大跨度鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)中臨時(shí)支撐體系的運(yùn)用論文

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　　1 臨時(shí)支撐體系的作用

大跨度鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)中臨時(shí)支撐體系的運(yùn)用論文

　　大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工過程是由局部到整體的過程，結(jié)構(gòu)未成型之前尚不能完全靠自身承載或保持穩(wěn)定，通常需要在安裝階段預(yù)先搭設(shè)臨時(shí)支撐，在結(jié)構(gòu)安裝完成后，再按照預(yù)定的方法及順序拆除這些臨時(shí)支撐。臨時(shí)支撐在施工過程中有如下作用[1]:

　　①為主體結(jié)構(gòu)的高空安裝提供操作平臺(tái)；

　�、诒３忠寻惭b結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性；

　　③減小安裝過程中主體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形；

　�、芴岣咧黧w結(jié)構(gòu)施工過程的安全性及安裝精度。

　　2 臨時(shí)支撐體系的布置原則

　　設(shè)置臨時(shí)支撐幾乎是所有大跨度結(jié)構(gòu)安裝過程中必然遇到的問題，但是臨時(shí)支撐改變了結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)受力狀態(tài)，可能會(huì)造成臨時(shí)支撐點(diǎn)處及附近區(qū)域的桿件內(nèi)力加大，引起安裝過程中結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞。如何選擇一個(gè)適合大跨度空間結(jié)構(gòu)臨時(shí)支撐布置，保證結(jié)構(gòu)安裝的安全可靠性而又符合現(xiàn)場下部結(jié)構(gòu)形式便于施工，成為一個(gè)值得探討的問題。

　　臨時(shí)支撐的布置與結(jié)構(gòu)的施工方法有關(guān)�？臻g鋼結(jié)構(gòu)的常用施工方法有高空散裝法、吊裝法、滑移法、整體提升法、整體頂升法等[2].高空散裝法常采用滿堂腳手架布置；滑移法結(jié)構(gòu)在腳手架平臺(tái)上安裝；吊裝法、整體頂升法或整體提升法施工時(shí)由于結(jié)構(gòu)跨度較大，通常在結(jié)構(gòu)上設(shè)置多個(gè)臨時(shí)支撐點(diǎn)，這些支撐點(diǎn)通常可以通過拉桿或者斜撐形成一個(gè)整體。

　　當(dāng)大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工需要設(shè)置多個(gè)臨時(shí)支撐點(diǎn)時(shí)，其設(shè)置的基本原則如下：

　�、俑鶕�(jù)主體結(jié)構(gòu)與施工區(qū)段的劃分，分塊進(jìn)行臨時(shí)支撐的設(shè)置；

　�、谂R時(shí)支撐的設(shè)置應(yīng)與施工吊裝方案設(shè)計(jì)相結(jié)合，保證吊裝過程中已安裝結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；

　�、蹖τ诨緦ΨQ的結(jié)構(gòu)，一般可按經(jīng)驗(yàn)方法在屋蓋平面的中心或者桁架平面投影的中點(diǎn)設(shè)置一臨時(shí)支撐，其余支撐按對稱原則設(shè)置；

　�、艹浞掷弥黧w結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減少不必要的臨時(shí)支撐�？稍谥麒旒芟略O(shè)置部分臨時(shí)支撐，待主桁架分段吊裝完畢后，將主桁架作為次桁架安裝的支撐點(diǎn)。

　　3 臨時(shí)支撐體系的優(yōu)化方法

　　大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工過程中用到的臨時(shí)支撐數(shù)量大，規(guī)格多。為滿足施工要求，需要投入大量的人力、物力和時(shí)間進(jìn)行臨時(shí)支撐的加工制作、安裝以及后期拆除。因而，對臨時(shí)支撐體系進(jìn)行優(yōu)化對縮短施工時(shí)間、節(jié)省施工費(fèi)用很有必要�？梢詮呐R時(shí)支撐體系設(shè)計(jì)、布置、使用等方面進(jìn)行優(yōu)化。

　�、俨捎猛ㄓ媒M合式臨時(shí)支撐；

　�、谔岣吲R時(shí)支撐循環(huán)利用率；

　�、蹆�(yōu)化吊裝順序、減少臨時(shí)支撐；

　　④合理減少懸挑端臨時(shí)支撐數(shù)量。

　　3. 1采用通用組合式臨時(shí)支撐

　　在大跨度鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中，需要利用各種各樣的胎架，以方便安裝、控制構(gòu)件幾何精度，若這些胎架不具備互換性，往往當(dāng)一種產(chǎn)品完工后，與之相應(yīng)的胎架便失去了作用，所有工程竣工后鋼結(jié)構(gòu)施工胎架必然會(huì)造成長期閑置并帶來浪費(fèi)。這樣不僅增加了制造成本，而且延緩了生產(chǎn)進(jìn)度、降低了勞動(dòng)生產(chǎn)率。因此，研制具有互換性、通用性且簡便易操作的胎架對鋼結(jié)構(gòu)制造非常必要[1].

　　以中國博覽會(huì)會(huì)展綜合體項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目采用的臨時(shí)支撐為格構(gòu)柱，由底座、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)、頂部平臺(tái)組成。格構(gòu)柱布置于桁架下方，承受桁架自重及安裝活荷載，格構(gòu)柱設(shè)置在16m樓板上，樓板下方由格構(gòu)柱頂緊支承。格構(gòu)柱根據(jù)高度不同共分41,27,7m 3種類別，如圖1所示。格構(gòu)柱均采用4根鋼管（159 × 8）為主肢、圓管（133 × 6）為綴條組成的格構(gòu) 式截面，管中心間距為2 000mm ×2 000mm,材質(zhì)為Q345B.臨時(shí)支撐在使用完畢后可以將標(biāo)準(zhǔn)節(jié)進(jìn)行循環(huán)再利用。

　　3. 2提高臨時(shí)支撐循環(huán)利用率

　　大跨度鋼結(jié)構(gòu)若采用分區(qū)安裝的方法，當(dāng)一塊區(qū)域的鋼結(jié)構(gòu)安裝完畢并形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)后，可以將該區(qū)域的臨時(shí)支撐拆除，并將其倒運(yùn)至新的安裝區(qū)域，實(shí)現(xiàn)臨時(shí)支撐的循環(huán)利用，提高臨時(shí)支撐的利用率。以中國博覽會(huì)會(huì)展綜合體項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目的典型施工步驟如下：①第1步安裝C-1,C-2單元桁架臨時(shí)支撐，安裝C-1,C-2單元桁架（見圖2a） ;②第2步安裝C-3,C-4單元桁架臨時(shí)支撐，安裝C-3,C-4單元桁架（見圖2b） ;③第3步拆除C1,C2單元桁架臨時(shí)支撐，安裝C-5,C-6單元桁架臨時(shí)支撐，安裝C-5,C-6單元桁架（見圖2c）。

　　3. 3優(yōu)化吊裝順序、減少臨時(shí)支撐

　　中國博覽會(huì)會(huì)展綜合體項(xiàng)目通過如下2種施工方案的比選，確定了一種支撐數(shù)量最少的.安裝方案，實(shí)現(xiàn)了108m跨三角管桁架的無支撐安裝[3].其中108m跨桁架位置如圖3a所示，縱向連系桁架位置如圖3b所示。

　　1）方案1在108m跨桁架中部下方加設(shè)臨時(shí)支撐，將其分為2段，每段長54m,質(zhì)量為31 ~ 47t.

　　2）方案2 108m跨桁架中部不設(shè)置臨時(shí)支撐，而是先安裝縱向連系桁架，利用縱向連系桁架作為支撐。108m跨桁架分為2段，每段長度為54m,質(zhì)量為31 ~ 47t; 縱向連系桁架處跨度為36m.方案2利用提前安裝的相鄰2榀桁架以及36m跨縱向轉(zhuǎn)換桁架，實(shí)現(xiàn)了108m跨三角管桁架的無支撐安裝。

　　3. 4合理減少懸挑端臨時(shí)支撐

　　中國博覽會(huì)會(huì)展綜合體項(xiàng)目C1區(qū)屋面兩側(cè)有最大39m的大跨度懸挑段。原施工方案在懸挑端設(shè)置了臨時(shí)支撐，位于圖4所示兩側(cè)方框內(nèi)�？紤]到該懸挑段受力受相鄰榀桁架影響不大，且施工階段與設(shè)計(jì)階段的荷載、邊界條件等差異不大，有必要通過分析計(jì)算驗(yàn)證該懸挑段的臨時(shí)支撐是否可以取消。

　　采取有限元軟件MIDAS中的施工過程模擬模塊對取消懸挑端臨時(shí)支撐后的施工過程進(jìn)行模擬分析，分析采用2種荷載組合：①1. 0D + 1. 0L; ②1. 35D + 1. 4 × 0. 7L.其中D表示恒荷載，L表示施工活荷載，取1. 0k N/m2.

　　荷載組合1下各施工步懸挑端的z向最大位移分析結(jié)果如表1所示。荷載組合2下各施工步的最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與最大應(yīng)力比驗(yàn)算結(jié)果如表2所示。

　　由表1可知，懸挑端最大豎向位移為- 101. 90mm.根據(jù)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ7-2010[4]3. 5. 1節(jié)規(guī)定空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在恒荷載與活荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下的懸挑端最大撓度值不宜超過L /125（L為懸挑跨度）。結(jié)構(gòu)最小懸挑長度為17m,懸挑端撓度限值為17 000 /125 = 136mm > 101. 90mm.因此，結(jié)構(gòu)在施工期間的撓度值滿足規(guī)范要求。

　　由表2可知，在各施工步下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為80. 48MPa,小于構(gòu)件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f = 310N / mm2,各施工步下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力比為0. 35 < 1. 0,故取消懸挑段支撐后，結(jié)構(gòu)在施工過程中是安全的。

　　實(shí)際施工操作時(shí)，可采用起重機(jī)輔助下的焊接工藝完成懸挑段安裝。

　　3. 5臨時(shí)支撐優(yōu)化結(jié)果對比分析

　　將108m跨中和懸挑段均有支撐、108m跨中和懸挑端均無支撐這兩種支撐布置方式下的施工過程模擬分析結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如下。

　　上述2種支撐布置方式下，荷載組合1計(jì)算得到的各施工步懸挑端最大豎向撓度計(jì)算結(jié)果如圖5所示。由圖可知，懸挑端無支撐的計(jì)算結(jié)果略大于懸挑端有支撐的計(jì)算結(jié)果，但施工完畢后2種支撐布置方式得到的懸挑端豎向撓度計(jì)算結(jié)果差異不大。

　　上述2種支撐布置方式下，荷載組合2計(jì)算得到的各施工步構(gòu)件最大應(yīng)力比結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，2種支撐布置方式下各施工步構(gòu)件的最大應(yīng)力比均< 0. 5.懸挑端有支撐的應(yīng)力比在第8施工步較懸挑端無支撐的應(yīng)力比明顯增大，最大應(yīng)力比桿件位于懸挑端臨時(shí)支撐附近，說明懸挑端的臨時(shí)支撐使其附近構(gòu)件的應(yīng)力比增大。

　　由于采取不同的施工方案會(huì)影響結(jié)構(gòu)最終成型形態(tài)[5],將1. 0自重作用下施工完畢后，懸挑端和108m跨中均有支撐的位移計(jì)算結(jié)果與懸挑端和108m跨中均無支撐的位移計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，各榀主桁架懸挑端的最大豎向位移計(jì)算結(jié)果如表3及圖7所示。當(dāng)108m跨中和懸挑端均有支撐時(shí)，各主桁架懸挑端最大豎向位移為- 75. 20mm; 當(dāng)108m跨中和懸挑端均無支撐時(shí)，各主桁架懸挑端最大豎向位移為- 82. 16mm.同一榀主桁架懸挑端最大豎向位移差為11. 51mm,該差值僅為懸挑端跨度的約1 /3 000,差距很小。

　　由上述對比分析可知，同時(shí)取消懸挑端與108m跨中臨時(shí)支撐不僅對施工過程的安全無影響，且可以降低臨時(shí)支撐附近結(jié)構(gòu)桿件的應(yīng)力水平，并對施工完畢后結(jié)構(gòu)的最終成型狀態(tài)影響不大。因此，最終施工采用了取消懸挑端以及108m跨中臨時(shí)支撐的施工方法。

　　4 結(jié)語

　　由上文分析可知，雖然臨時(shí)支撐起著保持施工過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，提高施工過程安全度，并為施工提供操作平臺(tái)的作用，是大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工過程中必不可少的施工輔助措施，然而由于其用量大、規(guī)格多、制作與拆除需要花費(fèi)大量的人力物力，因此有必要對其設(shè)計(jì)、使用與布置進(jìn)行優(yōu)化。本文以中國博覽會(huì)會(huì)展綜合體項(xiàng)目C1區(qū)大跨度屋蓋施工過程為例，給出了臨時(shí)支撐優(yōu)化的4種方法，并對優(yōu)化后的支撐布置方式進(jìn)行了施工過程模擬，得出如下結(jié)論。

　　1）采用通用組合式臨時(shí)支撐可以提高臨時(shí)支撐的裝配化程度，提高臨時(shí)支撐在各項(xiàng)目間的通用性，從而提高其重復(fù)利用率，節(jié)約成本。

　　2）對于分塊施工等有序的施工方案，可以在某區(qū)域結(jié)構(gòu)形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系之后，拆除該區(qū)域的臨時(shí)支撐，倒運(yùn)到后續(xù)安裝的區(qū)域，從而提高臨時(shí)支撐的利用率，減少施工所需臨時(shí)支撐的數(shù)量，節(jié)約成本。

　　3）可以通過優(yōu)化吊裝順序，充分利用主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，減少部分不必要的臨時(shí)支撐。

　　4）對于懸挑端的臨時(shí)支撐，可通過施工過程模擬驗(yàn)證其取消的可行性。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 史洪泉。大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工全過程力學(xué)分析及考慮施工影響的若干要素研究[D].南京：東南大學(xué)，2005.

　　[2] 張冰。大跨度空間結(jié)構(gòu)建造過程中吊點(diǎn)和支撐位置合理性研究[D] .杭州：浙江大學(xué)，2006.

　　[3] 張振，李松，于波，等。 108m跨三角管桁架無支撐安裝技術(shù)[J].鋼結(jié)構(gòu)，2015,30（2） :65-67.

　　[4] 中國建筑科學(xué)研究院�？臻g網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ7-2010[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

　　[5] 羅永峰，王春江，陳曉明。建筑鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)原理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

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