包商银行大厦A座屋顶钢结构包括伸臂桁架、环向桁架、屋顶构架及擦窗机轨道平台。屋顶大悬挑结构平面位置为 (11) ~ (14) (30.5m) /轴 (45m) , 立面标高为108.240~131.115m。伸臂桁架最大悬挑长度16.768m, 伸臂桁架下弦至23层楼面净空高度约为17.1m。伸臂桁架弦杆与核心筒钢骨交汇处采用铸钢节点连接。环向桁架与伸臂桁架刚接, 两圈环向桁架中间由钢梁刚接成一体, 最大跨度为14.75m (见图1~3) 。

伸臂桁架3悬挑长度为16.768m, 重约80t。塔式起重机最大起重量仅为9.5t, 完全不能满足桁架整榀吊装的要求, 需分段吊装。

图4为伸臂桁架3根据塔式起重机吊重能力采用的分段方案, 所有分段构件在工厂加工, 运至现场后进行拼装焊接。

1) 在每个分段点两侧搭设格构式钢支撑架的方式进行安装。由于23层楼面承载能力有限, 不能承受过大集中荷载, 不利于控制施工质量与安全。另外, 需在格构式钢支撑架2个方向设置支撑杆件, 用钢量大且不能重复利用, 该方案可行性差。

2) 搭设满堂支撑架进行安装。在满足脚手架施工可行性要求的基础上, 将伸臂桁架下部脚手管间距加密, 降低传递给23层楼板的集中荷载。设置合理的安装卸载顺序, 在安装过程中设置拉索参与受力, 使传递给脚手管的桁架自重荷载满足承载力要求, 该方案能保证施工质量与安全。

施工过程是结构逐步成形、荷载逐步累积的近似连续过程, 有显著的时变缓慢特性。施工过程的结构受力一般采用“慢速时变力学”对连续施工过程利用时间离散的时间冻结法近似处理^[1]。

分步建模法仅考虑当前构件的内力和变形, 并未考虑后续施工增加的构件对整体模型的影响^[2]。因此, 施工模拟通常采用一次建模法, 先建立整体结构模型, 定义边界与荷载工况, 再将单元、边界、荷载根据实际施工顺序依次进行激活与钝化, 使新增结构单元内力与变形与上一施工步产生的内力与变形叠加^[3]。

施工模拟分析的主要特征是考虑了施工效应^[4,5,6], 即时间效应 (混凝土徐变) 、路径效应以及缺陷效应。本文主要考虑路径效应对桁架自身以及下部支撑架的影响。

为避免卸载时产生的内力及变形对屋顶桁架间连接钢梁的影响, 对6榀伸臂桁架进行独立安装、卸载后再安装桁架间连接钢梁、擦窗机轨道平台等次结构构件。因此, 本文选取桁架截面分段米重最大与悬挑长度最大的桁架3进行独立施工模拟分析, 着重考察安装焊接过程以及卸载顺序对桁架自身及下部支撑架的影响。

采用MIDAS/Gen软件进行施工分析, 为准确模拟下部支撑架提供的刚度贡献, 将桁架下部支撑架建立到模型中。根据桁架分段, 确定桁架构件安装焊接顺序。支撑点位置、安装焊接顺序、拉索吊耳位置如图5所示。

桁架自重为80t, 由于自重较大, 在满足支撑架搭设施工可行的基础上, 布置间距尽量密集, 设置脚手架横距与纵距均为0.45m, 步距为0.9m, 垂直桁架立面方向设置横距为0.45m的4排脚手架。桁架3底部设置小短柱, 用于桁架下弦分段构件的安装与切割卸载, 小短柱与搁置在脚手管U托上的横档钢梁焊接成一体。

将伸臂桁架各杆件以及底部支撑架采用可以传递弯矩的梁单元模拟, 桁架下弦底部支撑杆件采用只受压不受拉单元的桁架单元模拟。

在施工分析的第1步将模型中桁架上弦和下弦、拉索端部节点设置成固接, 支撑架底部所有节点设置成铰接。在各施工阶段, 桁架分段构件之间的安装焊接过程通过释放梁端约束的激活与钝化实现。

计算模型中桁架构件材料为Q345GJ钢, 支撑小短柱、横档、支撑架脚手管均为Q235钢。

计算模型中各荷载工况均采用软件设置的施工阶段荷载类型, 自重荷载作用贯穿整个施工阶段。施工活荷载为3k N/m², 活荷载作用贯穿整个施工阶段, 将施工活荷载换算成线荷载作用在横档钢梁上, 值为2k N/m。

为减小安装过程中桁架自重对下部支撑架的影响, 在安装第12根分段构件时, 布置2根拉索作用在桁架下弦节点处, 该下弦节点位于编号为12的分段构件弦杆与腹杆交汇处。在上部拉索端部设置吊耳与核心筒内钢骨连接。

1) 依次安装焊接1~8号分段构件后, 形成稳定体系。对桁架下弦支撑小短柱进行第1次切割卸载, 卸载方法为:将支撑小短柱按每步卸载小短柱后的轴力值由大到小卸载, 后续3次卸载亦采用此方法进行。此阶段卸载顺序如图6a所示。

2) 依次安装焊接9~11号分段构件后, 对桁架下弦小短柱支撑进行第2次切割卸载, 此阶段卸载顺序如图6b所示。

3) 依次安装焊接12号分段构件、张紧拉索、安装焊接13号分段构件, 此过程中必须严格按照在12号分段构件安装焊接完成后, 立即张紧拉索, 最后安装焊接13号分段构件, 使其形成一个稳定体系。对桁架下弦支撑小短柱进行第3次切割卸载, 此阶段卸载顺序如图6c所示。

4) 依次安装焊接14~16号分段构件, 伸臂桁架3分段构件全部安装焊接完成。对桁架下弦支撑小短柱进行第4次切割卸载, 最后对拉索卸载, 此阶段卸载顺序如图6d所示。

方案2、方案3安装焊接分段构件的顺序、卸载次数、每次卸载支撑小短柱的位置与数量与方案1相同, 每次卸载时的卸载顺序与方案1不同, 方案2为从左往右卸载, 方案3为从右往左卸载。

方案4、方案5将分段构件按图5所示编号顺序依次全部安装焊接完成整榀桁架后, 再将桁架下弦底部所有支撑小短柱卸载。方案4将支撑小短柱从左往右依次卸载, 方案5将支撑小短柱从右往左依次卸载。

图7为5种方案在施工过程中支撑小短柱各施工步的最大轴力变化曲线。最大轴力为下部支撑架设计计算提供数据支持, 考察不同方案下安装焊接、卸载过程中最大轴力的变化, 对确定最优卸载方案有重要参考意义。方案1~3第1~4次卸载施工步分别为第9~14施工步、第18~22施工步、第26~30施工步与第34~39施工步。

由图7可知, 方案1~3安装焊接阶段, 支撑小短柱的最大轴力几乎完全相同, 但在每次卸载阶段, 支撑小短柱的最大轴力有较大差距。

1) 第1次卸载 (9~14施工步) 与第2次卸载 (18~22施工步) 过程中, 方案2在第13, 21施工步的轴力最大, 分别为-18.8, -22.4k N。

2) 第3次卸载 (26~30施工步) 过程中, 方案3在第29施工步的轴力值最大, 为-27.6k N。

3) 第4次卸载 (34~39施工步) 过程中, 方案1与方案2在第39施工步的最大轴力分别为-30.5, -36.4k N, 方案1最大轴力比方案2降低16.5%。

方案1在4次卸载过程中每个施工步的最大轴力均小于方案2和方案3, 具有较明显的安全优势。各方案在第1~3次卸载的最后阶段, 最大轴力值出现突变, 这是由于每次卸载时, 卸载完最后1根支撑小短柱后, 轴力被后续未卸载小短柱分担, 并没有出现轴力集中现象。

方案4、方案5第1~17施工步为安装焊接整榀桁架分段构件过程, 第17~39施工步为卸载支撑小短柱过程。

由图7可知, 方案4在卸载过程中, 最大轴力变化较均匀, 直至卸载到最后1根支撑小短柱时, 最大轴力出现突变, 最大轴力达-40k N。方案4在安装焊接、卸载全过程中, 最大轴力几乎全部大于方案1~3最大轴力, 安全性较差。

方案5在卸载过程中, 由于内力重分布使最大轴力出现几次突变。支撑小短柱的最大轴力出现在第29施工步, 为-31k N, 比方案1大1k N左右。虽然方案5在31~39施工步最大轴力为所有方案中最小, 但方案5在1~30施工步最大轴力均大于方案1~3, 且方案5是在整榀桁架全部安装焊接完成后再进行卸载, 底部支撑架处于全长受荷状态, 安全性较差。因此, 方案1比方案5更能保证施工质量及安全。

为进一步考察各方案的优劣, 图8~10分别给出了不同施工步所有支撑小短柱总反力变化曲线、桁架总重变化曲线、所有支撑小短柱承担桁架自重比例变化曲线。

由图8~10可知, 方案1~5在施工步1~8中桁架构件安装焊接顺序相同, 支撑总反力、桁架自重逐渐增大, 支撑小短柱承担桁架自重比例呈倒N形分布。施工步8后方案1~3与方案4~5各结果开始出现较大差异。

方案1~3支撑小短柱总反力变化呈波浪形分布, 在每次卸载时, 总反力有较大幅度减小, 方案1在卸载过程中总反力小于方案2~3。

方案4~5支撑小短柱总反力变化呈几字形分布, 开始卸载时, 总反力开始逐渐减小。在施工步8~32, 支撑小短柱总反力显著大于方案1~3。在施工步33~40, 方案5总反力相对其他方案较小, 但差异不大。

施工步8~32过程中, 方案1~3已安装桁架自重比方案4~5小。结合图10给出的支撑小短柱承担桁架自重比例变化曲线可知, 方案1~3显著优于方案4~5。每次卸载过程中, 方案1支撑小短柱承担的桁架自重比例小于方案2~3。

因此, 从支撑小短柱总反力、桁架总重变化、支撑小短柱承担桁架自重比例3个方面综合对比结果可知, 方案1为最优方案。

桁架在各施工步的最大应力均出现在桁架下弦根部。图11给出了各方案桁架下弦根部杆件最大应力变化曲线。由图11可知, 方案1~3在各施工步应力几乎完全相同, 卸载顺序对桁架下弦根部位置应力并无较大影响。

1) 方案4在第12~31施工步最大应力略大于方案1~3, 在第32~42施工步最大应力与方案1~3几乎相同。

2) 方案5在第12~39施工步最大应力比方案1~3大2MPa左右。在第42施工步, 各方案桁架下弦根部处应力均为19MPa。

由以上结果可知, 由于桁架杆件截面、壁厚较大, 单榀桁架安装焊接过程中, 各方案对桁架下弦根部应力影响较小, 最大应力远小于屈服应力。

1) 从经济性与安全性角度分析, 采用满堂支撑架形式比采用格构式钢支撑架点支撑形式优。

2) 由安装焊接、卸载方案底部支撑小短柱最大轴力变化情况可知, 方案1在各卸载施工步产生的最大轴力明显小于其他方案, 传递给底部脚手架的内力为最小, 且方案1有效避免了底部支撑架处于全长受荷状态, 有效保证了施工质量与安全。

3) 各方案支撑小短柱总反力与支撑小短柱承担桁架自重比例均在卸载时减小, 但不同的安装焊接、卸载顺序对结果影响很大, 采用方案1的安装焊接、卸载方式使上述2个考察指标的数值达到最小, 为最优方案。

4) 各方案施工过程中桁架杆件最大应力始终位于桁架下弦根部位置, 分析得到方案1的应力为最小, 各方案得到的应力远小于屈服应力。