湖北省科技馆新馆大跨度大悬挑结构高空拼装及支撑胎架设计技术

作者：叶建夏华盛魏恒刘文昆黄心颖吴慧林

单位：中建三局集团有限公司工程总承包公司

摘要：湖北省科技馆新馆为满足建筑内部大跨度、大空间的视野需求, 主体采用核心筒-钢桁架-预应力拉索结构, 最大悬挑长度45m, 单层悬挑面积占单层建筑面积的60%, 施工难度大。根据本工程大跨度、大悬挑结构特点, 项目采用胎架支撑高空原位拼装法。通过综合考虑机械设备选型和构件安装顺序解决胎架布置的施工难题, 通过施工全过程有限元仿真分析, 完成合理的胎架结构设计, 实现胎架高效利用。

关键词：钢结构悬挑结构胎架设计拼装施工技术

作者简介：叶建, 高级工程师, E-mail:181586351@qq.com。
基金：中建三局集团有限公司工程总承包公司:现代科技馆工程建造关键技术研究与应用 (CSCEC3B-2017-07)。 -页码-：33-37

0 引言

　　改革开放以来，出现大批追求强烈视觉冲击的体型复杂的多高层建筑。其中一部分建筑采用悬挑结构。在已建成的地区或国内知名悬挑建筑中，悬挑跨度>10m，>20m的较常见，>30m的较少。如2009年建成悬挑跨度达8.2m的中国科技馆二期工程，2010年建成悬挑跨度达33.8m的上海世博会中国馆，2012年建成悬挑跨度达75m的CCTV新办公大楼等。

1 工程概述

　　湖北省科技馆新馆总建筑高度为51.1m，建筑最大平面尺寸为158.4m×150m，地上4层，层高分别为9.5, 17.28, 12.1, 4.5m，最大悬挑长度为45m，悬挑面积为15 000m²。主体采用核心筒-钢桁架-预应力拉索结构，称为长悬臂类斜拉桥结构体系，如图1～2所示。其中，核心筒是整个结构受力主体，承载力高、抗震性能好，类似于斜拉桥结构中的索塔。预应力拉索设置在悬挑钢桁架中，与悬挑桁架共同承担悬挑部位荷载，并将荷载传向核心筒，类似于斜拉桥结构中的拉索。而钢桁架则类似于斜拉桥结构中的主梁。该结构体系通过拉索布置和索力调整提高结构刚度和控制结构变形，从而改善结构受力性能，而不影响建筑造型和使用功能。

　　图1 钢结构整体概况

　　 Fig.1 Overall overview of the steel structure

　　图2 钢结构整体立面

　　 Fig.2 Overall elevation of the steel structure

2 施工总体思路

　　根据长悬臂类斜拉桥结构体系受力特点，核心筒和跨层主桁架为结构受力主体，并与拉索共同形成一类斜拉桥受力体系，故总体施工流程为先安装核心筒和跨层主桁架，再辐射安装周边结构，而中庭结构在核心筒施工完毕后即可插入施工。施工流程为:第1步土方开挖，承台施工;第2步土建结构底板施工阶段进行钢柱脚预埋件安装;第3步预埋件施工完成后，安装首节柱，承台二次浇筑;第4步9.330m以下钢框架结构施工;第5步9.330～22.830m核心筒结构施工;第6步环形跨层主桁架施工，插入2层钢筋桁架楼承板施工;第7步施工3层跨层主桁架;第8步3层桁架结构安装完成，插入2层混凝土浇筑;第9步26.730～43.330m核心筒结构安装，插入3层钢筋桁架楼承板施工;第10步施工4层跨层主桁架;第11步:4层桁架结构安装完成，插入3层混凝土浇筑;第12步安装沉浸影院结构、4层及以上钢筋桁架楼承板施工及混凝土浇筑;第13步主体结构施工完成后，拉索张拉，稳定后，进行整体卸载;第14步结构施工完成后，进行装饰装修及室外工程，最后竣工验收。

3 胎架布置

　　胎架支撑高空原位拼装法是大跨度大悬挑结构施工较常见的施工方法之一，将结构划分成若干单元，单元尺寸视选用起重机能力和结构形式而定，单元需自成体系，有足够的稳定性、刚度及强度，然后将各结构单元在临时搭设好的胎架上进行拼装，在结构拼装并焊接完成后再拆除胎架，进而完成结构成型。胎架在结构安装过程中起临时支撑作用，胎架若布置间距过大，会因为塔式起重机起重能力不足，无法将钢桁架安装就位，因此，胎架布置需考虑塔式起重机起重能力。同时，构件安装顺序会直接影响胎架布置数量。

　　 1) 塔式起重机布置

　　本工程钢结构施工先通过试选塔式起重机型号进行吊次分析，确保施工工期。经过反复试选分析，最终选定2台D1100-63塔式起重机和2台ZSC1000塔式起重机 (见图3) 。4台塔式起重机布置于核心筒外侧，实现整个工程全覆盖。

　　图3 塔式起重机布置

　　 Fig.3 Elevation layout of the tower crane

　　 2) 构件安装顺序

　　构件安装顺序直接影响胎架布置位置和数量，以4层角部桁架为例，如图4所示，非阴影部分为已安装桁架，且在2种构件安装顺序下，构件分段均在塔式起重机起重能力以内，图4a按1→2→3的顺序安装，图4b按1→2顺序安装，安装过程中结构均能自成体系，保证构件安装时的安全性，但2种方案下，图4a布置胎架的数量比图4b少1个，因此在胎架布置时应合理考虑构件安装顺序。

　　综合考虑塔式起重机起重能力和构件安装顺序，对胎架进行布置，如图5所示。

　　 3层结构支撑胎架共111个, 坐落于2层结构楼板面, 部分胎架所在位置无2层结构楼板面, 坐落于1层结构楼板面。4层结构支撑胎架共40个, 坐落于3层结构楼板面, 部分胎架所在位置无3层结构, 坐落于2层结构楼板面。

4 胎架设计

4.1 胎架最不利工况

　　不同胎架卸载时间和卸载顺序不同，本工程4层结构支撑胎架分4步进行卸载，3层结构支撑胎架分8步进行卸载。因此，不同胎架最不利工况不同，胎架设计需考虑胎架最不利工况。

　　图4 4层角部桁架胎架布置

　　 Fig.4 Layout of the fourth floor corner bed-jig

　　图5 支撑胎架布置

　　 Fig.5 Layout of the supporting bed-jig

　　结构安装完成后、拉索张拉前，由于3, 4层结构已形成稳定受力体系，4层结构支撑胎架可先卸载。考虑胎架卸载后主体结构内力和变形，确定4层结构支撑胎架卸载顺序，如图6a所示。再对整个过程进行有限元计算，计算出4层结构支撑胎架在不同工况下支撑反力，根据最不利工况对4层结构支撑胎架进行设计，其最不利工况下胎架反力如图7a所示。

　　图6 结构支撑胎架卸载顺序

　　 Fig.6 Unloading sequence of the structure supporting bed-jig

　　 4层结构支撑胎架卸载后，开始张拉拉索，张拉后焊接与拉索同方向的斜腹杆，开始卸载3层结构支撑胎架。由于3层结构支撑胎架数量多，在不影响卸载后结构性能的前提下，考虑施工成本，选择24个胎架参与最后的整体同步卸载，卸载方法应用“一种结构自平衡卸载装置及其施工方法”。同样，考虑胎架卸载后主体结构内力和变形，确定3层结构支撑胎架卸载顺序，如图6b所示。再根据最不利工况对3层结构支撑胎架进行设计，其最不利工况下胎架反力如图7b所示。

　　根据胎架最不利工况下的支撑反力，本工程共设计3种结构形式不同的胎架:630格构式支撑胎架、108格构式支撑胎架及630单管式支撑胎架。

　　图7 结构支撑胎架最不利工况下反力 (单位:k N)

　　 Fig.7 Reverse force under the most adverse working conditions of the structure supporting bed-jig (unit:k N)

4.2 胎架结构受力验算

　　 1) 单管式支撑胎架

　　单管式支撑胎架采用钢管制成，材质为Q235B。为保证胎架结构侧向稳定性，需对胎架进行侧向临时加固。侧向临时加固采用圆管。胎架及侧向胎架加固如图8所示。

　　当单管式支撑胎架作用力为1 550kN时，分析验算结果如图9所示。

　　由图9可知，支撑胎架能承受最大反力为1 550kN，大于胎架在结构中所受最大反力1 336kN，满足要求。

　　 2) 格构式支撑胎架

　　格构式支撑胎架为由4根无缝钢管及└63×5组成的1m×1m方形格构胎架，材质为Q235B。格构式支撑胎架如图10所示。本工程格构式支撑胎架高度为12m，承载力为1 100kN，大于最大胎架反力1 099kN，满足要求。

　　图8630单管式支撑胎架

　　 Fig.8 Detail of630 single tube supporting bed-jig

　　图9630单管式支撑胎架受力验算

　　 Fig.9 The stress calculation of630single tube supporting bed-jig

　　图1 0108格构式支撑胎架

　　 Fig.10 The108 lattice supporting bed-jig

　　 3) 格构式支撑胎架

　　格构式支撑胎架为由3根无缝钢管及I25a组成的三角形格构胎架，材质为Q235B。格构式支撑胎架如图11所示。当格构式支撑胎架的作用力为4 200kN时，受力验算结果如图12所示。由图12可知，格构式支撑胎架能承受最大反力为3 300kN，大于胎架在结构中所受最大反力2 563kN，满足要求。

　　图1 1630格构式支撑胎架

　　 Fig.11 The630 lattice supporting bed-jig

　　图1 2630格构式支撑胎架受力验算

　　 Fig.12 The stress calculation of630lattice supporting bed-jig

5 安装过程模拟

5.1 计算模型

　　应用有限元软件3D3S建立1∶1三维线模型，并赋予杆件与设计施工图一致的截面和材料特性。考虑实际安装过程，将模型底部节点设置为固定约束。3层结构支撑胎架对应的杆件释放两端约束，设置为只受压杆单元。4层结构支撑胎架对应的杆件根据胎架刚度设置弹性支座。

5.2 荷载施加

　　结构安装过程中，恒荷载主要为结构自重，并考虑1.5kN/m²施工活荷载。荷载组合为:1D1L, 1.2D1.4L, 1.35D0.98L (其中，D代表恒荷载，L代表活荷载) 。

5.3 结构受力验算分析

　　考虑实际安装过程，对计算模型采用线性计算，由于安装过程中施工阶段多，以4层结构安装完成后、拉索张拉前的工况为例进行模型验算说明，结果如图13所示。

　　图1 3 结构受力验算

　　 Fig.13 The stress calculation of structure

　　由图13可知，结构杆件最大强度应力比为0.61，结构最大变形为33.695mm，均满足规范要求，安装过程安全。

6 结语

　　针对长悬臂类斜拉桥结构体系，通过综合考虑机械设备选型和构件安装顺序解决胎架布置的施工难题，通过施工全过程有限元仿真分析，形成胎架合理选型技术，实现胎架高效利用，确保工程进度、安全，降低经济成本。

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High Altitude Assembly and Supporting Bed-jig Design Technology for Large-span and Large-cantilever Structure of Hubei Science and Technology Museum New Hall

YE Jian XIA Huasheng WEI Heng LIU Wenkun HUANG Xinying WU Huilin

(General Construction Company of CCTEB Group Co., Ltd.)

Abstract: In order to meet the requirement of large-span and large-space vision in Hubei Science and Technology Museum new hall, the structure of core tube-steel truss-prestressing cable is adopted, the maximum cantilever length is 45 m, and the single-storey cantilever area accounts for 60% of the singlestorey building area. According to the characteristics of the large-span and large-cantilever structure of this project, the method of in-situ assembling of bed-jig support at high altitude is adopted in this project.Through the comprehensive consideration of the selection of mechanical equipment and the sequence of component installation, the construction problem of the bed-jig layout is solved. Through the finite element simulation analysis of the whole construction process, the reasonable design of the bed-jig structure is completed, and the efficient utilization of the bed-jig is realized.

Keywords: steel structures; cantilever structure; bed-jig; design; assembly; construction;

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