重载跨空结构支撑体系安全性模拟分析

马 冲，田 野，张营营，许 超

(1.山东金城建设有限公司，山东 淄博 255000；2.中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏 徐州 221116)

0 引言

跨空结构的结构安全和施工安全是近年来建筑施工领域研究的重难点，现行规范标准中并未对此作出明确说明。对于一般性的高层住宅建筑，其楼层结构荷载及施工荷载较小，常规做法是3层承受1层荷载，如1～3层地面承受3层顶板(4层地面)的荷载，如此循环；超过一定规模，且危险性较大的分部分项工程(施工总荷载≥15kN/m2或集中线荷载≥20kN/m[1-2]，本文称其为重载结构)施工过程中，一旦施工楼层满足重载施工条件，一般处理方式为保留下部支撑体系直至基础，待上部重载施工完成后拆除。

当前城市综合体的共享空间以跨空结构为主，施工中常出现跨空且重载的结构设计。模板支撑体系落在结构楼板上，下部支撑需几层结构作为支撑体系，传递上部结构的自重荷载和施工荷载；若在上述危险性较大工程中使用，将占用大量的施工空间和资源，增加施工成本。以实际工程为研究对象，采用有限元分析法，建立混合结构模型，将楼盖与杆件自重等所有荷载之和换算成整个楼面的均布荷载，通过等效应力法研究结构及施工荷载在多层结构中依次传递和应力递减的规律。

1 工程概况

高青银座国际广场银座商城位于淄博市高青县芦湖路以西、高苑路以南，总建筑面积52 580m2，建筑总高度21.15m，地下1层，地上4层。影厅楼地上主体结构第1层层高5.85m，第2层层高5.1m，影厅层层高10.25m，其剖面如图1所示。

图1 影厅楼剖面

本工程为框架-剪力墙结构，由商城、高层住宅及7个主影厅组成。台阶式影厅与周围标准住宅层进行融合设计，因此施工过程中出现多处公共建筑的跨空结构与住宅标准层的施工协调问题。为保证施工通道畅通及下部结构其他专业有足够作业空间，需拆除底层结构的模板支撑系统。

图2 模板支撑范围结构

2 施工工艺

1)支撑体系底部处理 20.700m标高楼盖支撑为10.450m标高现浇结构顶板，为保证现浇结构顶板的承载力，需保留10.450m底部结构支撑体系，并在其上铺设厚50mm、宽300mm、长度≥2 000mm 的木垫板，在所有梁下立杆的木板上铺设直径为100mm、厚3mm的圆形底座，然后安装立杆，防止局压破坏[3-4]。

2)施工工艺流程 20.700m标高楼盖下型钢混凝土柱型钢安装→型钢验收→型钢柱钢筋绑扎→钢筋验收→10.450m标高下框架柱模板安装→搭设立杆、水平杆及剪刀撑→校正框架柱模板→连接支撑体系水平杆件与框架柱模板→浇筑15.550m标高楼盖下框架柱混凝土→15.550m标高下框架柱模板安装→接长立杆、水平杆及剪刀撑→校正框架柱模板→连接支撑体系水平杆件与框架柱模板→浇筑20.700m标高楼盖下框架柱混凝土至框架梁梁底→搭设梁板底部水平杆件→铺设梁板底次楞和模板→绑扎梁板钢筋→安装梁侧模板→梁板钢筋与模板验收→浇筑梁板混凝土→混凝土养护[5]。

3 模型构建及分析

3.1 有限元模型建立

用软件SAP2000建模，采用杆单元定义梁、立杆、横杆及斜撑，板单元模拟楼板。框架单元使用三维梁-柱计算公式，包括双轴弯曲、扭转、轴向变形、双轴剪切变形等效应[6-7]。

设置初始条件，水平面内东向为x，北向为y，垂直于水平面高度方向为z。

鉴于该模型中杆件较多，先在Auto CAD中建立初步模型，再将其导入SAP2000进行模型细化[8]，包括杆件截面定义，轴网的生成，横杆、斜撑及楼板的建立与划分，最终结构的三维模型如图3，4所示。模型中，楼板划分与立杆布置点一致，即整个楼板划分成以立杆支撑点为顶点的四边形，立杆与楼面铰接。

图3 整体模型

图4 平面布置

3.2 施加荷载

模拟顶层井字楼盖的施工过程，竖向荷载包括顶层井字楼盖自重及施工荷载[9]。将20.700m标高跨空结构楼盖自重(包括梁自重)换算成整个楼面的均布荷载，为便于分析，在支撑系统顶部设定一个虚拟承载平面(即虚面)。经计算楼盖荷载为9.85kN/m2。

依据JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技术规范》[10]，施工活荷载为2.5kN/m2。考虑荷载分项系数，经计算最终在模型顶部虚面的均布荷载为15.32kN/m2。其余楼层荷载只考虑杆件自重。

鉴于该楼盖施工前四周已形成一个封闭空间，故对该施工过程的模拟不考虑风荷载影响。

3.3 等效分析

通过软件计算分析，对各楼层等效应力进行统计整理，得到各标高面的最大应力与最大竖向位移，如表1所示。

表1 各标高等效应力面应力与最大竖向位移 (跨度8.4m)

由表1可知，-0.500m标高处楼板应力最大，该处楼板上部最大等效应力为5.11MPa，下部最大等效应力为3.9MPa。最大竖向位移发生在⑥～⑦轴的楼板处，数值为3.1mm。

3.4 结果验证

原楼面设计活荷载影院部分为3kN/m2，不考虑结构施工阶段未施加荷载，根据L13J1《建筑工程做法》，楼213地毯楼面B(双层)恒荷载标准值0.71kN/m2，即(1.4×2.98)kN/m2<(1.4×3+1.2×0.71)kN/m2。

选取-0.500m标高处楼板上受力变形最大区域支撑竖杆的底部轴力，并结合支撑点布置的数量换算成面上均布荷载反算到该楼板上，得到变形最大楼板上部的支撑竖杆最大轴力，为493N，换算成均布荷载为0.81kN/m2。删除模型-0.500m标高处楼板以上所有构件，施加0.81kN/m2均布面荷载，得到-0.500m 标高处楼板等效应力，如图5所示。

图5 等效应力云图(单位：MPa)

对比两次分析结果，可得施工过程中20.700m标高楼盖设计计算的15.32kN/m2源荷载，其中8.38kN/m2传递至四周框架柱上，即产生卸荷效应；下面3层楼盖仅分担了20.700m标高楼盖施工过程中6.94N/m2的荷载。

运用同样的计算方法和等效原理，对5.350，10.450m两处标高楼盖进行整合运算，统计模型中所有进行支模的立杆、横杆及斜撑，得到其总重力分别为1 625.4，1 946.4kN，因楼盖满足多层传荷承载力要求，最终换算成楼板均布荷载约为1.85，2.32kN/m2，通过支撑竖杆传递到-0.500m标高楼面的荷载可等效为0.81kN/m2均布荷载。整理各标高面的实际换算等效均布荷载，如表2所示。

表2 各标高面的实际换算等效均布荷载

对原结构纵、横向柱距按原设计的2/3，1/3分别进行等比例缩小，得到其应力变化情况如表3，4所示。

表3 柱距按2/3(跨度5.6m)缩小各标高等效应力面应力与最大竖向位移

根据表1，3，4分析得出等效面应力及最大位移随被支撑区域梁板跨度的变化情况，如图6，7所示。

由图6，7可知，结构层施工中，未完全达到设计强度的楼盖体系具备一定的传递荷载能力，跨空支撑系统的荷载经梁板传递至框架柱后，施工荷载效应逐步衰减，对结构的活荷载作用降低，其等效面应力、最大位移与跨度呈正相关。

表4 柱距按1/3(跨度2.8m)缩小各标高等效应力面应力与最大竖向位移

图6 等效面应力随跨度变化曲线

图7 等效面最大竖向位移随跨度变化曲线

4 结语

1)5.350，10.450m标高处楼板在顶层楼盖施工过程中承受部分荷载并传递至四周框架柱上，顶层井字楼盖施工过程中通过支撑竖杆传至底层楼面的荷载可等效为2.98kN/m2的均布活荷载。

2)影院部分楼板通过L13J1《建筑工程做法》提供的参数计算得实际荷载为(1.4×2.98)kN/m2，小于该楼板在结构设计时考虑的荷载(1.4×3+1.2×0.71)kN/m2，符合设计规范要求。

3)提前拆除重载跨空结构底层支撑后，建筑结构承载力符合标准，施工安全性仍能得到保障，且释放了更多施工空间，可提高不同区域施工的协调性及施工效率，降低施工成本，具有一定的参考价值。