天投国际商务中心组合临时支撑结构体系稳定性研究*

茆 春，尹 飞，张 晗，王化杰，钱宏亮

(1.中交二航局第四工程有限公司，安徽 芜湖 241000； 2.哈尔滨工业大学(威海)土木工程系，山东 威海 264209)

0 引言

超厚底板为超高层建筑基础的重要组成部分，超厚底板临时支撑结构作为混凝土浇筑平台，可有效保证底板施工质量与安全。成都天投国际商务中心建筑高度284.4m，采用桩筏基础，超厚底板厚度达3m，纯钢筋支撑难以满足承载要求，因此，采用槽钢与钢筋组合临时支撑结构体系。然而，国内外对该类支撑的研究较少，缺乏有关试验数据及合适、完善的设计理论或规范规定，JGJ 300—2013《建筑施工临时支撑结构技术规范》、JGJ 130—2011《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》对圆管临时支撑结构体系进行了规定，但未对槽钢与钢筋组合临时支撑结构体系进行规定。近年来，临时支撑安全事故不断发生，需对槽钢与钢筋组合临时支撑结构体系安全性进行研究。根据本工程临时支撑形式与尺寸，现场设计并制作3榀支撑，通过静载试验及有限元分析，得到支撑体系安全系数，保证底板施工安全。

1 静载试验

1.1 支撑设计与制作

现场静载试验用临时支撑由9根立柱及支座、3根横梁、12根柱间系杆、2根扫地杆和6道剪刀撑组成，如图1所示。支座、立柱、扫地杆、横梁均采用[5，剪刀撑采用φ14钢筋，各杆件接触点均采用焊接连接。槽钢框架长3m、宽2.8m、高2.5m，柱间距均为1.4m。

图1 试验用临时支撑

1.2 试验设备

采用HIT智能结构静态测试系统及MCU-32型分布式模块化自动测量单元，分别采集电阻应变片数据和振弦式表面应变计数据，可实时处理、储存和显示数据。根据平截面假定计算截面形心应变，在第1排右柱、第2，3排柱1/2高度处分别粘贴3个应变片；在3根横梁底面共粘贴6个应变片；在第1排左柱、中柱及第2排中柱1/2高度处分别安装3个应变计，预测中柱受力最大，故在中柱1/4高度处增设3个应变计。

1.3 加载方案

由于临时支撑框架结构较高，考虑采用人工砂石加载不方便，可能造成试验数据波动较大，综合考虑后采用现场向水桶内注水的方式加载。水桶为半透明塑料桶，直径1.6m，高2m，厚5mm，重约0.5t，注水速度约25L/min，最大容重约4t，试验前在水桶周围用记号笔做好标记，定时观测水深。

框架结构上层钢筋网片由2层双向φ28@150钢筋人工绑扎制成，长度、宽度均为3m。为防止吊装变形，部分绑扎部位采用点焊，钢筋网片总重约1.2t。

钢筋网片和水桶均由塔式起重机吊装，人工辅助对中。受现场人员和设备干扰，注水前试验数据波动较大，不具研究价值。出于现场人员安全和保护测量仪器考虑，未注水至结构失稳，最大水重约2.6t。

1.4 试验结果与分析

试验结果表明，粘贴应变片的各立柱应变曲线波动较大，出现尖锐毛刺。而安装应变计的各立柱应变曲线较光滑，应变连续稳定变化，这是因为应变计抗干扰能力较强，得到的试验数据连续性较好。因此，应采用应变计监测变形结果。第2排中柱同时使用应变片和应变计进行监测，应变曲线变化趋势一致，吻合较好，表明测量结果较准确。

2 有限元分析

由于试验仅得到结构在指定荷载作用下的响应，未加载至整体失效，为得到结构稳定承载力，建立有限元模型进行数值模拟分析，根据模拟结果提出有益建议。

2.1 槽钢初始弯曲

初始缺陷是影响组合临时支撑结构体系稳定承载力的重要因素，应考虑初始缺陷的影响。因此，对初始缺陷进行测量，为精细化建模提供缺陷数据。槽钢初始弯曲统计结果如表1所示。

表1 槽钢初始弯曲

2.2 模型建立

立柱、扫地杆、横梁和钢筋网片均采用Beaml88单元模拟，水桶采用Shell281单元模拟，有限元模型如图2所示。将每根立柱打断成50段并改变节点坐标，添加正弦曲线形式的初始弯曲。考虑梁单元碰撞，根据构件真实空间位置建模，水桶底面通过划分硬点与钢筋网片相应节点耦合连接，横梁与钢筋网片采用耦合方式连接，槽钢开口方向、空间形状等均与现场试验保持一致，钢材应力-应变曲线采用折线简化模型，杆件节点采用刚接，支座释放弱轴方向转动约束，并模拟注水加载。

图2 有限元模型

2.3 结果分析

由于现场试验应变片数据波动较大，主要利用应变计数据对有限元模型进行校核。第1排左柱、中柱及第2排中柱应变曲线如图3所示。由图3可知，应变计数据与模拟数据吻合较好，验证了模拟方法的准确性。

图3 立柱应变曲线

2.4 稳定性评估

为得到组合临时支撑结构体系稳定承载力，在钢筋网片上方施加均布荷载，并进行非线性屈曲分析。以结构切线刚度矩阵奇异为控制指标，得到模型在均布荷载作用下的稳定承载力为163.3kN，极限状态下的支撑体系应力云图如图4所示。

图4 支撑体系应力云图

根据《建筑施工临时支撑结构技术规范》的规定，临时支撑结构体系稳定性计算荷载设计值为：

F=1.35×(G1+G2+G3)+1.4Q1=57.1kN

(1)

式中：G1，G2，G3，Q1分别为被支撑结构自重、支撑结构自重、其他材料自重、施工荷载。

根据天投国际商务中心超厚底板施工荷载调研结果，99%保证率下临时支撑结构体系施工荷载为1.37kN/m2，因此，按调研结果得到的稳定性计算荷载设计值F=54.8kN。

对应《建筑施工临时支撑结构技术规范》的规定和荷载调研结果，天投国际商务中心超厚底板组合临时支撑结构体系稳定承载力安全系数分别为2.9，3.0，说明该体系具有较高的安全储备，可满足施工安全要求。

3 结语

依托天投国际商务中心工程，设计并完成超厚底板组合临时支撑结构体系现场加载试验，得到该体系在指定竖向荷载作用下的响应。由于试验仅得到结构在指定荷载作用下的响应，未加载至整体失效，为得到结构稳定承载力，建立考虑初始弯曲的组合临时支撑结构体系精细化有限元模型，并对加载试验进行模拟。模拟结果与试验结果吻合良好，验证了模拟方法的准确性。经计算，组合临时支撑结构体系在竖向均布荷载作用下的稳定承载力为163.3kN，具有较高的安全储备，可满足施工安全要求。