大跨度悬挑钢结构连廊吊装施工的模拟分析
1 工程概况
某工程地上钢结构由2栋塔楼以及中间大跨度悬挑钢结构连廊组成(图1),塔楼逐层悬挑,最大悬挑长度达18.9 m,结构共7层,总高度31 m,采用钢框架-中心支撑结构形式,其中斜撑钢构件主要集中在6层及以上的悬挑部位,6层以下部分悬挑及连廊中间位置也有斜撑分布,斜撑的主要截面形式包括箱形和H形。钢结构主要由钢柱、钢梁、钢斜撑组成,钢柱与主梁主要为刚接节点,钢斜撑与钢柱为刚接节点,主梁与次梁主要为铰接节点,其中刚接节点为一级焊缝;钢结构主要截面形式有H型钢、变截面H型钢、箱型钢以及十字型钢,材质主要采用Q345B和Q390B。在6层以上采用钢结构连廊连接2座塔楼,连廊跨度达33.6 m,最大悬挑长度达16.0 m,连廊施工存在大跨度、长悬挑的特点,结合现场吊装作业面小的情况,给现场连廊吊装施工带来很大的难题[1-4]。
图1 结构模型示意
2 方案比选
针对本工程钢结构连廊跨度大、悬挑长、吨位大、斜撑多以及现场施工具体情况等特点,结合以往施工经验以及国内外大跨度钢结构安装工程实例,进行了多方案的比较、分析。
2.1 整体吊装
1)特点:将结构在地面拼装成整体后,采用起重设备吊装至设计位置。
2)优点:地面拼接可有效保证焊接质量及几何尺寸。3)缺点:需超大型起重设备,费用昂贵。
2.2 高空散拼
1)特点:结构在设计标高一次拼接完成。
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3)缺点:需要采用专门设计的临时支撑,采用较大的起重设备。
2.3 分片吊装
1)特点:地面进行部分拼接,高空吊装就位。
1)阶段1:设置主框梁临时支撑,依次吊装6层、7层最远端主框梁及相连次梁。
2)优点:高空拼接作业量及现场支架使用量减少。
3)缺点:现场高空作业量大,需要大量支架材料。
整体同步进行卸载,卸载时每个支撑架派2名工人进行操作,通过通信设备,由现场项目管理人员统一指挥,保证在大致同步的条件下进行卸载。
2.4 方案确定
通过分析比较,考虑到现场施工条件比较窄,建筑背面无法停放吊车,只能在建筑正面进行吊装的情况,决定采用分片吊装方案,即在地面将连廊主梁焊接后进行分片吊装,在连廊主梁中段设置临时支撑进行受力。吊装过程中,结构的空间定位测量以及吊装完成后临时支撑卸载是关键,因此,需要对整个吊装及卸载过程进行施工模拟,以便指导现场施工。
2)优点:可用较小起重设备。
3 现场施工
3.1 机械选型
连廊单根主框梁质量达7.5 t,最远的主框梁吊装半径达45 m,根据汽车吊吊重性能分析,决定采用塔楼主体吊装的QGC130型号130 t履带吊,以满足现场的连廊吊装要求,另采用1台25 t汽车吊进行构件的卸货及近端钢连廊次梁吊装。
3.2 吊装流程
根据结构形式,在每根钢连廊的中段下方设置临时支撑,作为吊装过程中钢梁自重受力的支撑点,避免钢框梁发生过大挠度和变形。钢结构连廊现场施工按照以下步骤进行:先吊装6层最靠里的2根主框梁以及之间的次梁,接着吊装7层最靠里的主框梁及次梁,接着吊装6层从里往外的第3根主框梁及次梁,然后吊装屋面层最靠里的2根主框梁及次梁,如此循环,确保上一层的主框梁比下一层少1~2根,不影响起重机械的吊装操作。在钢梁吊装过程中,穿插安排钢筋桁架楼承板安装工作,值得注意的是,为保证临时支撑卸载后楼承板混凝土不会产生裂缝,6层及以上楼板混凝土浇筑在临时支撑卸载后进行。
结构安装完成后,暂不浇筑6层及以上楼面混凝土,25组临时支撑架同步进行卸载,支撑架卸载后方可进行6层及以上楼面混凝土浇筑。
3.3 临时支撑施工
本工程钢结构连廊区域设置7组四肢格构式临时支撑架,包括主框梁下方4组和连廊悬挑区域3组,其中布置于6层钢连廊主框梁下方的临时支撑架高度约26.0 m,布置于钢连廊悬挑区域的临时支撑架高度约28.8 m。根据支撑架承受荷载,对支撑架设计如下:支撑架平面尺寸2.0 m×2.0 m,顶部节间采用H200 mm×200 mm×8 mm×12 mm(Q235B)型钢作为平台,采用B120 mm×6 mm、B120 mm×5 mm(Q235B)矩管加强(图2)。
图2 临时支撑架顶部结构布置
为了保证临时支撑架的侧向稳定,在上部钢结构未就位前,在临时支撑架四周拉设缆风绳进行临时固定。在上部钢结构就位前,不可拆除缆风绳。
关于此画的具体内容,至今说法不一。 大略有三种说法: 第一种是来自王元化先生随笔《青松红杏图》: 画面是一株红杏,一棵青松,松树下坐着一位虬髯和尚,正在参禅; 第二种出自刘叶秋先生《刘叶秋讲北京》记录: 绘有青松一株,红杏一丛,老僧凭松对溪流而冥思; 第三种来自《燕都丛考》记载: 一老僧凭松而立,苍枝蚪亘,红杏夹之,一沙弥手执一芝立其下。 这三种说法,不同之处在于老僧姿态以及是否存在沙弥这样的人物形像。
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4 连廊吊装施工模拟分析
本工程钢结构采用分片吊装,对结构施工过程进行计算机仿真模拟分析,采用通用有限元分析软件Midas Gen 2014进行建模分析验算。验算过程中结构自重修正系数取1.3。在边界、单元、节点、支撑架等设置中,支座、支撑架以及各个连接节点,根据施工分步中采取的措施,严格按照图纸以及施工过程进行模拟分析。
根据已经制订的施工过程,首先按照普通钢构吊装完成2座塔楼,再按照如下顺序吊装塔楼悬挑部分和连廊结构:
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2)阶段2:吊装6层第3根主框梁、屋面层最远端主框梁及相连次梁。
由于矮塔斜拉桥在国内兴起较晚,到目前为止国内该桥型的桥梁还不是很多。故关于该桥型的抗震研究资料还很匮乏。目前,随着矮塔斜拉桥这种桥型逐渐被国内桥梁界所接受,并得到了较多的运用。该桥型已逐渐成为桥梁抗震研究的一个热点[2],针对该桥型抗震研究的高校或研究机构也越来越多。
5)阶段5:采取同步措施,拆除连廊区域临时支撑。
4)阶段4:按照主框梁的顺序吊装连廊悬挑区域梁及斜撑,并对梁、斜撑的焊接质量进行检查。
3)阶段3:依次吊装完成6层至屋面层连廊主框梁及相连次梁的吊装。
通过施工阶段分析计算,连廊在各吊装施工阶段位移、应力结果见表1。
② SC Magazine:Security of Computer Magazine,《计算机安全杂志》,是美国计算机行业较权威的刊物。
表1 连廊吊装各阶段分析结果
施工阶段 最大位移/mm 最大应力/MPa x向 y向 z向 组合应力 剪应力阶段1-1.3-1.2 -0.8 8.8 1.2阶段2 -1.3-1.2 -1.2 24.9 3.4阶段3-1.2-1.1-1.2 25.3 3.6阶段4-0.9-1.0-6.5 53.0 5.0阶段5-1.2 0.3-16.9 43.5 4.6
通过上述分析结果表明,在连廊吊装过程中、未拆除临时支撑前,结构最大竖向位移为6.5 mm,水平位移均很小;构件最大组合应力53.0 MPa、最大剪应力5.0 MPa,小于钢材设计强度,最大应力出现在悬挑部位临时支撑处杆件上,位置合理(图3)。
按照项目整体成本构成,做好项目整体税费筹划。在个人所得税方面,根据中国与项目所在国个人所得税对比分析,选择合适的工资发放方式,避免在境外缴纳的个人所得税过高。在当地社保方面,咨询当地律师意见,针对非居民纳税人的纳税及生活方式,申请豁免部分当地应缴纳社保比例或降低缴费基数,进一步降低企业负担。在企业所得税方面,深入了解当地企业成本构成,尽可能的合理增加当地成本,减低企业所得税负,并做好企业所得税境内抵免工作,避免重复纳税。
在连廊吊装过程完成、拆除临时支撑后,结构最大竖向位移为16.9 mm,水平位移均很小;构件最大组合应力43.5 MPa、最大剪应力4.6 MPa,小于钢材设计强度,最大应力出现在连廊跨中处杆件上,位置合理(图4)。
根据施工模拟分析计算结果,连廊吊装过程中最大的竖向变形量为16.9 mm,小于设计最大允许下挠值L/400=21 mm,变形满足要求。最大组合应力53.0 MPa、最大剪应力5.0 MPa,小于钢材强度设计值,满足要求。通过施工模拟计算结果,说明连廊吊装施工过程安全。
图3 连廊结构吊装完成时的变形及应力云图
图4 临时支撑拆除后的变形及应力云图
5 结语
在钢连廊吊装及卸载过程中,通过对钢结构连廊的变形进行观测,可以发现,在连廊安装完成后、卸载前,最大变形实测值为7.5 mm,发生在连廊悬挑部位,较施工模拟值6.5 mm稍大,但符合标准要求;卸载完成后,最大变形实测值为18.2 mm,发生在连廊悬挑部位,较施工模拟值16.9 mm稍大,但亦满足标准要求。
通过对施工模拟的分析计算,验证了方案的合理性,为施工时钢结构的受力和变形提供了可靠依据,确保了钢结构施工的安全与质量,同时也为类似钢结构工程提供了借鉴。
[1]北京迈达斯技术有限公司.midas Gen工程应用指南[M].北京:中国建筑工业出版社,2012.
[2]中国钢结构协会.建筑钢结构施工手册[M].北京:中国计划出版社,2002.
[3]罗永峰,遇瑞,王朝波,等.长沙中天广场钢结构连廊的整体吊装[J].钢结构,2007,22(9):86-88,41.
[4]唐际宇,黄天赐,张勋胜,等.高空大跨度钢结构连廊吊装施工技术[J].建筑技术,2010,41(2):106-109.
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