某各層弱相關(guān)懸掛結(jié)構(gòu)施工模擬分析*

向 虎, 邱 劍, 陽 帥, 任 路, 溫四清, 楊天成, 劉歡云

(1 中信建筑設(shè)計研究總院有限公司，武漢 430014；2 中鐵十八局集團有限公司，天津 300222；3 中建鋼構(gòu)武漢有限公司，武漢 430014)

1 工程概況

某高層連體結(jié)構(gòu)9～16層局部挑空,其結(jié)構(gòu)詳細信息見文獻[1]。采用各層弱相關(guān)的懸掛結(jié)構(gòu)體系[1]實現(xiàn)建筑效果。在屋頂設(shè)置轉(zhuǎn)換桁架[2],轉(zhuǎn)換桁架支承于鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土剪力墻上,轉(zhuǎn)換桁架單側(cè)大懸挑,主受力桁架懸挑跨度約15.5m,挑空區(qū)各懸掛樓層均通過獨立鋼拉桿懸掛于轉(zhuǎn)換桁架的懸挑部分下方,吊掛下部樓層的鋼拉桿直接連接該懸掛樓層與轉(zhuǎn)換桁架下弦,不與其上的懸掛樓層相連。由于結(jié)構(gòu)體系特殊,屋頂轉(zhuǎn)換桁架及懸掛樓層的施工方案直接影響到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力和變形[3]。本文通過對主體結(jié)構(gòu)進行施工模擬分析,確定了合理的施工方案,并為施工提供控制數(shù)據(jù)。

2 懸掛結(jié)構(gòu)施工方案

本工程懸掛區(qū)位于9～16層,典型懸掛樓層平面布置圖見圖1。9層樓面標高37.150m,采用常規(guī)自下而上的施工方法[4-5]需要較高的施工措施費,故結(jié)合本工程特點,確定采用整體提升的方案進行懸掛區(qū)鋼結(jié)構(gòu)施工。初步擬定了兩種方案,對兩種方案計算結(jié)果進行對比分析以確定合理的施工方案。

圖1 典型懸掛樓層平面布置圖

方案一(采取施工控制措施)的具體施工步驟如下:

步驟一:非懸掛區(qū)域主體結(jié)構(gòu)施工到頂,非懸挑桁架施工完畢,非懸掛區(qū)域屋面板澆筑,見圖2。

圖2 步驟一

步驟二:懸挑桁架拼裝,見圖3。

圖3 步驟二

步驟三:懸掛區(qū)9～16層樓面鋼梁在地面或局部屋面堆疊拼裝,樓層鋼梁底部設(shè)置提升托架,將低區(qū)拼裝的部分局部提升到高區(qū)進行連接,使樓層鋼梁形成整體,再整體提升到16層處,安裝吊掛16層的鋼拉桿,逐步下降托架,依次安裝吊掛15～9層的鋼拉桿,完成懸掛區(qū)鋼結(jié)構(gòu)提升。此過程中與落地鋼管混凝土柱相連的樓層鋼梁兩端鉸接連接。見圖4。9～16層均安裝完成后復測各層吊點標高,對施工誤差較大的樓層微調(diào)鋼拉桿長度。

步驟四:澆筑懸掛區(qū)樓板,并在與非懸掛部分的交界處設(shè)置后澆帶。后澆帶布置見圖1。

步驟五:澆筑懸掛區(qū)屋面板。復測各層吊點標高,對施工誤差較大的樓層微調(diào)鋼拉桿長度。

步驟六:將與落地鋼管混凝土柱相連的樓層鋼梁翼緣焊接連接(鉸接變剛接),并封閉懸掛區(qū)與非懸掛區(qū)之間的后澆帶,主體結(jié)構(gòu)施工完成。施工完成后的主體結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 主體結(jié)構(gòu)施工完成

由于屋面板位于桁架下弦處,屋面板對桁架剛度及承載力有貢獻[2],屋面板施工時序會影響到桁架的受力和變形,考慮到提升階段的便利性并盡量壓縮施工工期,屋面板和懸掛樓層樓板可同時澆筑,但施工模擬分析中不能考慮屋面板對桁架剛度及承載力的貢獻,故在施工模擬分析時將屋面板澆筑放在懸掛樓層樓板澆筑之后。

方案二為方案一的對比方案,區(qū)別在于步驟三中與落地鋼管混凝土柱相連的樓層鋼梁直接剛接,且沒有步驟六。

3 常規(guī)設(shè)計軟件的局限性

采用常規(guī)軟件進行計算時,采用分層剛度分層加載的模型(非懸掛區(qū)按樓層從下到上依次組裝成形),懸掛區(qū)從上到下分層依次定義構(gòu)件施工次序。即使如此,仍然與實際存在差異,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:1)模型中8個懸掛樓層的鋼拉桿平面投影重疊,且8根鋼拉桿在桁架下弦處共用節(jié)點,無法真實模擬,只能用上大下小的鋼拉桿代替;2)缺少鈍化功能,無法實現(xiàn)梁端先鉸接后剛接,采用常規(guī)軟件計算時,將與鋼管混凝土柱相連的鋼梁兩端鉸接;3)樓板只能隨板邊的構(gòu)件同時成型,不能模擬樓板后澆,導致桁架施工次序中就已經(jīng)考慮了屋面板剛度的貢獻;4)無法自定義材料,鋼拉桿強度等級為650級,只能采用近似的鋼材代替。

4 分析模型

本工程采用MIDAS Gen進行全過程施工模擬分析,MIDAS Gen可以有效解決第3節(jié)中所述的各種問題[6],真實模擬結(jié)構(gòu)成形和受力狀態(tài)。按第2節(jié)所述施工步驟定義施工步,分析模型見圖6。

圖6 MIDAS Gen分析模型

4.1 各層弱相關(guān)模擬

為了準確模擬各層弱相關(guān)的關(guān)系,且為了方便在后處理階段提取鋼拉桿內(nèi)力,在各懸掛樓層吊點處按實際截面和材性設(shè)置一段1000mm長的鋼拉桿,鋼拉桿頂端與桁架下弦吊點之間設(shè)置彈性連接。模型節(jié)點位于桁架上翼緣上表面,桁架下弦高度800mm,假定模型中彈性連接長度L(mm),鋼拉桿面積A(mm2),則鋼拉桿實際長度為1 000+L-800=L+200(mm),鋼拉桿實際伸長量與軟件模擬的伸長量應(yīng)一致,即有:

(L+200)/EA=1000/EA+1/G

(1)

式中:E為鋼拉桿的彈性模量,N/mm2;G為彈性連接軸向剛度,N/mm。

由式(1)可得彈性連接軸向剛度G為:

G=EA/(L-800)

(2)

根據(jù)式(2)計算各樓層鋼拉桿的彈性連接軸向剛度帶入模型模擬鋼拉桿,可以比較準確地實現(xiàn)懸掛樓層與桁架內(nèi)力和位移相關(guān),而下部懸掛樓層與上部懸掛樓層的內(nèi)力和位移不直接相關(guān)(即各懸掛樓層弱相關(guān))。

4.2 先鉸接后剛接模擬

為了實現(xiàn)方案一中與鋼管混凝土柱相連的鋼梁梁端約束先鉸接后剛接,將此類梁端的鉸接邊界設(shè)置為單獨的邊界組,在步驟三中激活該邊界組實現(xiàn)鋼梁梁端鉸接,在步驟六中鈍化該邊界組實現(xiàn)鋼梁梁端剛接。

5 結(jié)果分析

5.1 MIDAS Gen與YJK分析結(jié)果對比

提取MIDAS Gen和YJK軟件的部分計算結(jié)果進行對比,恒載+活載標準組合下桁架下弦吊點的豎向位移結(jié)果見表1,部分鋼拉桿在最不利基本組合作用下的軸拉力設(shè)計值見表2,軸桁架部分桿件的最不利內(nèi)力設(shè)計值見表3,桿件編號見圖7。由表1～3可知,MIDAS Gen計算得到的大多數(shù)桁架下弦吊點的豎向位移均小于YJK的結(jié)果,MIDAS Gen計算得到的鋼拉桿軸拉力和桁架桿件內(nèi)力設(shè)計值均小于YJK的結(jié)果,原因在于:YJK模型中與落地鋼管混凝土柱相連的鋼梁始終鉸接,MIDAS Gen模型中該鋼梁先鉸接后剛接,剛接后更多的荷載直接通過剛接鋼梁傳至鋼管混凝土柱,進而減小了桁架及鋼拉桿的內(nèi)力。由此可見,用YJK的近似簡化模型設(shè)計桁架及鋼拉桿是偏安全的。

表1 恒載+活載標準組合下桁架下弦吊點的豎向位移/mm

表2 最不利基本組合作用下的鋼拉桿軸拉力設(shè)計值/kN

表3 軸桁架部分桿件最不利內(nèi)力設(shè)計值

表3 軸桁架部分桿件最不利內(nèi)力設(shè)計值

桿件編號軸力/kN彎矩/(kN·m)YJKMIDAS GenYJKMIDAS Gen1-9 593-9 4114 0643 8352-15 060-13 9559118362a12 99712 009248196314 50013 7161 2181 202

圖7 軸桁架部分桿件編號

另外,用MIDAS Gen對鋼構(gòu)件進行設(shè)計,懸掛樓層鋼梁應(yīng)力比均未超過0.8,滿足受力要求。

5.2 方案一與方案二對比

表4 軸屋頂轉(zhuǎn)換桁架桿件最不利內(nèi)力及應(yīng)力比對比

表4 軸屋頂轉(zhuǎn)換桁架桿件最不利內(nèi)力及應(yīng)力比對比

桿件編號軸力/kN彎矩/(kN·m)應(yīng)力比方案一方案二方案一方案二方案一方案二1-9 411-9 1953 8353 7420.570.562-13 955-13 5558368120.590.582a12 00911 6721961890.440.42313 71613 4701 2021 1720.490.48

表5 軸交～軸鋼梁彎矩設(shè)計值及應(yīng)力比

表5 軸交～軸鋼梁彎矩設(shè)計值及應(yīng)力比

樓層跨中彎矩/(kN·m)支座彎矩/(kN·m)應(yīng)力比方案一方案二方案一方案二方案一方案二16743579-914-1 4530.47 0.63 15654394-983-1 5360.50 0.66 14707527-1 028-1 6320.56 0.70 13628389-1 198-1 8740.60 0.81 12678484-1 094-1 8120.64 0.78 11611377-1 386-2 1680.68 0.93 10637424-1 240-1 9670.72 0.85 9595365-1 432-2 3740.73 1.02

5.3 屋頂轉(zhuǎn)換桁架起拱值

本工程對屋頂轉(zhuǎn)換桁架的懸挑段進行起拱,通過起拱使桁架懸挑段在懸掛樓層及屋面自重、裝修荷載(包含樓面面層、設(shè)備管線、吊頂及幕墻等自重)作用下基本處于水平位置。分別提取步驟一中的參照支座豎向位移D0,恒載作用下桁架下弦吊點豎向位移S及參照支座的豎向位移a,其中參照支座豎向位移a為與屋頂轉(zhuǎn)換桁架下弦相連的鋼管混凝土柱節(jié)點的豎向位移,參照支座編號見圖1。屋頂轉(zhuǎn)換桁架在各吊點處的起拱值D=S-a+D0,屋頂轉(zhuǎn)換桁架在吊點處的起拱值結(jié)果見表6。

表6 屋頂轉(zhuǎn)換桁架在吊點處的起拱值計算

5.4 懸掛樓層鋼梁起拱值

若懸掛樓層鋼梁提升就位安裝完畢后與水平面平行,樓板澆筑后鋼拉桿伸長及屋頂轉(zhuǎn)換桁架豎向變形將導致樓面外傾,裝修階段為了樓面找平,挑空區(qū)遠端建筑面層厚度將超過設(shè)計厚度,進而導致結(jié)構(gòu)超載,危及結(jié)構(gòu)安全。故懸掛樓層鋼梁需要起拱,地面拼裝階段9～16層鋼梁在吊點處的起拱值見表7。懸掛樓層鋼梁按照表7的起拱值在地面或屋面進行拼裝,提升就位且未解除鋼梁與托架之間的聯(lián)系之前,吊點相對于非懸掛區(qū)樓面的起拱值仍應(yīng)與表7相吻合。解除鋼梁與托架之間的聯(lián)系后和樓板澆筑完成后,測量樓層吊點相對于非懸掛區(qū)樓面的起拱高度,分別按表8、9進行控制,測量值與表8、9對應(yīng)數(shù)值相差較大時,可通過調(diào)節(jié)旋進量調(diào)整鋼拉桿長度。

表7 懸掛樓層鋼梁地面拼裝階段吊點處的起拱值/mm

表8 懸掛樓層鋼梁安裝完成后吊點相對于非懸掛區(qū)樓面的起拱高度/mm

表9 樓板、屋面板澆筑完成后吊點相對于非懸掛區(qū)樓面的起拱高度/mm

5.5 鋼拉桿長度

根據(jù)鋼拉桿內(nèi)力反算出鋼拉桿的伸長量,直徑60、70mm的鋼拉桿最大伸長量分別為15.8、18.1mm,單節(jié)鋼拉桿接頭的允許調(diào)節(jié)量分別為±34、±40mm,故所有鋼拉桿均可按照樓層設(shè)計標高計算確定下料長度,無需根據(jù)每個點的變形量單獨確定下料長度。按5.3、5.4節(jié)對屋頂轉(zhuǎn)換桁架和樓層鋼梁起拱,懸掛樓層提升到對應(yīng)標高后通過調(diào)節(jié)旋進量來調(diào)整鋼拉桿長度完成安裝。

5.6 幕墻龍骨間隙取值的合理性驗證

每層幕墻單獨設(shè)置龍骨,即龍骨非連續(xù),幕墻龍骨采用插銷式構(gòu)造連接。當上層豎向變形大于下層豎向變形時,相鄰樓層層高減小,若龍骨間隙不足,變形過程中龍骨會頂住下層樓面,上層荷載會通過龍骨傳至下層,使得吊掛下層的鋼拉桿超載。懸掛區(qū)功能為商務(wù)辦公,毛坯交付,為了避免鋼拉桿因上述原因出現(xiàn)超載,層間幕墻龍骨預留間隙取值應(yīng)根據(jù)裝修荷載及活載作用下臨邊吊點的層間相對變形值來確定,本工程幕墻預留間隙為30mm。由于10、12、14、16層局部設(shè)置跨層中庭,使得這四層部分吊點的豎向位移可能小于其上層的豎向位移。部分吊點在裝修荷載及活載作用下相對于上層的層間變形值見表10,表中正值表示上下層樓面的距離變大,無本節(jié)所述風險,負值表示上下層樓面的距離變小,確定龍骨間隙時需要關(guān)注負值。由表10可知,吊點3處10層與11層的相對距離減小最多,為5mm<30mm,說明預留間隙值足夠,不會出現(xiàn)間隙被全部消耗而出現(xiàn)上層荷載通過龍骨傳至下層的風險。

5.7 活荷載作用下的豎向變形

通過屋頂轉(zhuǎn)換桁架起拱和樓層鋼梁起拱確保桁架和懸掛樓層在自重及恒載作用下處于水平位置,仍需保證使用階段活載作用下樓層變形滿足規(guī)范要求。計算結(jié)果顯示9層吊點2在活載作用下的豎向位移最大,為16.6mm<15500/500=31mm,滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》(GB 50017—2017)[7]的要求。

6 結(jié)語

(1)本文對懸掛結(jié)構(gòu)進行了全過程施工模擬分析,真實模擬了各層弱相關(guān)懸掛結(jié)構(gòu)體系的成形過程,反映了結(jié)構(gòu)的真實受力狀態(tài)。

(2)通過對比MIDAS Gen與YJK的分析結(jié)果,證明了YJK模型雖然在細節(jié)上不能真實反映實際的施工過程,但是經(jīng)過等效簡化后,計算結(jié)果是偏于安全的。

(3)由兩個施工方案的分析結(jié)果可知,方案一通過采用施工控制措施實現(xiàn)了與鋼管混凝土柱相連懸掛樓層鋼梁的內(nèi)力重分布,減小了鋼梁控制彎矩,實現(xiàn)了梁截面優(yōu)化,獲得了較高的使用凈高,具有較好的經(jīng)濟性和實用性。

(4)通過施工模擬分析確定了屋頂轉(zhuǎn)換桁架起拱值、樓層鋼梁起拱值及鋼拉桿的下料長度,避免了后期因樓面找平而造成樓面裝修超載,保證了結(jié)構(gòu)安全。

(5)通過計算裝修荷載及活載作用下相鄰樓層的相對變形,驗證了幕墻龍骨間隙取值的合理性。