一種簡便高效的裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工臨時(shí)支撐胎架

蔡文文 王濤 王旻 葉舒群 嚴(yán)偉東

(中建鋼構(gòu)有限公司 廣東深圳 510000)

1 工程概況

福州數(shù)字中國會(huì)展中心位于福州濱海新城核心區(qū)大東湖中段位置，西臨新城東湖路，靠近文武砂水庫，南側(cè)為東湖三路，北臨智慧路。主要功能包含展覽中心、會(huì)議中心及配套功能設(shè)施用房。地下1層，地上2層，局部設(shè)置夾層，建筑高度約為33.00m，總建筑面積約為11.28萬m2，為會(huì)展中心類項(xiàng)目，完工后需要投入會(huì)議使用，體量大、工期緊。

該工程鋼結(jié)構(gòu)包括地上主體采用鋼框架+BRB斜撐+正交平面桁架結(jié)構(gòu)體系，大跨度區(qū)采用正交平面主次桁架，分布于南側(cè)展廳的16m、32m標(biāo)高樓層，南側(cè)辦公區(qū)的16m、24m、32m標(biāo)高樓層，以及北側(cè)會(huì)議廳的16m、32m標(biāo)高樓層，均為H型鋼桁架，材質(zhì)為Q345GJB，桁架之間還有次桁架相連，如圖1～圖2所示。南、北側(cè)桁架最大跨度均為68m，桁架最大高度6.6m，單榀桁架最大重量達(dá)到230t。

圖1 各層結(jié)構(gòu)分布

圖2 三層桁架立面分布

2 桁架安裝總體思路

桁架作為預(yù)制鋼構(gòu)件，工廠制作，現(xiàn)場吊裝安裝，桁架吊裝采用退裝法。在地下室頂板澆筑完成且強(qiáng)度滿足要求后，采用履帶吊上地下室頂板吊裝，按從下往上順序逐層吊裝完一個(gè)軸線的桁架，再逐個(gè)軸線由內(nèi)往外退裝。

正交桁架先吊裝大跨主桁架，再嵌補(bǔ)吊裝次桁架?？紤]單榀主桁架重量大，采取兩臺履帶吊雙機(jī)抬吊分段吊裝方法施工。主桁架分段面在高空對接，需要設(shè)置支撐胎架，提供足夠的承載力。每一榀主桁架高空校正后，需要安裝次桿件連接已安裝鋼柱或桁架形成穩(wěn)定框架結(jié)構(gòu)體系施工順序。

3 支撐胎架設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)說明

該工程桁架吊裝支撐胎架設(shè)計(jì)要求為：①安全可靠；②利于該工程桁架安裝，實(shí)現(xiàn)一個(gè)軸線多層桁架同時(shí)施工；③支撐胎架現(xiàn)場安裝速度快，滿足搶工期要求；④可重復(fù)利用，節(jié)省措施材料；⑤便于操作人員高空作業(yè)。

3.2 支撐胎架方案比選

圖3 方案一 貝雷架組合

方案一(如圖3所示)優(yōu)點(diǎn)：

(1)材料來源廣；

(2)工程實(shí)踐多，可參考性強(qiáng)；

(3)支撐跨越桁架時(shí)對主體結(jié)構(gòu)無影響。

方案一缺點(diǎn)：

(1)支撐搭設(shè)組裝較為繁雜，搭設(shè)耗費(fèi)時(shí)間較長，需要大量人力；

(2)跨越中間桁架時(shí)，需要搭設(shè)轉(zhuǎn)換型鋼，轉(zhuǎn)換型鋼搭設(shè)的垂直度和穩(wěn)定性要求難以滿足；

(3)對于不同高度桁架需要組織的貝雷片節(jié)數(shù)需要精細(xì)安排；

(4)承載能力有限；

(5)胎架拆除過程難度較大。

圖4 方案二 單圓管支撐

方案二(如圖4所示)優(yōu)點(diǎn)：

支撐結(jié)構(gòu)簡單，搭設(shè)方便。

方案二缺點(diǎn)：

(1)單根圓管支撐的垂直度要求高，穩(wěn)定性難以滿足。

(2)二層桁架完全依靠底層桁架承力豎圓管支撐，對結(jié)構(gòu)本身影響較大，需要桁架吊裝且焊接完成。

(3)承載能力有限。

圖5 方案三 圓管組合支撐

方案三(如圖5所示)優(yōu)點(diǎn)：

(1)支撐胎架組成簡單，安拆方便效率高，便于重復(fù)使用。

(2)支撐高度可根據(jù)需求隨意調(diào)節(jié)。

(3)采用門字架形式，穩(wěn)定性強(qiáng)。

(4)支撐跨越桁架時(shí)對主體結(jié)構(gòu)無影響。

(5)承載能力強(qiáng)。

方案三缺點(diǎn)：

(1)圓管組合門字架的平面外穩(wěn)定性要求較高。

(2)門字架中間橫梁作為主要承力部件，與圓管的焊縫質(zhì)量要求高。

結(jié)合該工程對上述3種方案優(yōu)缺點(diǎn)綜合考慮，最終確定方案三圓管組合支撐胎架為最優(yōu)方案。

3.3 支撐胎架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及原理

圓管組合支撐主要由幾部分組成：胎架底座、200mm圓管調(diào)節(jié)段、Φ609×16圓管、H700×300×13×24型鋼橫梁、HW200×200×8×12型鋼[1]連梁、H600×600×13方管調(diào)節(jié)段。其中Φ609×16圓管與200mm圓管調(diào)節(jié)段為帶有法蘭盤與三角筋板的圓管，胎架底座由H350×350×12×19加工制作。

Φ609×16圓管、H700×300×13×24型鋼橫梁、HW200×200×8×12型鋼連梁通過焊接連接組合成門式架結(jié)構(gòu)整體，作為一層桁架主要承力部件。門式架結(jié)構(gòu)中H700×300×13×24型鋼橫梁位置通過[]600×600×13方管調(diào)節(jié)段支撐桁架結(jié)構(gòu)自重，Φ609×16圓管通過200mm圓管調(diào)節(jié)段、胎架底座傳力到地面。Φ609×16圓管可在第一層承力門式架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上通過法蘭盤連接繼續(xù)安裝樹立圓管，在不影響第一層桁架安裝的基礎(chǔ)上依此類推組成第二節(jié)門式架結(jié)構(gòu)，用來承載第二層桁架。Φ609×16圓管包含多種長度規(guī)格，可以搭配選用適用不同高度的桁架結(jié)構(gòu)，并通過[]600×600×13方管調(diào)節(jié)段進(jìn)行高度微調(diào)。200mm圓管調(diào)節(jié)段一端為法蘭盤與Φ609×16圓管連接，另一端與底座連接鋼板焊接，可以調(diào)節(jié)Φ609×16圓管垂直度以及便于法蘭螺栓穿孔。

胎架底座如圖6所示，主要外形尺寸為2600×1400×350，由HW350×350×12×19制作，面積較大，能夠較好地保證整個(gè)支撐胎架的穩(wěn)定性。胎架底座通過角焊縫形式與埋件連接，進(jìn)一步增強(qiáng)支撐胎架穩(wěn)定性。

圖6 底座與埋件連接

底座通過圓管調(diào)節(jié)段與圓管連接，底座內(nèi)部設(shè)置20mm厚加勁板支撐810×810承托板，如圖7～圖8所示。

圖7 底座與圓管調(diào)節(jié)段連接剖面圖

圖8 底座與圓管調(diào)節(jié)段連接俯視圖

鋼橫梁通過與圓管相貫線熔透焊進(jìn)行連接，焊接前提前根據(jù)被支撐鋼桁架標(biāo)高確定鋼橫梁位置，如圖9所示。

圖9 鋼橫梁與圓管連接

圖10 鋼橫梁與方管調(diào)節(jié)段連接

4 支撐胎架施工流程

圓管組合支撐胎架施工流程，主要包括測量定位、底座安裝、圓管地面拼裝、圓管組合整體吊裝、桁架吊裝、增加圓管節(jié)段吊裝多層桁架等,如圖11所示。

圖11 支撐胎架施工流程

4.1 底座固定埋件安裝

底座固定埋件安裝在土建澆筑混凝土前插入，埋件安裝前在完成測量放線后與已綁扎鋼筋進(jìn)行焊接定位?；炷琳駬v后進(jìn)行埋件位置復(fù)測。

4.2 底座安裝

底座安裝前，先按照根據(jù)胎架平面布置圖中已給出的坐標(biāo)點(diǎn)及點(diǎn)與軸線的關(guān)系確定底座位置?；炷涟迕鏉仓黄綍r(shí)，將混凝土突出面鑿平或在埋件上增設(shè)鋼板并調(diào)平，增設(shè)鋼板小于埋件面板并大于型鋼翼緣，與埋件面板圍焊,如圖12所示。

圖12 底座安裝

4.3 支撐措施支撐體系安裝

圓管組合支撐安裝前，在地面首先進(jìn)行拼裝。地面拼裝首先搭設(shè)枕木并調(diào)平，隨后通過塔吊吊裝圓管至枕木，地面搭設(shè)橫梁與連梁就位型鋼支撐。吊裝橫梁與連梁，經(jīng)校正就位后進(jìn)行下一步焊接連接。

首節(jié)圓管的拼裝，包括圓管調(diào)節(jié)段的安裝，圓管調(diào)節(jié)段由工廠加工運(yùn)至現(xiàn)場，調(diào)節(jié)段帶有法蘭，現(xiàn)場通過M24×90螺栓與圓管節(jié)段法蘭對接連接。

首節(jié)支撐鋼橫梁、連梁、吊裝耳板及鋼爬梯、操作平臺同時(shí)在地面安裝到圓管上，形成門字架形式，如圖13所示。

圖13 胎架地面拼裝

對拼裝完成的組合門字架整體吊裝至底座上的定位連接板，如圖14所示。

圖14 胎架整體吊裝

對橫梁標(biāo)高進(jìn)行實(shí)際測量，與桁架下弦標(biāo)高對比，得出方管調(diào)節(jié)段長度，在地面截取方管調(diào)節(jié)段長度后，吊裝至橫梁上表面方管封板，焊接固定，如圖15所示。

云南電力市場中，月度撮合交易起到發(fā)現(xiàn)市場價(jià)格信號的作用。月度撮合交易發(fā)現(xiàn)市場價(jià)格信號有其弊端，不能體現(xiàn)短期的供求情況，不能對有短期調(diào)節(jié)能力的機(jī)組的價(jià)格有一定反映。目前云南省內(nèi)雖然已建立日前市場，但日前市場競價(jià)時(shí)并不區(qū)分時(shí)段，所以電價(jià)很難反映部分時(shí)刻電能的稀缺性。電能市場對于能量的供需反映越精確，輔助服務(wù)的價(jià)格越容易清晰核算。所以云南省內(nèi)電力市場仍然要積極推動(dòng)現(xiàn)貨市場建設(shè)，由現(xiàn)貨市場發(fā)現(xiàn)價(jià)格。

圖15 調(diào)節(jié)段安裝

圓管胎架安裝完成后，拉設(shè)纜風(fēng)繩增強(qiáng)圓管平面外穩(wěn)定性。由于桁架安裝采用退裝法，自下而上安裝完一整個(gè)軸線后退裝下一個(gè)軸線，纜風(fēng)繩不會(huì)影響桁架吊裝就位，如圖16所示。

圖16 纜風(fēng)繩立面圖

5 支撐胎架卸載與拆除

5.1 卸載與拆除原則

支撐胎架卸載與拆除的前提條件為主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)完成連接，結(jié)構(gòu)自身能夠滿足承載要求。

卸載過程中，要求主體和臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及位移變化是緩慢的，避免引起動(dòng)力因素或產(chǎn)生沖擊荷載造成結(jié)構(gòu)局部破壞。同時(shí)，卸載全過程保證主體結(jié)構(gòu)和支撐桿件的應(yīng)力全部控制在彈性范圍內(nèi)，變化幅度控制在合理范圍內(nèi)，避免發(fā)生強(qiáng)度破壞和失穩(wěn)。

5.2 卸載方法與步驟

考慮到桁架跨度較大，卸載過程中使用型鋼與螺旋千斤頂進(jìn)行分級卸載[2]。

卸載經(jīng)過3個(gè)步驟：①布置型鋼與千斤頂，如圖17所示；②千斤頂行程上升頂起桁架，使方管支撐脫離桁架并移除，如圖18所示；③千斤頂行程按照每次2cm高度分級緩慢下降，直至與桁架脫離，卸載完成，如圖19所示。

圖17 步驟1：布置型鋼與千斤頂

圖18 步驟2：千斤頂頂起桁架同時(shí)拆除方管支撐

圖19 步驟3：千斤頂分級下降與桁架脫離

5.3 卸載與拆除順序及流程

卸載過程中結(jié)構(gòu)體系逐步轉(zhuǎn)換，桁架內(nèi)力和臨時(shí)支撐的受力發(fā)生變化，總體卸載順序?yàn)樽陨隙?，由四周往中間對稱卸載。拆除緊跟卸載順序，卸載完成后火焰切割拆除橫梁及連梁，隨后拆除圓管連接螺栓，通過塔吊或汽車吊吊裝圓管至地面。

5.4 安全注意事項(xiàng)

(1)卸載前，提前做好安全技術(shù)交底，對作業(yè)人員進(jìn)行安全教育，安全帽、安全帶、防滑鞋等個(gè)人勞保用品佩戴齊全。

(2)嚴(yán)格按照卸載與拆除順序作業(yè)，使結(jié)構(gòu)對稱緩慢承載。

(3)卸載時(shí)，采用螺旋千斤頂嚴(yán)格按照分級同步頂升及下落，保證桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)力緩慢變化。

(4)卸載過程中，對桁架跨中撓度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，若超出設(shè)計(jì)下?lián)现导皶r(shí)停止卸載并預(yù)警上報(bào)，采取后續(xù)相關(guān)處理措施。

(5)胎架拆除吊裝作業(yè)時(shí)，注意防止與結(jié)構(gòu)及其他設(shè)備碰撞。

5.5 圓管組合胎架優(yōu)點(diǎn)

(1)相比傳統(tǒng)的貝雷架支撐以及格構(gòu)式胎架支撐，該發(fā)明簡化了各組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用Φ609×16圓管取代了貝雷片及格構(gòu)式的大量桿件，材料可周轉(zhuǎn)使用，節(jié)省了大量的材料采購費(fèi)用和制作成本。

(2)多種長度規(guī)格的圓管組合，輕松實(shí)現(xiàn)了不同高度的鋼結(jié)構(gòu)安裝支撐，提高了支撐措施設(shè)計(jì)的效率。

(3)減少支撐措施的復(fù)雜程度，采用法蘭連接提高了支撐的結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性。

(4)圓管組合支撐措施占用空間小，有利于多工序的交叉作業(yè)及其他專業(yè)的交叉施工。

(5)簡化支撐安裝、拆除及二次利用工序，提高了安裝和拆除的效率，方便安拆和轉(zhuǎn)移，節(jié)約了大量的工期。

(6)實(shí)現(xiàn)了支撐措施在對主體鋼結(jié)構(gòu)安裝無影響的前提下跨越樓層連續(xù)支撐，減少了支撐胎架多次定位安裝的難度與時(shí)間，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了多層鋼結(jié)構(gòu)安裝的流水作業(yè)，也最大程度地保證主體鋼結(jié)構(gòu)施工的安全性。

(7)圓管組合支撐胎架適應(yīng)性廣，尤其是裝配式建筑結(jié)構(gòu)的施工。除了適用于正交平面鋼桁架，部分超長超重鋼梁、懸挑結(jié)構(gòu)乃至于裝配式混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件的安裝均可以使用。

6 施工模擬分析計(jì)算

6.1 計(jì)算約定

采用有限元軟件進(jìn)行圓管支撐胎架受力分析及施工模擬。首先對單個(gè)桁架分段施工進(jìn)行支撐胎架受力分析，再對整個(gè)桁架結(jié)構(gòu)施工進(jìn)行模擬分析。

邊界條件使用固定支座模擬胎架底部埋件支座。

如圖20～圖21所示，荷載主要包括：

(1)恒荷載：結(jié)構(gòu)自重；

(2)活荷載：所支撐的桁架對胎架的作用力；

(3)風(fēng)荷載：考慮X、Y兩個(gè)方向的風(fēng)荷載對支撐鋼胎架的作用。

圖20 支撐胎架受力

圖21 桁架對支撐胎架反力

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009-2012》5.2.2條確定風(fēng)荷載相關(guān)參數(shù)見表1所示。

表1 風(fēng)荷載相關(guān)參數(shù)

風(fēng)荷載計(jì)算值按照荷載規(guī)范8.1.1條得到計(jì)算的分段荷載如表2所示。X、Y向風(fēng)荷載如圖22所示。

表2 不同高度風(fēng)荷載值

圖22 X、Y方向風(fēng)荷載

計(jì)算得到應(yīng)力云圖與位移云圖，最大組合應(yīng)力值為67.5MPa，如圖23所示。最大位移值：7.7mm，如圖24所示。

圖23 支撐胎架應(yīng)力云圖

圖24 位移云圖

圖25 臨界荷載系數(shù)

胎架計(jì)算得到的最大應(yīng)力為67.5MPa<205MPa，滿足規(guī)范要求。胎架位移7.8mm1，如圖25所示。整體穩(wěn)定性驗(yàn)算通過。

圖26 桁架施工步1應(yīng)力云圖

圖27 桁架施工步1位移云圖

圖28 桁架施工步2應(yīng)力云圖

圖29 桁架施工步2位移云圖

圖30 桁架施工步3應(yīng)力云圖

圖31 桁架施工步3位移云圖

圖32 桁架施工步4應(yīng)力云圖

圖33 桁架施工步4位移云圖

圖34 桁架施工步5應(yīng)力云圖

圖35 桁架施工步5位移云圖

圖36 桁架施工步6應(yīng)力云圖

圖37 桁架施工步6位移云圖

圖38 桁架施工步7應(yīng)力云圖

圖39 桁架施工步7位移云圖

桁架吊裝各施工步應(yīng)力與位移云圖如圖26～圖39所示，各施工步結(jié)構(gòu)最大組合應(yīng)力變化時(shí)程曲線[3]如圖40所示，每個(gè)施工步最大組合應(yīng)力隨桁架沿軸線退裝而變化，呈階梯狀，施工步7達(dá)到最大。組合應(yīng)力階梯狀反應(yīng)出不同軸線桁架自重不同及南側(cè)辦公區(qū)增加至三層桁架所帶來的應(yīng)力顯著增大。

圖40 結(jié)構(gòu)最大組合應(yīng)力時(shí)程曲線

各施工步結(jié)構(gòu)最大合位移變化時(shí)程曲線反映最大合位移在施工16m與32m桁架時(shí)較為平穩(wěn)，當(dāng)施工步7施工南側(cè)辦公區(qū)16m、24m、32m層桁架時(shí)，最大合位移增大為52.5mm，如圖41所示。

圖41 結(jié)構(gòu)最大合位移時(shí)程曲線

整個(gè)安裝過程中最大應(yīng)力161.7MPa，最大應(yīng)力在圓管胎架上。材料強(qiáng)度具有足夠的安全儲備，且應(yīng)力整體變化平穩(wěn)。施工過程最大位移為52.5mm

7 工程實(shí)際應(yīng)用

福州數(shù)字中國會(huì)展中心項(xiàng)目在現(xiàn)場桁架吊裝中采用履帶吊雙機(jī)抬吊退裝法，在每完成一段桁架吊裝同時(shí)及時(shí)連接次桿件，使桁架與已安裝結(jié)構(gòu)組成穩(wěn)定體系，防止桁架傾覆。圓管組合支撐胎架現(xiàn)場安裝完成后根據(jù)需要沿垂直于兩根圓管組合面方向拉設(shè)纜風(fēng)繩，確保圓管組合胎架穩(wěn)定性。

圓管組合支撐胎架實(shí)現(xiàn)了支撐措施在對主體鋼結(jié)構(gòu)安裝無影響的前提下跨越樓層連續(xù)支撐，減少了支撐胎架多次定位安裝的難度與時(shí)間，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了多層鋼結(jié)構(gòu)安裝的流水作業(yè)，也最大程度地保證主體鋼結(jié)構(gòu)施工的安全性,如圖42所示。

工程實(shí)際應(yīng)用中受限于工期緊張，且為完成對應(yīng)高度桁架支撐，直接采取橫梁與圓管現(xiàn)場定位焊接連接的方式。后續(xù)項(xiàng)目可將橫梁與圓管優(yōu)化為帶螺栓孔牛腿形式的螺栓連接，更好實(shí)現(xiàn)材料周轉(zhuǎn)利用。

圖43～圖45為圓管組合支撐胎架各典型組件在工程實(shí)際中的應(yīng)用。

圖42 圓管組合胎架在施工中的運(yùn)用

圖43 帶法蘭盤圓管

圖44 鋼橫梁

圖45 圓管調(diào)節(jié)段

8 結(jié)語

福州數(shù)字中國會(huì)展中心為典型的多層正交平面鋼桁架結(jié)構(gòu)，裝配率超過50%。本文基于此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)針對性的支撐胎架系統(tǒng)，利用有限元軟件對支撐胎架進(jìn)行模擬計(jì)算，并在實(shí)際施工中運(yùn)用，獲得圓滿成功，實(shí)現(xiàn)降本增效。同時(shí)，該支撐胎架具有一定的創(chuàng)新性，適用性強(qiáng)，可為類似裝配式建筑施工提供參考。