超高层建筑外部悬挑超大梁施工技术分析

房志斌

1. 上海建工四建集团有限公司 上海 201103；2. 上海建筑改建与持续利用工程技术研究中心 上海 201103

1 工程概况

本项目为蒂森电梯配件生产之电梯试验塔工程，位于广东省中山市南区龙环村。占地面积4 956.60 m2，总建筑面积19 582.60 m2，其中地下建筑面积1 890.30 m2，地上建筑面积17 692.21 m2。地下3层，地上31层（裙楼3层），拟建电梯试验塔塔高247.30 m，工程±0.00 m相当于绝对高程10.00 m。

主楼的地下和地上结构均为剪力墙筒体结构，裙房为框架结构。

1.1 难点分析

1）本项目为超高层工业建筑，27层北侧梁板为悬挑结构（图1）。

图1 26～27层结构平面示意

2）电梯试验塔27层北侧结构支撑体系及施工操作平台无法直接架设在建筑物内部楼面上，需单独设计型钢平台作为支撑平台。

3）该处结构梁截面为450 mm×2 000 mm超大梁，集中线荷载超20 kN/m，对型钢平台承载力要求高。

4）梁跨度6.3 m，对型钢平台变形控制要求极高。

5）层高6 m，在超高作业环境下（高213 m）对支撑架体稳定性要求极高。

6）对型钢平台与结构连接方式的确定、连接节点质量控制要求高。

1.2 技术应对措施

根据中山蒂森电梯试验塔项目业主、设计提供的图纸，于悬挑结构下方设置以型钢钢梁组成的平台，以满足梁板浇筑时模板排架的搭设。

为保证支撑平台施工的安全，相关操作人员须严格按照施工方案要求进行施工，施工中配备专人在场负责安全和维护检查。

2 钢平台设计

2.1 钢平台钢梁设计

钢平台主要采用16#、20#、30#这3种规格的工字钢（图2），其中30#工字钢作为梁底主要承重构件，两侧增加16#工字钢拉结以保证平台安全及稳定性（图3）。

图2 钢平台平面示意

2.2 支撑架体设计

上部支撑架采用φ48 mm×3.2 mm圆钢管，为常规模板排架支撑体系（使用品茗软件进行安全验算），底部为组合钢梁平台（图4）。图中梁上端墙体，待梁结构达到规定强度时再进行施工，故不在支撑体系计算范围内。

3 Midas模型设计

3.1 有限元分析方法简介

有限元分析方法是用于求解数值方程的一种常用的方法，其结合了计算数学、弹性理论和计算机技术，对于实际工程的求解具有非常重要的作用。其基本思想源于1943年，当时被用在由三角形区域上定义的分片连续函数与最小位能原理求解St.Venant扭转问题上。而有限元法这一名词的首次出现是在1960年，由美国的克拉夫（Clough）提出。到了20世纪70年代初，有限元理论逐渐成熟，各种商业化的有限元软件也渐渐出现。近30年以来，关于有限元的基础理论已经足够成熟了，是目前工程设计领域中最有效、最可靠的数值计算方法。有限元分析方法的基本思想就是对结构的离散化，通过将连续的结构划分为有限个离散的单元，并对这些单元设定有限个节点，从而得到一个只在节点处相连的单元集合体，将连续的无限个自由度问题转化为有限个单元的自由度问题。

图3 钢平台与主体结构连接示意

图4 组合钢梁平台侧视图（立面图）

3.1.1  结构的离散

所谓离散化就是将连续的结构划分为有限个单元，并在单元的指定点上设置节点，从而使得相邻单元的参数可以具有一定的连续性，以形成有限单元网格。这样，连续的结构就被离散为只在节点处连接的有限个单元。所划分单元的大小和数目直接影响到计算的精度和速度。

3.1.2  有限元法的收敛性

有限元法是一种数值分析方法，因此应考虑收敛性问题。所谓的收敛性是指：当网格逐渐加密时，有限元解答的序列收敛到精确解；或者当单元尺寸固定时，每个单元的自由度数越多，有限元的解答就越趋近于精确解。

3.1.3  实际应用的平衡点

在求解时，单元的几何形状是灵活多变的，因此可以方便地模拟和逼近复杂求解区域。可以看出，只要选用合适的插值函数，当单元的数目满足要求时，求解精度将不断提高并趋近于精确解。

但是在实际求解过程中，如果单元的数目不断增多，计算机的运行时间也会大大增加，显然是不实用的。因此在实际工程应用中，计算所需的精度只要满足需要就行了。在有限元分析方法中的一个基本原则就是在分析精度与分析时间上找到一个最佳平衡点[1-2]。

3.2 模型建立

钢平台模型（图5）采用Midas/Gen结构分析及设计软件进行建立。模型各构件根据上述设计中所给出尺寸进行模拟，各钢梁间为焊接连接，采用刚接模拟（即Dx，Dy，Dz，Rx，Ry，Rz全部约束）。并将钢梁等大小划分为有限个单元，保证主要受力构件更准确地模拟和逼近复杂求解区域，获得更高的分析精度（图6）。

图5 钢平台示意

图6 Midas/Gen模型示意

3.3 边界条件

外约束条件：16#工字钢斜拉杆及30#工字钢与主体结构通过预埋牛腿焊接，Midas模型此处采用刚接边界条件形式模拟计算。5根20#工字钢与主体结构搭接处通过预埋钢筋锚环加固，Midas模型此处采用铰接边界条件（图7）形式模拟计算（即约束Dx，Dy，Dz，释放Rx，Ry，Rz）。

图7 Midas模型边界条件示意

3.4 荷载参数

3.4.1  结构自重

钢材均采用Q235，各钢梁以及脚手架钢管的自重通过正确选取材料参数，建模建立材料特性，自重荷载作用由Midas软件在计算分析过程中自动考虑。

3.4.2  外部荷载

模板排架、立柱扣件所传递的竖向荷载。扣件质量以13.2 N节点荷载添加于相应节点处（图8）；结构梁质量及施工荷载简化为节点荷载14 kN（作用于梁底11根立杆），厚120 mm混凝土板通过选取正确材料，产生自重。

图8 节点荷载（13.2N）示意

3.4.3  荷载组合

根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》，本次计算荷载组合恒载分项系数为1.2，活载组合分项系数为1.4，组合公式：自重×1.2＋点荷载×1.4。

3.5 运行分析

通过Midas/Gen软件对模型整体结构在静力荷载组合工况下进行线性分析。

3.6 分析结果

模型中梁单元最大应力为148.4 MPa（图9）。

Q235钢材抗拉强度设计f=215 MPa。 梁单元最大应力为148.4 MPa＜钢材允许应力215 MPa，满足要求。

钢平台最大挠度为10.89 mm（图10），满足规范＜1/250跨度，及蒂森电梯试验塔结构设计要求。

图9 梁单元应力等值线

图10 钢平台位移等值线

计算结果显示，钢平台支撑体系满足施工所需的强度和变形要求。

4 连接节点验算

20#工字钢与结构搭接处预埋锚环为构造措施，满足规范要求，此处不作验算。

4.1 焊缝强度验算

焊缝强度验算包括：30#工字钢与预埋件的焊缝计算、16#斜拉工字钢与埋件部位焊缝计算、16#斜拉工字钢与30#主钢梁部位焊缝计算，焊缝均采用6 mm双面直角焊缝。经计算，焊缝强度均满足规范要求。

4.2 预埋件强度验算

按照GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》埋件锚固相关公式进行计算。经计算，预埋件强度及锚固长度均满足规范要求。

5 结语

悬挑结构在高层建筑工程中的应用逐渐普遍，但此类结构施工有着一定的风险。因此，为了保证工程顺利施工，须采取科学合理的施工技术，严格把控悬挑结构的施工质量及施工安全。本文结合背景工程中山蒂森电梯试验塔项目，针对高层建筑悬挑结构的施工技术展开了探讨，建立Midas模型，利用有限元软件进行施工模拟分析，进行精密求解，结果表明该支撑平台变形、应力均满足要求，安全可靠，并在实际施工中得到证实。