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1、第33卷第3期 V01_33 No3 建筑施工 BUILDING CONSTRUCTION 支撐體系在大型鋼結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用 Application of Supporting System to Large Steel Structure Construction 口 賈寶榮 (上海市機(jī)械施工有限公司 200072) 【摘要】結(jié)合幾個典型工程案例，介紹了支撐在鋼結(jié)構(gòu)工程施工中的應(yīng)用情況。并借助于實(shí)際工程，詳細(xì)介紹了支撐體 系、支撐使用原則、支撐模擬計算等內(nèi)容，為今后在鋼結(jié)構(gòu)工程施工過程中如何合理靈活應(yīng)用支撐結(jié)構(gòu)，提供了技術(shù)手段和參 考資料。 【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)施工單根支撐桁架支撐格構(gòu)支撐導(dǎo)向支

2、撐施工過程模擬 【中圖分類號】TU758 ，文獻(xiàn)標(biāo)識碼 B 【文章編號】10041001(2011103019603 在鋼結(jié)構(gòu)工程施工中，支撐是使用最多的輔助設(shè)施，簡 單輕便的鋼結(jié)構(gòu)工程往往使用單根支撐桿件即可滿足施工 要求，體系復(fù)雜或體量龐大的鋼結(jié)構(gòu)工程則需要使用區(qū)域格 構(gòu)支撐，一些特殊的鋼結(jié)構(gòu)工程有時需要借助導(dǎo)向支撐方能 完成施工任務(wù)。以下結(jié)合幾個典型的鋼結(jié)構(gòu)工程案例，來介 紹支撐在鋼結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用情況。 1 單根支撐應(yīng)用 單根支撐是眾多支撐體系中最簡單的種，應(yīng)用也最為 廣泛和多樣。在實(shí)際工程中確定和優(yōu)化支撐布置位置是應(yīng)用 的關(guān)鍵，要始終把握一個基本原則：“支撐傳力最直接可靠， 支撐設(shè)置

3、最簡便高效”。下面結(jié)合一個實(shí)際工程案例來說明 單根支撐的應(yīng)用情況。 在北京朝天輪工程中，要使用輪緣牽引支架上的千斤頂 來牽引整個輪緣系統(tǒng)做順時針轉(zhuǎn)動，以完成輪緣安裝和剛性 輪輻拆除任務(wù)，如圖1所示。由于牽引力較大，支架依附的土 建結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度不能完全滿足其施工安全要求，所以必須對 土建結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理。 既然要進(jìn)行加固處理，那采用支撐進(jìn)行加固是效率最高 的方法。根據(jù)牽引支架對土建結(jié)構(gòu)的作用力方向始終是一致 的這一工程特點(diǎn)，項目組確定采用了單向支撐加固的方案， 即：支撐桿件始終處于受壓狀態(tài)，傳力直接；支撐與土建梁柱 的連接節(jié)點(diǎn)無須考慮拉力作用，處理也較為簡單；最后再結(jié) 合有限元分析，根據(jù)計算結(jié)果

4、(梁柱強(qiáng)度驗算，層間位移角驗 算等)確定需要布置支撐的數(shù)目。 本工程根據(jù)以上步驟，最終確定采用圖1所示的加固 【作者簡介】賈寶榮(1981一)，男，博士，工程師。聯(lián)系地址：上 海市閘北區(qū)洛川中路701號(200072)。 【收稿日期】2011-0302 方案，有限元模型如圖2所示。經(jīng)過計算，牽引支架鋼構(gòu)件應(yīng) 力比最大值為053；土建結(jié)構(gòu)梁柱的應(yīng)力比最大值為O88； 土建結(jié)構(gòu)層間位移角最大值為O001 3，發(fā)生在第2層處；各 項指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。 圖1 輪緣牽引系統(tǒng) 圖2支撐加固有限元模型 2桁架支撐應(yīng)用 當(dāng)單根支撐不能滿足施工要求或設(shè)置不方便時，使用桁 架支撐往往能夠達(dá)到理想效果。當(dāng)然，在鋼

5、結(jié)構(gòu)施工中桁架 支撐應(yīng)用較為廣泛，靈活性也較強(qiáng)。本文根據(jù)其傳力特點(diǎn)，將 桁架支撐簡單分為豎向桁架支撐、水平桁架支撐和混合桁架 支撐3種形式?；旌翔旒苤蔚膽?yīng)用思想是豎向桁架支撐和 水平桁架支撐的疊加，限于篇幅，這里主要介紹前兩種支撐 的應(yīng)用情況。 21 豎向桁架支撐 豎向桁架支撐主要用來承受豎向荷載，當(dāng)單根鋼梁豎向 承載力不滿足要求時，可因地制宜地采用豎向桁架支撐進(jìn)行 加固處理。目前，其主要應(yīng)用在超高層鋼結(jié)構(gòu)工程施工中，當(dāng) 主體重型施工塔吊完成吊裝任務(wù)時，往往需要在相應(yīng)的樓層 上布置較小型號的塔吊對主體重型塔吊進(jìn)行拆除施工，這就 是所謂的“中拆大、小拆中、小自拆”塔吊拆除原則。 賈寶榮：支撐體

6、系在大型鋼結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用 第8期 由于樓層鋼梁的承載力有限，一般不足以承受塔吊豎向 荷載，如果利用相連樓層鋼梁形成豎向桁架結(jié)構(gòu)即可高效地 解決這個問題。下面結(jié)合一個實(shí)際工程案例來說明豎向桁架 支撐在高層鋼結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用情況。 廣州珠江城位于廣州21世紀(jì)中央商務(wù)區(qū)的核心區(qū)域一 珠江新城B卜8地塊，總建筑面積約為21萬mz，塔樓采用鋼 框架一核心筒組合結(jié)構(gòu)體系，整個建筑地下5五層，地上71 層，高度為3096 m。建筑效果如圖3所示。 主體重型塔吊ZSL1000完成吊裝任務(wù)需要拆除，在 28900 m標(biāo)高(71F)布置1臺ZSL380塔吊進(jìn)行兩次安裝及拆 除以完成ZSL1000拆除任務(wù)，塔吊施

7、工布置如圖4所示。施 工順序為：2ZSL1000塔吊安裝IZSL380塔吊；PZSL380 塔吊拆除2ZSL1000塔吊：IZSL1000塔吊拆除1 SL38O 塔吊，并安裝2ZSL380塔吊；2ZSL380塔吊拆除 IZSL1000塔吊；2 SL380安裝QW10吊車；QW10吊車拆 除2#ZSL380塔吊 QW10吊車安裝QW6吊車；QW6吊車拆 除QW10吊車；OW6自拆。 由于ZSL380塔吊支承位置樓層鋼梁承載不能滿足塔吊 施工要求，本工程根據(jù)實(shí)際情況決定采用“豎向桁架支撐”方 法對其進(jìn)行加固，有限元模型如圖5所示。經(jīng)過計算，71層 鋼梁最大應(yīng)力比為074，7O層鋼梁的最大應(yīng)力比為O

8、82，桁 架腹桿的最大應(yīng)力比為O76，滿足規(guī)范要求。當(dāng)然，豎向支撐 桁架腹桿的具體布置形式要根據(jù)荷載作用位置以及荷載傳 力路徑來確定。 圖3建筑效果圖 圖4塔吊施工布置圖(71層樓層面) 圖5豎向桁架支撐加固模型 22水平桁架支撐 水平桁架支撐主要用來承受平面內(nèi)荷載，包括水平荷載 和扭轉(zhuǎn)荷載。當(dāng)單根構(gòu)件水平承載力或面內(nèi)抗扭剛度不夠 時，往往需要采用水平桁架進(jìn)行加固處理。下面結(jié)合一個實(shí) 際工程案例來說明水平桁架支撐在鋼結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用情 秘 況。 上海中心大廈位于浦東小陸家嘴地區(qū)，總建筑面積約為 38萬m ，塔樓采用巨型柱一核心筒混合結(jié)構(gòu)體系，并設(shè)有6 道伸臂桁架，整個建筑地下5層，地上127層

9、，高度為 632 m。上海中心建筑外觀呈螺旋式上升，建筑表面的開口由 底部旋轉(zhuǎn)貫穿至頂部，建筑效果如圖6所示。 工程根據(jù)實(shí)際施工情況采用MI280D系列動臂塔式起重 機(jī)，并通過塔吊爬升完成高空的吊裝任務(wù)。為了增加設(shè)備工 作半徑以及減小對核心筒滑模施工的干擾，應(yīng)采用將塔吊外 掛到核心筒上進(jìn)行施工的策略，塔吊爬升框架布置如圖7所 示。為了降低爬升框架對核心筒的不利影響，爬升框與核心 筒的節(jié)點(diǎn)設(shè)置在內(nèi)側(cè)有翼墻支承的核心筒處，但是照此設(shè)計 出的爬升框?qū)⒊商菪涡螤睿@將導(dǎo)致爬升框水平抗扭剛度極 差不能滿足塔吊施工要求。為了增強(qiáng)爬升框架平面內(nèi)抗扭剛 度，本工程巧妙地在爬升框靠核心筒側(cè)設(shè)置了平面桁架支撐 結(jié)

10、構(gòu)，使整個梯形被劃分為兩個三角形和一個平面桁架，從 而使其抗扭剛度得到了很大的提高。通過設(shè)計計算，最終確 定了爬升系統(tǒng)各個構(gòu)件的截面尺寸，水平桁架桿件應(yīng)力比控 制在O70之內(nèi)，斜撐桿應(yīng)力比為O55，斜拉索后張拉施工作 為塔吊施工安全儲備，結(jié)構(gòu)示意如圖7所示。實(shí)施效果如圖 8所示。 r 可力 3 _。 輯 圖6上海中心建筑效果 圖7塔吊爬升框架示意 從此工程中可看出，當(dāng)結(jié)構(gòu)同時承擔(dān)豎向和水平荷載且 承載力不滿足要求時，結(jié)構(gòu)往往要做成混合桁架支撐形式， 即水平桁架支撐和豎向桁架支撐組成混合空間桁架結(jié)構(gòu)，才 能高效施工。 3格構(gòu)支撐應(yīng)用 對于大跨度鋼結(jié)構(gòu)的工程，由于其跨度較大且離開地面 距離較遠(yuǎn)，在

11、施工時往往需要借助大量的格構(gòu)支撐，在結(jié)構(gòu) 形成可靠的穩(wěn)定體后再對支撐進(jìn)行拆除，這就是大跨度空問 鋼結(jié)構(gòu)施工中所謂的分條或分塊吊裝法1。在分條或分塊吊 裝法施工過程中，影響結(jié)構(gòu)體系及施工系統(tǒng)受力性能的關(guān)鍵 環(huán)節(jié)包括：條塊單元的劃分方式及單元的剛度；結(jié)構(gòu)的 拼裝順序與控制方法；起重設(shè)備的吊裝能力；可能的結(jié) 第3期 賈寶榮：支撐體系在大型鋼結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用 構(gòu)體系轉(zhuǎn)換方法。格構(gòu)支撐的設(shè)置，不僅要考慮以上4大關(guān) 鍵環(huán)節(jié)，而且要考慮施工場地條件(是否便于布置支撐)以及 施工模擬分析結(jié)果(支撐卸載后結(jié)構(gòu)能否和設(shè)計狀態(tài)吻合) 等幾個方面的問題。工程案例分析如下： 上海東方體育中心位于黃浦江東、川I楊河南、濟(jì)

12、陽路西 以及規(guī)劃路北側(cè)，是為滿足上海承辦2011年第14屆國際泳 聯(lián)世界錦標(biāo)賽而興建的體育場館，建筑效果如圖9所示。綜 合館是世界錦標(biāo)賽的主賽場，主要舉行世錦賽游泳和花樣游 泳項目比賽，場館固定座位12 000個，搭建泳池后，固定和 活動座位總數(shù)可達(dá)18 000個。整個結(jié)構(gòu)由10榀桁架組成， 最大跨度為152 m，最小跨度為85 m。 根據(jù)工程場地條件、土建交叉施工配合以及設(shè)備吊裝能 力等情況，本工程確定采用分塊吊裝與千斤頂提升的綜合施 工方法，構(gòu)件分塊如圖10所示，主要格構(gòu)支撐布置及施工流 程如圖l1所示。經(jīng)過施工全過程模擬分析，位移最大值為 65 mm，應(yīng)力最大值為56 MPa，與設(shè)計狀態(tài)

13、基本吻合。 圖9 東方體育中心建筑效果 圖10構(gòu)件吊裝分段 圖11 主要格構(gòu)支撐布置及施工流程 4導(dǎo)向支撐應(yīng)用 當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)工程采用整體安裝法施工時，往往需要借助 導(dǎo)向支撐來控制鋼結(jié)構(gòu)行動的軌跡，例如結(jié)構(gòu)整體提升和整 體滑移施工，導(dǎo)向支撐主要有導(dǎo)向輪、導(dǎo)向滑塊和帶滑輪的 導(dǎo)向桁架等幾個類別。在整體安裝法施工過程中，影響結(jié)構(gòu) 體系及施工系統(tǒng)受力性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括圓：提升吊點(diǎn)的 確定(包括數(shù)量和布置)；提升過程的同步性，提升過程中 可能存在的突然動力作用：結(jié)構(gòu)體系邊界條件的變化。根 據(jù)以上內(nèi)容，結(jié)合有限元分析結(jié)果，可以確定導(dǎo)向支撐的位 置和數(shù)量。工程案例分析如下： 廣州新電視塔天線桅桿原設(shè)計頂標(biāo)高61

14、221 m，由于民 航限高要求，天線桅桿需降低至597 m，下降高度1521 m。 工程根據(jù)實(shí)際情況決定采用整體下降法，即運(yùn)用下降設(shè)備和 導(dǎo)向支撐將原天線桅桿(高9411 m，重約640 t)逐步降低 到規(guī)定位置。下降設(shè)備采用“計算機(jī)控制、鋼鉸線承載、液壓 千斤項集群同步作業(yè)”的技術(shù)原理，在液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng) 協(xié)同作業(yè)下，確保天線桅桿平穩(wěn)、安全地下降至設(shè)計要求的 597 m標(biāo)高(含避雷針高度12 rn)。整體下降方案的基本原 理為：提升段的自重荷載由計算機(jī)控制液壓起重系統(tǒng)的集束 鋼絞線承擔(dān)，由抗傾覆導(dǎo)向滑輪組側(cè)向固定，并且在下降空 間內(nèi)的附著結(jié)構(gòu)清理完畢的前提下，按順序解除所有原連接 節(jié)點(diǎn)，液

15、壓千斤頂組在計算機(jī)控制下同步下放鋼絞線和原桅 桿提升段，直至結(jié)構(gòu)至要求標(biāo)高后，將提升段與原結(jié)構(gòu)重新 校正固定。天線下降有限元模型如圖12所示，下降設(shè)備及導(dǎo) 向支撐布置如圖13所示。本工程施工模擬中，導(dǎo)向支撐采接 觸單元進(jìn)行模擬。分析結(jié)果表明，在整個天線下降施工過程 中，整個結(jié)構(gòu)始終處于安全狀態(tài)，每組導(dǎo)向支撐最大受力為 600 kN，小于設(shè)計值1 000 kN，施工不同步對支撐受力影響 較小，滿足了施工要求。 圖12 有限元模型 圖13下降設(shè)備及導(dǎo)向支撐布置 5結(jié)語 本文結(jié)合幾個典型的工程案例，介紹了支撐在鋼結(jié)構(gòu)工 程施工中的應(yīng)用情況，內(nèi)容包括：單根支撐、桁架支撐、豎向 支撐、格構(gòu)支撐以及導(dǎo)向支

16、撐。 (1)單根支撐應(yīng)用最為廣泛和多樣，使用時要把握一條 基本原則：“支撐傳力最直接可靠，支撐設(shè)置最簡便高效”。 (2)桁架支撐能夠提高結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度，并將不 利區(qū)域的荷載安全高效地傳遞到結(jié)構(gòu)可靠處。桁架支撐形式 及位置的確定，要結(jié)合工程的實(shí)際情況。 (3)格構(gòu)支撐主要應(yīng)用在分條或分塊吊裝法施工中，設(shè) 置時要綜合考慮施工場地條件、起重機(jī)吊重能力、結(jié)構(gòu)的拼 裝順序與控制方法和施工模擬分析結(jié)果等幾方面因素。 (4)導(dǎo)向支撐主要應(yīng)用在整體安裝法施工中，確定其位 置及數(shù)量時要綜合考慮現(xiàn)場條件、整體安裝設(shè)備布置和施工 同步性等幾方面因素，具體實(shí)施需要經(jīng)過詳細(xì)分析，以確定 導(dǎo)向支撐位置、數(shù)量以及同步性。 參考文獻(xiàn) 1】羅永峰，王春江，陳曉明建筑鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)原理【M】北京：中國 建筑工業(yè)出版社。2009 2】沈祖炎等鋼結(jié)構(gòu)學(xué)【M北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005