超大型钢混凝土屋盖施工方案优化及有限元分析计算

2019-03-11

天津建设科技 2019年1期

随着国家经济的发展以及人民日益增长的美好生活的需要，一大批文化艺术中心、大剧院、市民服务中心等公共建筑逐步建设起来，同时也意味着大跨度结构形式的应用越来越普遍。超大型钢混凝土屋盖因其承载能力高、跨度较大、造价经济节约等特点得到了越来越多的应用。然而，超大型钢混凝土大梁的施工却十分困难，型钢大梁重量大、吊装操作空间小、大剧院舞台净空高、支模高度高、施工危险性大等一系列难题摆在面前。因此，对超大型钢混凝土屋盖施工技术进行研究具有重大的理论和实践意义。

1 工程概况

江苏省某文化艺术中心项目为多层公共建筑，包括文化馆（A区）、大剧院（B区）、淮剧团与美术馆（C区）三个区域，建筑高度35.3 m，总占地面积90 607 m2，总建筑面积49 676.7 m2，其中地上建筑面积45 806.4 m2，地下建筑面积3 870.3 m2。见图1。建筑耐火等级地上二级、地下一级，抗震设防烈度6度。

大剧院（B区）设计座位1 250个，见图2。升降舞台底部标高-10 m，型钢混凝土屋盖标高34.6 m，即型钢混凝土屋盖净空高度44.6 m，共有4根型钢混凝土大梁：最大的为WKL2，截面尺寸800 mm×2 600 mm，内部型钢尺寸2 100 mm×500 mm×25 mm×40 mm，型钢长28.7 m，单根质量22 t；WKL1有2根，截面尺寸700 mm×2 600 mm，内部型钢尺寸2 100 mm×400 mm×25 mm×40 mm；WKL3有1根，截面尺寸700 mm×2 650 mm，内部型钢尺寸2 100 mm×400 mm×25 mm×40 mm。次梁为焊接工字型钢GL1，尺寸为800 mm×300 mm×20 mm×25 mm，次梁上部满铺钢筋桁架楼承板，板厚140 mm。型钢柱高度21.3m。见图3。

图1 文化艺术中心工程

图2 大剧院（B区）建筑剖面

图3 型钢混凝土屋盖平面

2 施工方案优化

2.1 方案介绍

针对大剧院型钢大梁重量大、吊装操作空间小、大剧院舞台净空高、支模高度高、施工危险性大等特点并结合施工现场具体条件，提出两种屋盖施工方案。

方案一：大型吊车进场→吊装型钢柱，底部与预埋钢板焊接牢固→大型吊车退场→绑扎型钢柱内部钢筋并支模→浇筑型钢柱混凝土至梁底→大型吊车第二次进场→吊装型钢混凝土大梁钢骨→吊装次梁→大型吊车退场→搭设支撑架，绑扎型钢混凝土大梁内部钢筋并支模→在次梁上铺钢筋桁架楼承板→浇筑型钢混凝土大梁混凝土→浇筑楼板混凝土。

方案二：大型吊车进场→吊装型钢柱，底部与预埋钢板焊接牢固→吊装型钢混凝土大梁钢骨→吊装次梁→大型吊车退场→绑扎型钢柱内部钢筋并支模→浇筑型钢柱混凝土，施工缝留在梁底部→搭设操作平台，绑扎型钢混凝土大梁内部钢筋并安装吊模模板→在次梁上铺钢筋桁架楼承板→浇筑型钢大梁混凝土→浇筑楼板混凝土。

2.2 分析与优化

方案一是相对比较传统、普遍的做法，方案二有两个明显优势：

1）大型吊车只进出场一次，进场后完成吊装型钢柱、型钢大梁、次梁之后直接退场，无需二次进场，提高了大型吊车的使用效率，大大节约了大型吊车的使用成本；

2）采用吊模，省去了44.6 m高支模，只需要搭设操作平台即可，不需要搭设承重大梁混凝土荷载的支撑架。

可见，如果方案二可行，既可以节约吊车成本，又可以省去高支模，降低安全风险，同时又能加快工期，是非常好的方案。但是，型钢柱未浇筑混凝土前能否支撑型钢大梁及次梁,型钢大梁能否承受吊模荷载是需要验证的问题。

3 施工有限元分析计算

3.1 工况

根据方案二，将大型型钢混凝土屋盖施工划分为两个施工工况进行分析计算。

工况一：吊装型钢柱，底部与预埋钢板焊接牢固，吊装型钢混凝土大梁，吊装次梁完成后，计算此时结构的安全性。

工况二：型钢柱混凝土已达到28 d龄期强度，然后浇筑型钢大梁混凝土和楼板混凝土，此时梁、板混凝土未硬化，不能作为抗力，而要作为荷载施加在型钢大梁上。

3.2 工况一

3.2.1 模型基本信息

未浇筑混凝土，因此只需对型钢柱、型钢大梁、次梁建立模型，采用MIDAS/GEN有限元软件，梁柱采用梁单元模拟，钢材Q345。

考虑多种荷载组合，取最不利计算结果[1]。

1）恒荷载：型钢柱、型钢大梁、次梁的自重。

2）活荷载：梁施工荷载标准值取1.0 kN/m。

3）风荷载：大雨、雾、大雪及六级以上大风天等恶劣天气应停止吊装作业[2]，因此考虑最不利风荷载五级风，风速9 m/s，基本风压取0.05 kN/m2。

4）吊车荷载的动力系数取1.1。

考虑到型钢柱底部与预埋钢板焊接牢固，取所有的柱底为铰接，即约束柱底的xyz三向位移，释放转动约束。见图4。

图4 模型及约束方式

3.2.2 计算结果

最大应力发生在WKL2型钢大梁的跨中，为38.9 MPa，40 mm厚钢板抗弯强度设计值取265 MPa[3]，满足要求；型钢梁最大竖向位移16.8 mm，楼盖的挠度限值为1/300，即允许最大竖向位移为28 700×1/300=95.7（mm），满足要求；型钢柱最大水平位移8.3 mm；柱顶位移限制为1/500，即允许最大水平位移为21 300×1/500=42.6（mm），满足要求。见图5。

图5 计算结果

还可以计算每根型钢主梁吊装完成后的安全性[4]，此处不赘述，经计算整个施工工况一安全可靠，承载力、稳定性均满足要求。

3.3 工况二

3.3.1 模型基本信息

采用MIDAS/GEN有限元软件，梁柱采用梁单元模拟，钢材Q345，混凝土强度等级C35。

考虑多种荷载组合，取最不利计算结果[1]。

1）恒荷载：型钢主梁、次梁的自重；140 mm厚钢筋桁架楼承板自重，标准值25×0.14=3.5（kN/m2）；WKL1、WKL2、WKL3型钢大梁所受恒荷载标准值，见表1。

表1 型钢大梁所受恒荷载标准值

2）活荷载：楼板施工荷载标准值2.0 kN/m2。

3）风荷载：大雨、雾、大雪及六级以上大风天等恶劣天气应停止吊装作业[2]，因此考虑最不利风荷载五级风，风速9 m/s，基本风压取0.05 kN/m2。

4）吊车荷载的动力系数取1.1。

考虑到型钢柱混凝土已到达28 d龄期强度，施工缝留在梁底部，取梁端部为铰接，即约束梁端的xyz三向位移，释放转动约束。见图6。

图6 模型及约束方式

3.3.2 计算结果

最大应力发生在WKL2型钢主梁的跨中，最大应力为102.9 MPa，40 mm厚钢板抗弯强度设计值取265 MPa[3]，满足要求；型钢梁最大竖向位移26.2 mm，楼盖的挠度限值为1/300，即允许最大竖向位移为28 700×1/300=95.7（mm），满足要求；型钢混凝土屋盖的水平位移基本为0，这是由梁端约束条件决定的，与实际相符，基本没有水平位移，满足要求。见图7。