石狮荣誉国际大酒店项目A塔楼22层 (标高92.900m) 处设有旋转餐厅, 该餐厅为圆弧形大跨度悬挑混凝土结构, 部分混凝土梁采用型钢混凝土形式。由于整体结构位于高空, 施工时需设计一种特殊支撑体系为混凝土浇筑时模板搭设提供条件, 整体设计与施工存在较大难度。

该旋转餐厅悬挑长度最大达7.10m, 其中梁的线荷载较大, 最大梁截面尺寸达600mm×1 400mm, 整体结构如图1所示。且石狮地区基本风压值较大, 支撑体系的受力情况复杂。因此, 考虑使用有限元软件针对支撑体系的受力情况进行分析。

旋转餐厅支撑体系为钢结构, 整体由框架悬挑平台与斜拉型钢构成。悬挑平台使用埋件固定于20层混凝土结构楼面上, 并于悬挑端使用斜拉型钢将支撑体系的悬挑平台拉结至21层混凝土梁端, 整体形成稳定体系, 如图2所示。

在支撑体系上使用48.3×3.6的标准钢管脚手架搭设, 模板支架高10.5m, 立柱纵向间距为1 000mm, 横向间距为1 000mm, 水平拉杆步距为1 500mm。

由于旋转餐厅南北端的悬挑结构为轴对称结构, 因此以南面的支撑体系作为计算分析模板, 使用MIDAS软件建立有限元模型如图3所示, 南北向主梁在模型中采用HM340×250×9×14型钢, 东西向次梁采用HM244×175×7×11型钢, 所有型钢材质为Q235B。

在支撑体系有限元模型建立完毕后, 按照模板体系主要参数在模型中建立钢管脚手架模型, 并按照结构图在模型中建立南端旋转餐厅梁板结构。最后设定边界条件后完成整体结构模型的建立。

在模型中增加各结构自重:支撑体系、脚手架等;加设钢筋、模板等恒荷载;加设如施工人员、设备等活荷载;按GB50009—2012《建筑结构荷载规范》设定风荷载参数, 使用软件根据层高自动生成整体结构的风荷载。最后设定荷载组合, 具体荷载组合如表1所示。

由位移、应力与截面验算比结果可知, 钢结构支撑体系最大位移为4.89mm, 位于支撑体系的最外端, <L/400=11.25mm (最大位移处构件跨度长4.5m) , 满足规范要求。

支撑体系的最大应力位置为旋转餐厅结构的弧形梁600mm×1 400mm正下方的主次梁连接位置, 该位置梁单元应力为157.33MPa (<215MPa) , 满足规范要求。

截面验算是综合考虑构件应力、稳定性等多方面因素占相应安全允许值的比例, 并取其包络值, 因此计算结果<1即可。计算结果云图中验算系数最大为0.71, 位于旋转餐厅结构的600mm×1 400mm弧形梁正下方的次梁上, 考虑实际施工中安全因素, 截面验算系数<0.85即合格, 符合要求。

由于该钢结构支撑体系通过埋件搭设于20层混凝土梁板面上, 且通过斜拉拉结至21层混凝土梁端, 因此同样需要对该部分混凝土结构进行验算。

根据第3.4节支撑体系分析结果, 提取各支撑点 (埋件处) 反力, 支撑点位置如图4所示, 各支撑点反力如表2所示。

由于上述荷载包括自重恒荷载D和反力活荷载L两部分, 由于活荷载在分析钢支撑架时已进行荷载组合, 因此组合系数取1.0。

钢结构支撑体系埋件均埋设于混凝土梁上, 因此仅需对混凝土梁进行分析验算。

根据结构图对混凝土梁进行建模与配筋, 并使用提取的支撑点反力加设于混凝土梁对应位置。具体验算结果如表3所示。

分析发现混凝土梁有多处梁配筋验算比>1, 不满足安全施工要求, 因此将对应的梁配筋进行增大或增加配筋数量并再次进行验算, 直至配筋验算比最大值<0.85。

由于单面钢结构支撑体系整体重约12.5t, 现场塔式起重机无法对其进行整片吊装, 因此需要对整个支撑体系进行合理分段安装。

首先将支撑体系分为支撑平台与斜拉2个部分。其中支撑平台的分片主要考虑施工难易程度、安装精度及塔式起重机吊重, 对支撑平台进行合理分片, 并使用次梁嵌补的方式进行施工。具体分片以南面支撑平台为例, 如表4所示。

按该分片方法, 将南北支撑平台共分7片分片单元, 并在相邻2片分片中间设置次梁嵌补, 整体支撑平台的分片如图5所示, 其中实心构件为各分片, 空心构件为次梁嵌补, 整体安装顺序从西向东。

安装流程为: (1) 步骤1将已于地面拼装好的分片单元使用塔式起重机吊装至就位位置, 并与先前已预埋好的埋件焊接; (2) 步骤2先后拉设钢丝绳与斜拉 (实体部分) , 并校正; (3) 步骤3由内向外依次进行嵌补钢梁的安装; (4) 步骤4继续进行嵌补钢梁安装, 直至整个支撑体系施工完成。

22层旋转餐厅施工完毕且脚手架拆除后, 由于钢结构支撑体系被混凝土结构遮挡, 仅有支撑平台悬挑端未被遮挡, 因此无法使用塔式起重机正常吊装, 需使用卷扬机配合施工。

支撑体系的拆除思路与安装思路基本类似, 同样将支撑体系分为支撑平台与斜拉2个部分, 先拆除斜拉, 再拆除支撑平台各分片单元。

其中, 拆除过程中支撑平台的分片更注重安全性, 拆除过程中操作人员的施工位置位于未拆除操作平台分片上, 因此需保证每片未拆除的操作平台仍为框架结构, 并有未拆除的斜拉拉设。具体分片以南面支撑平台为例, 如表5所示。

按照该分片方法, 将南、北支撑平台共分为10片分片单元, 整体支撑平台的分片如图6所示, 其中相邻2个分片使用实心与空心区分开, 整体拆除顺序从西向东。

钢结构支撑体系拆除流程为: (1) 步骤1拆除斜拉, 并在拆除前, 加设斜拉防护钢丝绳, 并将斜拉外侧与塔式起重机钢丝绳相连, 内侧与卷扬机钢丝绳相连; (2) 步骤2将斜拉拆除后, 慢慢卸载卷扬机, 将斜拉逐渐放至平台上; (3) 步骤3将塔式起重机与卷扬机分别在支撑体系单个分片的外侧与内侧连接, 并使塔式起重机钢丝绳与卷扬机钢丝绳拉直; (4) 步骤4将支撑平台拆除后, 塔式起重机钢丝绳缓慢提起, 同时慢慢卸载卷扬机, 当单片支撑体系全部位于楼层外时, 塔式起重机固定, 并加速卸载卷扬机。完全卸载后, 在楼层内拆除拆除分片前布设好的钢丝绳卸扣, 使连接支撑平台分片的钢丝绳成为自由端, 随后将支撑平台分片及钢丝绳直接吊至地面。拆除流程如图7所示。

1) 施工前应按照规范要求针对支撑体系的材料进行进场验收, 确保材料性能符合设计要求。并针对该结构进行详细的技术、质量、安全交底。

2) 由于钢结构支撑体系的梁、斜拉使用焊接节点, 因此在制造、安装过程中, 应对各焊接节点进行探伤, 并对存在缺陷的焊缝进行返修, 整体探伤合格后方可进行脚手架搭设。

3) 混凝土浇筑时, 应安排专人对20, 21层混凝土结构及钢结构支撑体系焊接节点进行监测, 尤其应注意有限元分析过程中应力、变形较大的部位。施工过程中若出现异响、变形时应及时核实原因, 通知现场施工人员暂停施工并撤离现场。

4) 支撑体系施工过程中, 严禁交叉作业。安装安全网、梁上安全绳, 并在结构下方拉设警戒线, 严禁人员进入。

石狮荣誉大酒店旋转餐厅施工过程中, 结合有限元分析软件, 将复杂结构与荷载利用计算机进行分析, 克服该混凝土结构离地高度高、悬挑大、质量大的难点, 成功设计出一种支撑体系。并可根据分析结果, 对整体结构进行优化, 识别出应力、变形较大部位, 为施工监测提供指导作用。

施工人员在该钢结构支撑体系安装、拆除过程中可直接在支撑平台上进行操作, 提高安装过程的安全性。另外, 本支撑体系的焊接避免较难控制焊接质量的仰焊, 因此一定程度上也提高施工质量。