方面進(jìn)行優(yōu)化。①采用通用組合式臨時支撐；②提高臨時支撐循環(huán)利用率；③優(yōu)化吊裝順序、減少臨時支撐；④合理減少懸挑端臨時支撐數(shù)量。

3.1  采用通用組合式臨時支撐

 在大跨度鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中，需要利用各種各樣的胎架，以方便安裝、控制構(gòu)件幾何精度，若這些胎架不具備互換性，往往當(dāng)一種產(chǎn)品完工后，與之相應(yīng)的胎架便失去了作用，所有工程竣工后鋼結(jié)構(gòu)施工胎架必然會造成長期閑置并帶來浪費。這樣不僅增加了制造成本，而且延緩了生產(chǎn)進(jìn)度、降低了勞動生產(chǎn)率。因此，研制具有互換性、通用性且簡便易操作的胎架對鋼結(jié)構(gòu)制造非常必要。

 以中國博覽會會展綜合體項目為例，該項目采用的臨時支撐為格構(gòu)柱，由底座、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)、頂部平臺組成。格構(gòu)柱布置于桁架下方，承受桁架自重及安裝活荷載，格構(gòu)柱設(shè)置在16m樓板上，樓板下方由格構(gòu)柱頂緊支承。格構(gòu)柱根據(jù)高度不同共分41，27，7m 3種類別，如圖1所示。格構(gòu)柱均采用4根鋼管（ɸ159×8）為主肢、圓管（ɸ133×6）為綴條組成的格構(gòu)式截面，管中心間距為2 000mm×2 000mm，材質(zhì)為Q345B。臨時支撐在使用完畢后可以將標(biāo)準(zhǔn)節(jié)進(jìn)行循環(huán)再利用。

3.2提高臨時支撐循環(huán)利用率

 大跨度鋼結(jié)構(gòu)若采用分區(qū)安裝的方法，當(dāng)一塊 區(qū)域的鋼結(jié)構(gòu)安裝完畢并形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)后，可以將該區(qū)域的臨時支撐拆除，并將其倒運至新的安裝區(qū)域，實現(xiàn)臨時支撐的循環(huán)利用，提高臨時支撐的利用率。以中國博覽會會展綜合體項目為例，該項目的典型施工步驟如下：①第1步  安裝C-1，C-2單元桁架臨時支撐，安裝C-1，C-2單元桁架(見圖2a)；②第2步安裝C-3，C-4單元桁架臨時支撐，安裝C-3，C-4單元桁架（見圖2b）；③第3步  拆C1，C2單元桁架臨時支撐，安裝C-5，C-6單元桁架臨時支撐，安裝C-5，C-6單元桁架（見圖2c）。

3.3優(yōu)化吊裝順序、減少臨時支撐

 中國博覽會會展綜合體項目通過如下2種施工方案的比選，確定了一種支撐數(shù)量最少的安裝方案，實現(xiàn)了108m跨三角管桁架的無支撐安裝。其中108m跨桁架位置如圖3a所示，縱向連系桁架位置如圖3b所示。

 1)方案1在108m跨桁架中部下方加設(shè)臨時支撐，將其分為2段，每段長54m，質(zhì)量為31~47t。 

2)方案2 108m跨桁架中部不設(shè)置臨時支撐，而是先安裝縱向連系桁架，利用縱向連系桁架作為支撐。108m跨桁架分為2段，每段長度為54m，質(zhì)量為31~47t;縱向連系桁架處跨度為36m。方案2利用提前安裝的相鄰2榀桁架以及36m跨縱向轉(zhuǎn)換桁架，實現(xiàn)了108m跨三角管桁架的無支撐安裝。

3.4合理減少懸挑端臨時支撐

 中國博覽會會展綜合體項目C1區(qū)屋面兩側(cè)有最大39m的大跨度懸挑段。原施工方案在懸挑端設(shè)置了臨時支撐，位于圖4所示兩側(cè)方框內(nèi)�？紤]到該懸挑段受力受相鄰榀桁架影響不大，且施工階段與設(shè)計階段的荷載、邊界條件等差異不大，有必要通過分析計算驗證該懸挑段的臨時支撐是否可以取消。

 采取有限元軟件MIDAS中的施工過程模擬模塊對取消懸挑端臨時支撐后的施工過程進(jìn)行模擬分析，分析采用2種荷載組合：①1.0D+1.0L;②1. 35D+1.4×0.7L。其中D表示恒荷載，L表示施工活荷載，取1.0kN／m2。

 荷載組合1下各施工步懸挑端的z向最大位移分析結(jié)果如表1所示。荷載組合2下各施工步的最大應(yīng)力計算結(jié)果與最大應(yīng)力比驗算結(jié)果如表2所示。

 由表1可知，懸挑端最大豎向位移為- 101. 90mm。根據(jù)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ7-

2010  3.5.1節(jié)規(guī)定空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在恒荷載與活荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下的懸挑端最大撓度值不宜超過L／125（L為懸挑跨度）。結(jié)構(gòu)最小懸挑長度為17m，懸挑端撓度限值為17 000/125=136mm>101. 90mm。因此，結(jié)構(gòu)在施工期間的撓度值滿足規(guī)范要求。

 由表2可知，在各施工步下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為80. 48MPa，小于構(gòu)件的強(qiáng)度設(shè)計值f=310N/mm2，各施工步下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力比為0. 35<1.0，故取消懸挑段支撐后，結(jié)構(gòu)在施工過程中是安全的。

 實際施工操作時，可采用起重機(jī)輔助下的焊接工藝完成懸挑段安裝。

3.5  臨時支撐優(yōu)化結(jié)果對比分析

 將108m跨中和懸挑段均有支撐、108m跨中和懸挑端均無支撐這兩種支撐布置方式下的施工過程模擬分析結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如下。

 上述2種支撐布置方式下，荷載組合1計算得到的各施工步懸挑端最大豎向撓度計算結(jié)果如圖5所示。由圖可知，懸挑端無支撐的計算結(jié)果略大于懸挑端有支撐的計算結(jié)果，但施工完畢后2種支撐布置方式得到的懸挑端豎向撓度計算結(jié)果差異不大。

 上述2種支撐布置方式下，荷載組合2計算得到的各施工步構(gòu)件最大應(yīng)力比結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，2種支撐布置方式下各施工步構(gòu)件的最大應(yīng)力比均<0.5。懸挑端有支撐的應(yīng)力比在第8施工步較懸挑端無支撐的應(yīng)力比明顯增大，最大應(yīng)力比桿件位于懸挑端臨時支撐附近，說明懸挑端的臨時支撐使其附近構(gòu)件的應(yīng)力比增大。

 由于采取不同的施工方案會影響結(jié)構(gòu)最終成型形態(tài)，將1.0自重作用下施工完畢后，懸挑端和108m跨中均有支撐的位移計算結(jié)果與懸挑端和108m跨中均無支撐的位移計算結(jié)果進(jìn)行對比，各榀主桁架懸挑端的最大豎向位移計算結(jié)果如表3及圖7所示。當(dāng)108m跨中和懸挑端均有支撐時，各主桁架懸挑端最大豎向位移為- 75. 20mm；當(dāng)108m跨中和懸挑端均無支撐時，各主桁架懸挑端最大豎向位移為- 82. 16mm。同一榀主桁架懸挑端最大豎向位移差為11. 51mm，該差值僅為懸挑端跨度的約1/3 000，差距很小。

 由上述對比分析可知，同時取消懸挑端與108m跨中臨時支撐不僅對施工過程的安全無影響，且可以降低臨時支撐附近結(jié)構(gòu)桿件的應(yīng)力水平，并對施工完畢后結(jié)構(gòu)的最終成型狀態(tài)影響不大。因此，最終施工采用了取消懸挑端以及108m跨中臨時支撐的施工方法。

4  結(jié)語

 由上文分析可知，雖然臨時支撐起著保持施工過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，提高施工過程安全度，并為施工提供操作平臺的作用，是大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工過程中必不可少的施工輔助措施，然而由于其用量大、規(guī)格多、制作與拆除需要花費大量的人力物力，因此有必要對其設(shè)計、使用與布置進(jìn)行優(yōu)化。本文以中國博覽會會展綜合體項目C1區(qū)大跨度屋蓋施工過程為例，給出了臨時支撐優(yōu)化的4種方法，并對優(yōu)化后的支撐布置方式進(jìn)行了施工過程模擬，得出如下結(jié)論。

 1)采用通用組合式臨時支撐可以提高臨時支撐的裝配化程度，提高臨時支撐在各項目間的通用性，從而提高其重復(fù)利用率，節(jié)約成本。

 2)對于分塊施工等有序的施工方案，可以在某區(qū)域結(jié)構(gòu)形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系之后，拆除該區(qū)域的臨時支撐，倒運到后續(xù)安裝的區(qū)域，從而提高臨時支撐的利用率，減少施工所需臨時支撐的數(shù)量，節(jié)約成本。

 3)可以通過優(yōu)化吊裝順序，充分利用主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，減少部分不必要的臨時支撐。

 4)對于懸挑端的臨時支撐，可通過施工過程模擬驗證其取消的可行性。