随着建筑功能和使用要求的提高,一些大跨度大面积重荷载的高空连廊不断出现,2个方向的跨度和自重也都较大,平面桁架支模系统难以满足安全性与稳定性要求,因而提出空间桁架支模系统。空间桁架支模系统中,主、次桁架交叉排列,在横向荷载作用下,其受力实质是格构式板^[1,2,3] 。与平面桁架支模系统相比,不仅变形更小、承载力更大,而且通常在地面拼装成整体后再安装至高空,安全系数高,同时其平面外抗弯刚度、抗扭刚度较大,主、次桁架之间相互提供的侧向支撑又充足,整体稳定性好^[4] ,特别适用于双向分布的大跨度大面积重荷载高空连廊的施工。

本文根据实际工程研究空间桁架支撑平台的提升施工过程分析与控制。本工程支模钢平台为空间钢桁架结构,纵向跨度18m,横向长度25m,共由4榀主桁架、9榀次桁架和6榀连系桁架构成,如图1所示,这些平面桁架交叉布置,形成一个正交的空间钢桁架结构。连廊施工前,支撑平台需要被安装至连廊层下方的高空位置处,即第11层梁柱节点位置(建筑标高41.500m),其常见的安装方案有:高空散装法、分件吊装法、整体吊装法、高空滑移法、整体顶升法和整体提升法^[5,6,7] 。

高空散装法需搭设大量的钢管支架、施工成本高,其综合效益甚至不如落地式满堂脚手架法。分件吊装法将结构划分成若干条状或块状单元,由起重设备吊装至设计位置,通过空中焊接总拼成整体,高空焊接拼装作业增加施工的危险性。整体吊装法需要多台大型起重机械共同抬吊,要求现场场地开阔和地面承载力较高,而本工程无法满足大型设备的进出场和吊装行走。高空滑移法主要适用于安装长宽比很大的空间钢结构,而支模钢平台长宽比并不大(28.2m/17m=1.66)。整体顶升法施工速度慢,适用于安装高度不大且支点较少的点支撑钢结构,而支模钢平台需要被安装至离地高度40m以上。整体提升法不需大量的钢管支架和大型机械设备,利用液压千斤顶作为提升机具,只做垂直运动,既能实现同步上升又能实现同步下降,因此安装和拆除高空支模钢平台容易而又方便。

确定合理的吊点位置及数量,是大型钢桁架施工过程中一项关键的工作,关系到结构在提升过程中的稳定性、安全可靠性和施工经济性。其布置的基本原则如下^[8] :(1)提升过程中受力合理,不发生整体稳定性破坏;(2)保证桁架杆件应力不超限,尤其压杆不发生局部稳定性破坏;(3)在保证安全和质量的前提下,尽量减少提升吊点数量,满足经济性要求;(4)吊点尽量选在受力最有利处,接近结构的重心和对称中心,如节点处、支座处或其邻近处,使提升过程与设计的受力情况一致。

本工程的支模钢平台为对称结构,吊点的对称布置受力最为有利。根据上述吊点布置的基本原则,现设计3种吊点布置方案(见图2):外侧4吊点方案、中间4吊点方案、8吊点方案。下吊点设置在主桁架上弦最外侧节点附近,上吊点(即提升牛腿)设置在第11层梁柱节点附近(建筑标高45.500m),为使钢绞线垂直受力,上、下吊点在水平面上的投影位置应保持一致。

采用ANSYS软件中的beam188单元模拟桁架结构杆件。弦杆与弦杆之间为刚接,腹杆与弦杆之间为铰接,顶部支撑两端为铰接;模型中,铰接的处理通过耦合同一位置不同节点的平动自由度来实现。支座处采用两端均释放水平位移U_x的滑动铰支座,即通过在伸出杆上开设长圆孔的方法来实现,圆孔的长度应满足钢平台在使用阶段的最大水平滑移量。根据计算结果,如图3所示比较3种布置方案。

为评价吊点布置的合理性,从施工安全和结构正常使用的角度出发,根据相关规范的规定并考虑结构提升为临时过程,提出对计算结果的评价指标^[9] :杆件在提升过程的最大应力比<0.9,且结构的最大挠度比也<0.9。由图3可以看出,3种布置方案的最大应力比均≤0.3,而前2种方案的最大挠度比均超限。造成应力比都较小的原因是结构在提升阶段只受自重荷载,远小于使用阶段的作用荷载;造成前2种方案挠度过大的原因在于不合理的吊点布置使得结构的刚度分布不均匀,离吊点越远的区域刚度越小、变形越大。

对4吊点方案和8吊点方案的经济性进行分析比较。选用常用钢绞线(1 860MPa,1×715.24mm)作为承载索具,其单根破断拉力为260k N。由于提升完毕后钢绞线需保持夹紧持荷状态,分担钢平台所承受的上部荷载,起到防坠落的安全保障作用,因此需将安全系数考虑大一些。参考《建筑施工起重吊装安全技术规范》JGJ276—2012及《施工升降机安全规程》GB10055—2007的有关规定^[10,11] ,取钢绞线的安全系数为6。当采用4吊点方案时,提升力为248.55k N,此时每个吊点至少应配置6根钢绞线,即260×6/248.55=6.28>6,至少应选择100t液压千斤顶;而采用8吊点方案时,最大提升力为136.35k N,此时每个吊点至少应配置4根钢绞线,即260×4/136.35=7.63>6,至少应选择60t液压千斤顶。两者在施工成本上相差无几,故经济方面可以忽略不计。

综合上述的分析比较可知,选择8吊点方案最为合理,因此将其作为最终的提升吊点布置方案,并且每个吊点配置4根1 860MPa,1×715.24mm常用钢绞线,破断拉力为1 040k N。

支模钢平台的提升是由千斤顶在各提升吊点同步工作下完成的,同步控制的原理是在提升系统中设置一个主令吊点,各吊点每次提升的高度根据其与主令吊点的位移差来进行调节。位移差的出现使得结构的受力状态发生改变,过大的位移差会引起结构局部杆件应力过大或邻近吊点退出工作,从而影响结构的安全性;过小的位移差又不利于安装施工的进度。因此,只有控制合理的位移差,才能既保证安全性又提高施工效率。

本工程采用8吊点布置方案,又考虑到结构的双轴对称性,故对位移差限值的确定只需分2种情况(见图4)进行分析计算:外侧吊点高于(或低于)其他吊点、中间吊点高于(或低于)其他吊点。

采用强迫位移法,分别对外侧吊点(D1)施加±50,±55,±60,±65,±70,±75mm位移差,对中间吊点(D2)施加±15,±20,±25,±30,±35,±40mm位移差(正值表示高于其他吊点,负值表示低于其他吊点),得出桁架杆件在不同位移差下的最大应力比以及各吊点在不同位移差下的提升力分别如图5~6所示。

在此从保证施工安全的角度出发,并结合结构整体提升过程的具体情况,提出对计算结果的评价指标为:杆件在提升过程的最大应力比≤0.9,且各吊点的提升力均>0。由图5a可以发现,桁架杆件在不同位移差下(±50~±75mm)的最大应力比均较小,说明在此情况下进行提升,杆件强度是足够满足要求的;图5b结果表明,当中间吊点高于(或低于)其他吊点时,桁架杆件在不同位移差下(±15~±40mm)的最大应力比同样较小。由图6a可以看出,一个吊点处(D1)位移的变化只会对邻近吊点(D2)的提升力产生较大影响,而对较远位置吊点的提升力几乎没有影响,且当位移差达到75mm时,吊点2处(D2)的提升力<0,实际说明该处钢绞线已发生松缆、退出工作。图6b显示,当位移差达到-40mm时,吊点2处(D2)的提升力<0,说明此时该处的钢绞线已退出工作,因而实际提升时可以将位移差限值设为±30mm。对比2种情况下的位移差限值,应取两者的较小值,即将各吊点的位移差限值设为±30mm。

钢平台在提升阶段除了满足平面内的稳定条件,还应保证不发生平面外的失稳。平面内的稳定问题主要是验算单根杆件不失稳或者不发生强度破坏,而平面外失稳同样影响着施工安全性,它与吊点的多少及布置有密切关系^[12] 。前面所述,本工程采用液压同步整体提升技术,在4榀主桁架上弦两端各设置1个提升吊点。

提升阶段,钢平台与钢绞线结构体系所受荷载为自重荷载(包括支撑工字钢及木跳板自重),考虑到起吊时的动力效应,取1.2的动力系数,即结构体系在起吊时受到1.2倍的重力荷载作用,上弦杆受压、下弦杆受拉^[13] 。由于钢平台在提升过程中一般认为平面外不存在任何支撑作用,即此时平面外自由度没有被约束到,只能进行平面结构的计算,为此,计算模型中在主桁架下吊点处设置平面外的弹簧单元combin14,假想的弹簧刚度系数取一很小值,对钢桁架平台进行平面外的弱约束。采用分块兰索斯法(Block Lanczos)进行特征值屈曲分析,得到前6阶的特征值计算结果如下:前6阶屈曲模态均表现为外侧主桁架下弦中间两杆件的平面外局部失稳。其中,第1,2阶为半波反向失稳,第3,4阶为半波同向失稳,第5,6阶为整波反向失稳。计算结果均为负值,表明只有当结构体系受到反向的重力荷载作用时,实际受拉的外侧主桁架下弦才会受压失稳,而这与实际提升过程的受力状况是相悖的,说明钢平台在实际提升时不会发生平面外失稳,是安全稳定的。这不仅得益于吊点布置多,而且得益于钢平台顶部斜撑的大量采用,使得实际处于受压状态的上弦杆不致失稳破坏。

基于对计算结果的评价指标,对比分析了3种方案的受力性能,从而确定了最为合理的8吊点方案。在已知吊点布置的位置及数量后,分2种情况研究了提升位移差限值的控制问题,即外侧吊点高于(或低于)其他吊点和中间吊点高于(或低于)其他吊点。通过强迫位移法对吊点施加不同的位移差,得出了结构杆件最大应力比及吊点提升力随位移差变化的曲线图,基于对计算结果的评价指标,比较了这2种情况下的位移差限值,确定各吊点位移差限值设为±30mm。接着分析钢平台在提升阶段的稳定性问题,计算结果与实际提升过程的受力状况相悖,表明钢平台在实际提升时不会发生平面外失稳。