带斜支撑的钢框架装配式施工控制关键技术研究

周 洲，陈振富，谭 韬

实际工程中的钢结构装配式施工，对施工各荷载阶段的荷载结构受力形式予以简化考虑.然而，由于材料性能和施工荷载简化的形式与实际大不相符，实际工程中的钢结构预加应力的装配方式成为了较为常见的施工方法[1].而对于带斜支撑的钢框架结构的装配式施工，预加应力的装配方式下的多点约束的钢桁梁及钢立柱奇异的应力分布状态均会导致连接节点位置在使用荷载作用下的塑性疲劳[2].基于以上考虑，对于带斜支撑的钢框架结构的装配式施工控制，如何更好的对施工荷载予以等效考虑，成为结构安全与强度储备的控制关键.

通常，钢结构的施工控制则可分为变形控制、应力控制和稳定性控制三个主要的方面[3].对于装配式钢框架结构，在立柱、钢桁梁、楼面板等主要构件的工厂化生产阶段，均需要对构件在自重与结构长期服役等荷载作用下的变形予以预抬.显然，这样的施工处理仅适用于普通的钢框架结构，对于带斜支撑节点的钢框架结构，构件的竖向变形则成为了装配后所需要避免的问题.此外，多次超静定结构在基础沉降及温度梯度作用下的变形与应力特征，亦是本文研究内容中所控制的关键.

得益于有限单元法与数值计算的快速发展，国内外对建筑结构的施工阶段的空间受力性能研究虽然起步较晚，但进展显著，自1985年ChoiChang-Koon采用有限单元法对多层框架结构的施工模拟，取得了与实际观测值吻合良好的结果[4].之后，Elnimeiri在1989年对钢管混凝土不同的施工阶段予以安全性评估的特点，促进了空间有限元计算理论与实际结构施工阶段的全过程控制[5].国内在高层框架结构的施工控制理论方面的研究则进一步促进了装配式钢结构的研发与推广.陈海洲等在2011年超高层钢结构施工的模拟计算的基础上，对钢框架-混凝土核心筒结构的相对挠度发展予以评估[6]；2013年王化杰对国内多座超高层结构的施工阶段分析，得到了多种工况下超高层结构的竖向变形规律，为该结构的施工变形控制提供了现实指导[7].

可以发现，国内外对高层、超高层建筑结构的施工控制研究大都几种在混凝土、钢混组合结构的施工模拟研究.而对于高层钢结构的施工控制可供参考的理论偏少，对于斜支撑节点的施工控制，则只能在以往结构施工阶段分析和控制的基础上加以探索.对于斜支撑节点的钢框架体系而言，立柱对主板起到支撑作用，梁和柱两者之间设置有斜支撑[8].后文中，我们将依托国内某钢框架高层结构的施工控制，探究多点约束下的钢桁梁与在逐级荷载作用下的框架柱的变形协调特性，和斜支撑的单次安装作业的安全性评价.

1 工程背景

图1 结构轴网布置

图2 单榀桁架安装示意图

以北京地区某28层装配式斜撑节点钢框架结构的施工为例.钢框架结构层高2.8m，总高80m.结构的开间和进深均布置为6跨，跨度3.9m，轴线总长24m.桁架梁高0.45m，于桁架梁的第二竖腹杆位置处设置有斜支撑连接节点，斜支撑的另一端连接框架柱，距离桁架梁下弦杆0.9m的位置处.结构的轴网布置如图1中所示，图2中为结构的单榀桁架梁安装示意图.

钢结构框架柱为边长0.2m的箱型截面柱，底层至底面上10层的立柱薄厚为30mm，第11层至第20层薄厚设置为20mm，第30层至顶楼壁厚设置为10mm.钢桁梁上下弦杆均为高度160mm、壁厚为8mm的槽型截面杆件；桁架梁的腹杆均为双拼L型截面杆件，杆件的边宽为50mm，壁厚为6mm；结构钢桁梁的斜支撑杆件截面为壁厚8mm，高度为160mm的槽型界面杆件.

2 钢框架结构的施工阶段分析

2.1 有限单元法模型建立

结构的施工阶段分析于ABAQUS大型有限元计算平台中建模计算，各杆件的节点连接根据实际装配形式予以考虑.对于钢结构框架柱的柱脚，在模型中则予以刚性支座的边界条件考虑.整个结构所采用的钢材均为屈服强度为345MPa的B级钢材.为充分考虑各层楼面荷载及施工期间的机具模板荷载对结构的变形、应力影响，钢结构屋盖、楼面及各层附属结构荷载均以节点荷载或均布荷载的形式作用在桁架梁上，在计算模型中予以对以上荷载根据施工计算手册的取值，计算得到楼面恒荷载取3.0kN/m2，活荷载为2.0kN/m2，外墙恒荷载取1.6kN/m[9].钢框架结构的模型如图3中所示.

图3 钢框架结构有限单元法计算模型

2.1 计算结果与分析

对施工阶段逐步施加的楼层荷载，所产生的结构变形评估和通过柱的竖向变形反映出来.值得注意的是，由于钢框架中斜支撑的存在，轴向力作用下的结构在横向力的扰动下均会产生一定程度的横向弯曲变形，影响其余桁架梁及斜支撑的受力状态.根据这个特点，对斜支撑的钢框架结构的施工控制对象为结构的框架柱[10].根据有限单元法的斜支撑钢框架结构的变形计算结果，控制结构中框架柱的竖向变形与应力分布状态，对影响结构应力分布及变形的构件予以标高控制.表1中给出5个框架柱竖向变形计算结果.

表1 框架柱变形计算结果

根据表1中五个参考柱在施工荷载作用下的变形结果，可以发现，施工阶段模拟下的各箱形柱中间层有着最大竖向变形.其中4号中柱第16层的竖向位移值为框架柱变形的最大值，比较其余4各框架柱的变形值，最大竖向位移值均发生在框架柱的第16层.进一步对各框架柱第16层在四个施工阶段下的竖向位移变形特征进行分析，探究控制框架柱竖向变形后的各阶段下的位移值如图4中所示.

根据图4-a中的第16层框架柱在的竖向变形结果，在施工阶段的荷载作用下，各框架柱呈现为竖向变形稳定增加.由于钢框架柱与钢桁架的相对位移值超过斜支撑的安装容许尺寸范围，日后将很难对斜支撑进行替换作业.分阶段安装斜支撑且不对钢框架柱的竖向变形加以控制的前提下，结构的变形远远超出预期，斜支撑的受力状态与理想状态不相符.

图4 第16层框架柱的竖向变形

对于控制框架柱竖向变形的框架结构，未安装斜支撑时的单榀框架应力分布状态如图5中所示.不难发现，单榀框架在未安装斜支撑时的变形与应力分布均无异常.于桁架梁的上弦杆端部出现应力峰值，为1.5MPa，远小于钢材的屈服强度.而图4-b的框架柱竖向位移值表明，若在每个施工阶段对框架柱的变形加以控制，使之与钢桁架的变形相协调，则可以实现在一个阶段内完成所有的斜支撑施工作业.基于此，对钢框架结构的竖向变形加以控制，不仅可以极大程度地保障斜支撑的受力模型满足设计时的理想状态，保障了结构的安全与耐久性的同时，还能促进施工作业效率的提高.

图5 单榀框架柱的应力分布云图

3 结语

本文以国内某斜支撑钢框架结构施工变形控制的关键技术，针对斜支撑作用下的装配式框架柱的竖向变形特征，提出各施工阶段的竖线变形控制理论.通过本文的研究，实现了对整个结构钢框架柱与钢桁架梁的竖向变形协调控制，不仅为单次安装斜支撑的施工组织安排提供了必要的技术支持，还保障了斜支撑作用下的钢框架结构受力状态与形式与设计状态相符.研究得到的结论如下：

（1）对钢框架结构施工阶段的变形结果分析表明，施工荷载作用下产生的箱形柱最大竖向变形位于构件的中间层；

（2）在施工阶段的荷载作用下，各框架柱呈现为竖向变形稳定增加，由于钢框架柱与钢桁架的相对位移值超过斜支撑的安装容许尺寸范围，日后将很难对斜支撑进行替换作业.分阶段安装斜支撑且不对钢框架柱的竖向变形加以控制的前提下，结构的变形远远超出预期，斜支撑的受力状态与理想状态不相符；

（3）单榀框架在未安装斜支撑时的变形与应力分布均无异常，故而可以在每个施工阶段对框架柱的变形加以控制，使之与钢桁架的变形相协调，则可以实现在一个阶段内完成所有的斜支撑施工作业.基于此，可以极大程度地保障斜支撑的受力模型满足设计时的理想状态，保障了结构的安全与耐久性的同时，还能促进施工作业效率的提高.