滑轨与结构梁偏斜情况下滑移支撑结构研究与应用*

张 新,张 宇,余金兵

(1.山东建筑大学土木工程学院,山东 济南 250101; 2.中冶(上海)钢结构科技有限公司,上海 200941)

0 引言

综上所述,高空滑移法施工中常见的是滑移轨道与框架梁在同一条直线上,对于轨道与框架梁偏斜情况主要采取设置临时支撑胎架的方法,采取牛腿支承的方法研究较少。本文以济南融创茂海洋乐园钢结构屋盖高空滑移施工为研究背景,滑轨与框架梁局部偏斜情况下,对牛腿支承和胎架支承2种方式进行了分析对比,采用ANSYS有限元软件数值模拟了型钢牛腿在施工中的力学性能变化并进行了实践应用,应用结果可为类似工程提供一定的借鉴和参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

济南融创茂海洋乐园位于济南市历城区,南临经十路,东临凤鸣路,是济南市历城区重要的娱乐、休闲场所。海洋乐园钢屋盖为平面圆管桁架和倒三角管桁架拼装而成的空间桁架结构,重约2 600t,平面为不规则五边形。建筑内部需进行其他平行施工的土建作业,结合钢屋盖的平面形状,如图1所示,将钢屋盖安装分成2个同步施工的作业区:累积滑移区和分段吊装区。累积滑移区钢屋盖主桁架(南北向)最大跨度75.3m,次桁架(东西向)最大跨度42m,桁架上、下弦杆中心线距离为3.7～7.2m,主、次桁架通过刚性系杆连接成整体。

图1 海洋乐园屋面钢结构示意

海洋乐园建筑结构为地上3层、地下1层,主体为混凝土框架结构体系,混凝土梁、柱在建筑四周形成闭合的外排架,建筑内部设置3根钢柱。⑩轴线混凝土框架梁的中轴线不在同一直线上,如图2所示位置处框架梁开始偏斜,柱中轴线偏斜距离为1 700mm。滑移轨道处结构梁截面尺寸为400mm×1 500mm, 框架柱截面尺寸为1 400mm×1 600mm。

图2 ⑩轴线结构梁偏斜平面示意

1.2 滑移轨道设置

滑移轨道在整个滑移过程中主要起到承受上部荷载、引导滑移顶推方向、约束横向位移的作用,因此滑移轨道的合理设置是滑移工作顺利进行的重要因素。建筑既有混凝土框架结构宜选择为滑移轨道支撑结构,因此在东、西侧⑩轴、①轴两轴线混凝土结构上各设置1条滑移轨道。海洋乐园钢屋盖东西方向框架柱间距为151.7m,如果仅在①轴、⑩轴两侧设置滑移轨道,由于钢桁架跨度太大,会导致两侧顶推力较大,且跨中钢桁架挠度变形过大。在靠近跨中⑥轴线处搭设临时支撑胎架设置1条中间滑移轨道,由此减少两侧的顶推力和跨中挠度变形,滑移轨道平面布置如图3所示。①轴线滑移轨道与⑥轴线滑移轨道间距为80.4m,⑩轴线滑移轨道与⑥轴线滑移轨道间距为70.7m。东侧⑩轴线在,轴线间发生偏斜,偏斜水平距离1.7m。

图3 滑移区滑移轨道平面布置

2 偏斜位置轨道支座方案比选

2.1 设计思路

滑移轨道与混凝土结构梁偏斜情况下,目前多采用在偏斜位置滑移轨道梁下设置临时支撑胎架作为滑移轨道支座。结合现场实际情况提出第2种做法,利用既有框架柱设置侧向牛腿作为滑轨的支撑结构,牛腿可采用型钢牛腿和混凝土牛腿2种支座形式。

2.2 滑移轨道支座方案比选

2.2.1侧向型钢牛腿支座

采用柱侧型钢牛腿作为滑移轨道的支撑结构。滑移轨道支承在型钢牛腿上,从而使其位于同一直线。牛腿由型钢焊接而成,通过预埋件与混凝土框架柱连接固定,荷载由钢牛腿传递至混凝土框架柱,如图4所示。

图4 侧向型钢牛腿支座示意

2.2.2侧向混凝土牛腿支座

采用柱侧混凝土牛腿作为滑移轨道的支撑结构。框架柱设计成牛腿柱,滑移轨道支撑在混凝土牛腿上(见图5)。混凝土牛腿在结构设计时即作为结构的一部分进行考虑,施工时牛腿与框架柱一起施工。钢结构施工完成后,牛腿作为结构的永久部分需考虑建筑的美观和使用功能不受影响。

图5 侧向混凝土牛腿支座示意

2.2.3型钢临时支撑胎架

舍弃既有混凝土框架结构作为滑移轨道的支撑结构,另选位置搭设支撑胎架,利用支撑胎架承受滑移荷载,支撑胎架如图6所示。

图6 型钢临时支撑胎架示意

型钢牛腿和临时支撑胎架属于临时支撑结构,施工完成后可拆除,安拆方便,混凝土牛腿属于结构一部分,需在设计阶段进行考虑,施工完成后拆除困难;型钢牛腿的安拆无需大量劳动力资源,而支撑胎架安拆和混凝土牛腿安装需大量劳动力;型钢牛腿和混凝土牛腿依靠与混凝土框架柱连接点的抗剪、抗弯能力承受施工荷载,对节点的质量要求高,支撑胎架依靠自身抗压能力承受施工荷载,对拼装杆件的质量要求高;型钢牛腿和混凝土牛腿占用施工场地较小,而支撑胎架需占据较大施工场地,影响其他施工作业。综合3种滑移轨道支撑结构特点,结合类似工程经验,得出其优缺点对比,如表1所示。

融创茂海洋乐园下部有地下室结构,搭设临时支撑胎架需对地下室结构顶板进行加固,且施工工期较长。采用混凝土牛腿,由于偏斜距离为1.7m,混凝土牛腿尺寸过大,且后期影响建筑使用功能。综合考虑选用型钢牛腿支座作为滑移轨道的支撑结构。

3 型钢牛腿支座设计及计算

3.1 型钢牛腿支座设计

型钢牛腿设计包括牛腿设计和预埋件节点设计。型钢牛腿由牛腿和预埋件2部分构成,牛腿采用双肢型钢牛腿,具体设计如下。

1)双肢型钢牛腿设计 牛腿长1 700mm、宽 1 400mm、 高2 100mm。每个单肢牛腿内竖向设置型钢剪刀撑,增强牛腿的竖向刚度。2个单肢牛腿上、下翼缘平面内设置3道水平型钢连梁,增强牛腿水平方向刚度。每个单肢牛腿底部设置斜撑,斜撑水平夹角为45°。双肢牛腿所有型钢连接均为焊接,所用材料均为Q355B材质HW300×300型钢,如图7所示。

图7 型钢牛腿设计

2)预埋件节点设计 预埋件节点包括预埋钢筋和钢板2部分。预埋件采用直径为20mm的HRB400钢筋,牛腿上弦型钢预埋件锚固深度为480mm,下弦型钢与底部斜撑预埋件锚固深度为350mm。为了保证上弦型钢预埋件处有足够的抗拉强度,该处设置4排×4列预埋钢筋;下弦型钢预埋件主要承受压力,设置4排×3列预埋钢筋;底部斜撑作为构造稳固措施,设置3排×3列预埋钢筋。预埋件一端与框架柱内部钢筋焊接,另一端与预埋钢板焊接,焊脚高度为8mm。牛腿预埋板采用25mm厚Q355B材质钢板。牛腿上、下弦型钢处预埋钢板尺寸为400mm×700mm,底部斜撑处预埋钢板尺寸为400mm×600mm。

3)滑移轨道设计 采用H800×500×20×25型钢作为滑移钢梁。为了增加滑移钢梁的平面外刚度,采用HW200×200型钢作为滑移钢梁平面外斜撑,斜撑上端与钢梁腹板焊接,下端与牛腿上弦型钢焊接。滑移轨道采用QU100轨道钢,轨道通过轨道压板规定在滑移钢梁上,压板间距为800mm。

3.2 有限元分析

3.2.1建模基本假定

1)采用ANSYS有限元分析软件进行数值模拟,型钢牛腿与框架柱间的节点连接为刚接(ALL DOF),牛腿中型钢采用焊接连接,接触面节点进行耦合处理(CPINTF)。

2)假定滑移钢梁的刚性满足要求。

3)统计上部钢屋盖所有荷载并组合,最大值以均布荷载形式作用在型钢牛腿上。如图8所示,牛腿受钢屋盖荷载可分为2种不利工况:①工况1 钢屋盖滑移至牛腿边缘时,即荷载作用在单肢牛腿上;②工况2 钢屋盖滑移至牛腿中间,即荷载作用在连系型钢上。

图8 型钢牛腿工况示意

3.2.2荷载取值

根据GB 50017—2017《钢结构设计标准》、GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》等相关规范取值,荷载统计如表2所示。

表2 荷载标准值

3.2.3荷载组合

非滑移状态按下式进行组合:

(1)

式中:γG为永久作用分项系数,取值1.3;γQ为可变作用分项系数,取值1.5;γ0为滑移结构的重要性系数,取值1.1。其中,雪荷载和工作人员检修、操作荷载不同时组合,则滑移支撑结构承受面荷载组合值S=3 156.27kN/m2。

滑移状态按下式进行组合:

(2)

式中:μ为支座反力摩擦系数,按最大静摩擦取值为0.2,则滑移支撑结构承受面荷载组合值S=3 439.42kN/m2。

3.2.4有限元分析

采用有限元分析软件ANSYS建立⑩轴线滑移轨道型钢牛腿支撑结构模型,其中型钢采用solid Brick 10node 187实体单元,划分单元大小为0.05m。取滑移状态和非滑移状态下较大的荷载组合值作用在型钢牛腿上,并叠加型钢牛腿自重进行静态非线性分析,分别得出2种工况下的应力、应变响应,如图9所示。采用型钢牛腿支座需对既有混凝土结构进行加固,防止在滑移过程中产生的附加应力破坏既有结构。既有结构施工前,设计单位已根据滑移荷载对框架结构承载力进行了复核,局部采取增加配筋等加固措施。

有限元分析结果如表3所示。

表3 有限元分析结果

中间连系型钢跨度为800mm,挠度限值取L/400=2mm, 满足连系型钢变形要求。单肢牛腿竖向位移限值为1mm,单肢牛腿竖向变形要求。型钢牛腿采用Q355B型钢焊接而成,钢材屈服应力为355MPa,有限元分析结果均<355MPa,型钢牛腿处于弹性变形状态。在牛腿与框架柱连接处,型钢牛腿与框架柱采用焊接连接,焊缝要求与母材同等强度,满足应力要求。

4 施工工艺

4.1 型钢牛腿安装

1)如图10a所示,型钢牛腿在地面进行拼装、焊接。同时,在框架柱型钢牛腿设置位置下方搭设临时支撑胎架用于临时放置型钢牛腿,临时支撑胎架顶部标高与型钢牛腿底部标高一致。

图10 型钢牛腿施工顺序

2)如图10b所示,采用汽车式起重机将拼装完成的型钢牛腿吊至临时支撑胎架顶部,牛腿与框架柱侧边预埋件进行焊接。

3)型钢牛腿安装完成后,拆除支撑胎架并安装牛腿底部斜撑,如图10c所示。

4)安装滑移钢梁、滑移轨道、柱间斜撑等滑移辅助结构,型钢牛腿施工现场照片如图10d所示。

4.2 型钢牛腿拆除

1)钢屋盖滑移完成后,受顶部净空高度限制,汽车式起重机已无法使用,采用搭设门式操作架和倒链对型钢牛腿拆除。

2)型钢拆除顺序与安装顺序相反,先拆除牛腿下部斜撑,再拆除牛腿。

3)型钢牛腿自重小,将倒链挂在上部钢桁架上,下部吊钩与型钢牛腿相连。先将倒链收紧,然后切割型钢牛腿与框架柱的连接,放松倒链将型钢牛腿缓慢放至地面。

5 结语

结合济南融创茂海洋乐园钢屋盖高空滑移施工项目,通过3种方案对比选择型钢牛腿支座作为滑移轨道的支撑结构,根据框架结构特点和滑移荷载设计双肢型钢牛腿结构形式,并采用有限元分析软件在2种工况下进行计算分析,应用结果显示采用型钢牛腿支座作为滑移轨道的支撑结构可减少滑移支撑胎架搭设、降低工程造价、缩短工期。

对于滑移轨道与结构梁偏斜情况,针对型钢牛腿支座作为滑移轨道支撑结构提出以下几点建议。

1)在滑移轨道与结构梁偏斜距离≤2m时,可采用型钢牛腿支座作为滑移轨道的支撑结构,但需对既有框架结构进行承载力复核。

2)型钢牛腿自重小,安拆方便,可降低工程造价,材料环保,对于存在地下室的钢屋盖滑移工程可优先考虑使用。

3)由于空间钢结构整体刚度大,力学性能较好,在偏斜尺寸较大结构中宜设计成双肢型钢牛腿空间钢结构受力体系。