基于现场监测的大跨悬挑建筑钢结构应力分析

2024-01-16安国财甘肃省恒圣项目管理有限公司甘肃武威733000

砖瓦 2024年1期

安国财（甘肃省恒圣项目管理有限公司，甘肃武威 733000）

为了满足城市化和人口增长的需求，建筑工程不断向高层建筑和大跨度方向发展。在这种情况下，高层建筑中常常需要使用大跨度钢梁，尤其在公共建筑中得到了广泛的应用，因此，大跨度钢梁如何进行施工逐渐成为技术人员关注的重点[1-3]。对于大跨度钢梁的施工，悬臂拼装技术有着施工成本低、安全性高、施工质量稳定等优点，多应用于桥梁和建筑中大跨度钢梁的施工[4-5]。薛新广[6]以天津某特大桥为例，介绍了悬臂拼装技术在钢桁梁安装中的应用，发现通过此技术能够快速完成钢桁梁桥的施工；李刚[7]研究了悬臂拼装技术在郑州某公路桥中的应用效果，分析了施工过程中存在的问题，并提出了相应的解决措施。

当前，悬臂拼装技术的研究大多是分析其在桥梁施工中的应用效果，关于高层建筑中悬臂拼装技术的研究较少。基于此，以甘肃省某生物科技总部科学园（一期）8#～9#厂房为背景，提出了大跨度钢梁悬臂拼装施工方案，对施工吊装吊重进行了分析，并基于施工现场监测技术对钢结构应力进行分析，研究成果可为类似项目提供了指导和借鉴。

1 工程概况和施工难点

1.1 项目概况

甘肃省某生物科技总部科学园（一期）1#～3#厂房、4#食堂、5#～9#厂房、10#～12#宿舍位于规划HL18G-06地块，工程1#～3#厂房及8#、9#厂房为A 级高度的高层建筑，其余单体为多层建筑，地上各建筑单体层数3～13层不等，总建筑面积173940.15m2。主要功能为工业厂房、配套食堂、宿舍等，地下一层（局部二层）主要功能为员工活动区、汽车库、非机动车库、设备房、人防地下室。1#、2#厂房采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构；3#、8#～9#厂房采用钢管混凝土框架-剪力墙结构；4#食堂、5#～6#厂房、10#～12#宿舍采用钢筋混凝土框架结构；7#厂房采用钢框架结构。1#、3#、8#～9#厂房局部大跨楼面采用钢框架，且由于连廊为中空结构，不适宜设置支撑胎架，需分为三段采用“悬臂拼装法”进行高空拼装，主要钢构件为H型钢梁和箱型钢梁。

1.2 大跨度钢梁悬臂拼装施工难点

（1）高材质厚钢板的碳当量及裂纹敏感系数高，降低了钢材的焊接性。同时，厚板焊后状态下残余应力和焊接接头拘束较高的特点增大了高强钢厚板焊后焊接收缩性和冷裂纹倾向性。

（2）大跨度钢梁挠度较大，为保证正常使用极限状态的要求，大跨度钢梁的起拱值确定是施工的重点及难点，且大跨度钢梁安装措施的合理选择是保证施工方案可行、施工质量、安全及工期的前提。通过此次研究，选择悬臂拼装为大跨度钢梁的安装方式，但在不适宜使用汽车吊与临时支撑的情况下，利用上部结构预留拉结点，对钢梁悬臂段进行临时固定，在中部进行合拢，拉结点的设置是否合理可靠是施工的重难点。

（3）钢结构采用分段悬臂施工，大跨度的悬挑拼接使得结构的内力演变十分复杂，控制不良极易引起钢结构上下翼缘截面两侧产生应力差，导致结构的弯扭变形和应力集中。因此，控制施工过程中的应力变化成为施工的关键点之一。

（4）钢结构深化设计与施工过程中，与土建、机电、幕墙、装饰、消防等专业存在紧密联系，与上述单位之间良好的沟通及配合是各专业之间协调的重点。

2 大跨度钢梁悬臂拼装方案

2.1 施工思路

8#～9#厂房中部连廊有大跨度变截面钢梁，跨度达35m，由于下部结构中空，不适宜搭设支撑架体，无法使用大型机械，因此采用悬臂拼装法。大跨度钢梁落后两侧结构2 层，将大跨度钢梁分为三段，先安装两侧悬臂段，利用上部结构拉结固定，根据拉结点位置确定钢梁悬臂段长度，保证吊索与钢梁的水平夹角大于45°，水平方向设置角钢保证侧向刚度，最后安装中间段，具体做法如图1所示，细部节点大样图如图2所示。

图1 悬臂拼装示意图

图2 细部节点大样图

为了便于钢梁的现场吊装和安装，在加工厂加工生产钢梁时，要在钢梁上翼缘参考钢梁截面重量焊接吊耳或设置吊装孔，钢梁端头与吊点的距离通常设置为总构件长度的1/4，此项目钢梁单根吊装起重量在80kN以内。钢梁与主梁或者牛腿连接的端部需设置临时码板，码板在制作厂焊接，安装完成后割除。钢梁与混凝土面平齐的埋件板连接时，需在埋件板上设置三角铁托板，现场待混凝土浇筑完成后在外脚手架上设置，用于临时固定钢梁，节约塔吊使用时间。

在吊装钢梁时，8#～9#厂房中部连廊钢梁在5#塔吊与6#塔吊范围内，钢构件卸车需要在8#厂房西北侧基坑边采用5#塔吊进行卸车，并采用5#塔吊进行安装。连廊钢梁与8#、9#主体结构错开一层进行施工，外架正常搭设，外架立杆、横杆与钢梁安装位置错开，在混凝土结构强度达到70%后开始安装，连廊钢框架随混凝土结构进行施工，大幅缩短工期。中部连廊除连接8#与9#楼的大跨度变截面钢梁外，其余均可直接采用5#塔吊进行吊装；大跨度变截面钢梁分成3 段，考虑在上部结构设置上部拉结点，在钢梁两侧设置水平拉结点，先完成两端钢梁安装并拉结固定，然后安装中间段，焊接完成并检测合格后方可拆除拉结措施。

钢梁就位后及时做好临时固定措施和连接，对螺栓孔有部分偏差的接头要借助冲钉对跨间距进行调整，调整后通过安装螺栓拧紧固定。根据规范标准安装螺栓数量要超过该节点总螺栓数的30%，同时不少于2个。安装和校正钢梁属于高空作业，人员站在钢梁操作平台上施工操作，操作人员应佩戴安全带，并将安全带与安全绳或可靠结构连接，确保施工人员的安全。在钢梁吊装前，在翼缘上焊接钢管立杆，然后在两根立杆之间拉钢丝绳，确保施工人员行走安全。

2.2 钢梁吊装吊重分析

根据分段原则对钢梁吊重进行分析，具体如下：在塔吊吊装范围满足塔吊的起重性能；钢构件满足卸车点的布置，方便起吊点布设；符合构件结构特点；构件方便长途运输；钢结构施工受到土建施工工艺、钢结构施工工艺的影响程度；现场拼接等施工位置无须设置操作架或方便安装架设操作架。

8#、9#厂房中部连廊在5#与6#塔吊范围内，5#塔吊（WA7527）60m范围能覆盖整个连廊区域，吊重为4t，小跨度梁与次梁均不超4t，满足吊装需求。中部大跨度变截面梁重量为7.0t～10.3t，超过塔吊吊重，由于连廊为中空结构，不适宜设置支撑胎架，分为三段进行悬臂拼装。图3 为8#～9#厂房钢梁吊装范围分析图，图4 为钢梁吊装示意图。通过对吊耳与卡环接触面承压、吊耳与钢梁焊缝以及吊装用钢丝绳进行验算，均符合施工标准要求。

图3 8～9#厂房钢梁吊装分析图

图4 钢梁吊装示意图

3 基于施工监测的大跨悬挑钢桁架结构应力分析

为了研究大跨悬挑钢结构在施工过程中的应力演变过程，采用现场监测技术对结构应力进行分析，应力传感器为表面贴式振弦传感器，传感器的最大压应力应力范围为0～500MPa，最大拉应力范围为0～300MPa，温度使用范围为-25℃～60℃，并配备JMZX-200X 振弦式传感器数据采集仪，传感器布置在图1中的1-1截面H 型钢梁上下翼缘。图5 为悬挑H 型钢梁上翼缘不同施工阶段的应力曲线，图6为悬挑H型钢梁下翼缘不同施工阶段的应力曲线，图中坐标原点为H 型钢上下翼缘中点，负值表示上下翼缘左侧，正值表示上下翼缘右侧。

图5 悬挑钢梁上翼缘不同施工阶段的应力曲线

图6 悬挑钢梁下翼缘不同施工阶段的应力曲线

从图5和图6中可以看出，悬挑钢梁上下翼缘在同一施工阶段的应力曲线分布规律基本一致。整体上，在悬臂安装前，悬挑钢梁上下翼缘板的应力较小，且应力在左右两侧分布较为均衡，而在悬臂安装后，由于悬臂的自重作用以及应力释放，悬挑钢梁上下翼缘板的应力曲线均表现为“S”形，表明钢梁左右两侧的应力产生了明显的应力差，梁体发生扭转，同时这种扭转变形具有显著的对称性，上下翼缘的应力变化基本一致，而在第3 段钢梁焊接后，进入超约束状态，应力发生调整和重分布，钢梁上下翼缘左右两侧的应力分布又趋于均衡。在同一施工阶段，钢梁上翼缘的应力明显大于下翼缘的应力，表明悬挑钢梁的应力分布具有明显的空间分布不均衡性，不仅在横截面方向发生扭曲，在纵截面方向上也容易发生因应力不均衡导致的挠曲，给施工安装带来难度。